IEEE802.16-2004 WiMAX物理层操作和测量

    802.16 -2004标准描述了四种不同的空中接口。其中一种接口标准是针对NLOS，RF频率小于11GHz和距离达到30km的无线通信而优化的。许多人都把它称为WiMAX空中接口，其基本特性是256载波OFDM，带宽范围为1.25-20MHz，载波频率最高达11GHz。本文是安捷伦科技有限公司专门为需要全面了解802.16-2004定义的256载波OFDM空中接口基本RF特性，以及使用Agilent测试解决方案实现的RF参数测量技术的工程师编写的应用指南。

    802.16-2004标准描述了四种不同的空中接口。其中一种接口标准是针对NLOS，RF频率小于11GHz和距离达到30km的无线通信而优化的。虽然标准把这一物理层正式命名为 WirelessMAN-OFDM，但许多人都把它称为WiMAX空中接口。该空中接口的基本特性是256载波OFDM，带宽范围为1.25- 20MHz，载波频率最高达11GHz。 

一、WiMAX空中接口

     WiMAX 系统可配置成使用1.25MHz至20MHz的任何带宽；无论带宽多宽，符号始终包含200个载波。因此窄带宽系统子载波的间距很近，从而提供相对长的符号周期（符号周期定义为1/子载波间距）。这些间距很近的子载波和长符号有助于克服诸如多径之类的信道损伤。长符号周期是WiMAX系统与无线局域网系统（相对短的符号）的关键差别，使WiMAX对于长距离和NLOS应用有著明显的优点。

    WiMAX空中接口中的基本OFDM符号基于256点FFT。类似其它OFDM系统，256个子载波中有一部分作为保护频段（不使用），中心频率也不使用，因为它对RF载波的直馈非常敏感。WiMAX中实际只使用200个子载波。这200个载波的分配是192个载波用于数据，8个载波用于导频（见图 1）。导频载波始终为BPSK调制，数据载波则为BPSK、QPSK、16 QAM或64 QAM。

      
                                          图1. OFDM子载波

    WiMAX 系统可部署为TDD、FDD或半双工FDD。图2示出TDD配置中的一个典型帧，这里基站和用户设备以相同RF频率发送，用时间分隔。基站发送下行链路子帧，接著是称为发送/接收转换间隙（TTG）的短间隙，然後是用户发送上行链路子帧。各用户间有精确的同步，因此它们的发射信号在到达基站时不会重叠。在所有上行链路帧後和基站能再次发射前，有另一个称为接收/发送转换间隙（RTG）的短间隙。
注意各个上行链路子帧前面是一个前置码。它被称为“短前置码”，它允许基站与每个用户同步。让我们进一步看下行链路，下行链路的子帧始终由前置码开始，接著是报头，然後是一个或多个数据突发。这些下行链路突发通常由多个符号构成。每一突发内的调制形式是固定的；但不同突发可能有不同的调制类型。要先传输如 BPSK和QPSK等高抗扰性调制类型的突发，接著是抗扰性稍差的调制类型（16和64QAM）。包含所有4类调制的下行链路子帧的次序为∶BPSK, QPSK, 16 QAM和64 QAM。



                                   图2. 下行链路和上行链路子帧

     在上行链路和下行链路上的每一次传输始终从前置码开始。该前置码允许接收机与发射机同步，并用于信道评估。下行链路传输由长前置码开始。长前置码（图3）由两个QPSK调制符号构成。第一个符号使用200载波中的50个载波（每第4个子载波），第二个符号使用200个载波中的100个载波（所有偶数号的子载波）。这些前置码符号的发送功率比下行链路子帧中的所有其它符号高3dB，使接收机更易于接收，以进行正确的解调和解码。在各上行链路突发的开始处使用 “短前置码”。该短前置码是使用100个QPSK载波的一个符号（所有偶数号的子载波）。当使用包含许多符号的极长下行链路突发时，可能需要在下行链路突发间插入中同步码（短前置码）。该短前置码帮助接收机再同步，并提供附加的信道评估。

    跟著前置码的是帧控制报头（FCH）。FCH由BPSK调制中的一个符号实现。该符号包含88bit的系统开销数据，它描述如基站ID这类关键系统信息，以及接收机解码子帧所需要的下行链路突发信息。FCH所包含的信息虽然对于全面描述网络或下行链路是不够的，但足够使接收机能够开始解码下行链路突发。

    下行链路突发包含用户数据和控制消息。每一个下行链路突发都包含一个或多个符号。突发中的各符号包括12至108字节的有效载荷数据，字节数取决于调制类型和编码增益。表1示出7种不同调制类型和编码增益的组合。对于每种组合，各符号需要有规定数量的有效载荷数据。






                                            图3. 长前置码

    编码过程是从有效载荷数据变成发送至IQ映射器的实际比特，如表1所示。在有必要时可填充比特，使有效载荷数据具有映射至整数符号的正确块大小。随机化器把该数据与?随机比特序列作异或运算，以得到某些1至0和某些0至1的反转。这样，随机化器就消除了有效载荷数据中1或0的长串。再增加一个用于Reed- Solomon和卷积编码的尾字节。这些编码步骤提供了前向纠错，在数字通信系统中是非常普遍的编码方法。这一编码增加了冗馀数据，以帮助确定和修复缺失或被破坏的数据。
编码中的最後步骤包括在两个步骤中执行的交织。交织的第一步是重新排列比特次序，确保相邻比特不被映射至相邻载波。在部分信道带宽因某种类型的寄生或带内噪声而恶化时，这种方法能通过减少相邻比特丢失机会而避免错误。交织的第二步是再次对这些比特排序，使原来相邻的比特交替映射至IQ星座上或多或少的可靠点。在64 QAM这类复杂的调制中，每一个IQ点代表多个数据比特，其中一些比特比另一些比特更容易检测（因此也更可靠）。在交织後，编码比特被映射到IQ星座，从载波号-100开始，直至载波号+100。

表1. 调制和编码组合

    为简化发射机和接收机设计，FCH中的所有符号和DL数据突发以相同功率传送。由于这些符号使用四种不同的调制类型（BPSK, QPSK等），因此需针对每种调制类型进行调整，使各符号的平均功率大致相同。图5示出实际测量一个包含BPSK、QPSK、16QAM和64QAM符号的帧所得到的IQ星座图。图中示出各调制类型有不同的标度，因为各IQ点未排齐，因此有可能看到所有86个离散的IQ点（64QAM＋16QAM＋ 4QPSK＋2BPSK）。这样的测量能通过幅度标度或IQ星座图帮助设计师迅速确定有问题的区域。前面曾讲过前置码突发比这些FCH和下行链路突发符号高3dB。该前置码被解码和用于信道评估，但在IQ星座图中未示出这些符号。

图5. Agilent 89600对WiMAX下行链路帧的IQ测量

二、RF特性

    系统的总体性能依靠仔细地定义和控制RF特性。在802.16-2004和“WiMAX认证”文件中定义了这些RF指标。Agilent提供各种用于验证该 RF规范不同部分的测试解决方案。这篇应用指南的下面部分讲述每一项RF发射机和和接收机测量，并详细介绍Agilent为每一项测量推荐的测试步骤和测试解决方案。应把这些推荐看作是指导方针，或是针对每一项需要的出发点。

三、控制DUT

    虽然802.16-2004中定义了RF参数的测试条件，但该标准并未规定如何控制DUT。大多数设备制造商已实现了专门的DUT控制软件和DUT测试模式，它可控制发射机和接收机的工作，并独立于正常系统工作期间所使用的MAC和协议控制。这些专门的测试模式为可重复测量做了优化，它能快速执行，而没有通过常规MAC/协议操作建立链接和控制空中接口的不必要开销。

四、发射机测试

    IEEE 802.16-2004中的8.3.10和8.5.2项规定了发射机要求。这些测试包括∶
·8.3.10.1 - 发射功率级控制；
·8.3.10.1.1 - 发射机频谱平坦度；
·8.3.10.1.2 - 发射机星座误差；
·8.5.2 - 发射频谱模板（对于未许可频段的工作）。

    其它一些关键的发射机测量，如ACPR，最大输出功率，杂散和谐波在802.16-2004标准中未作规定，而把它留给设备将部署地区的“地区规章”。

图6. 发射机测量的典型连接图

1、发射机功率级控制

    基站和用户设备必须能在一定范围内调整其输出功率。基站至少要有10dB的调整范围，所有用户设备至少要有30dB，支持子信道化设备至少要有50dB的调整范围。在此范围内的步长最小值须为1dB，所有小于30dB步长的相对精度为±1.5dB，更大步长的相对精度为±3dB。





                           表2. 发送功率级控制的指标

（1）推荐的RF测试设备
    Agilent E4440A PSA系列频谱分析仪和配置选件B7S WiMAX分析软件的89600系列矢量信号分析仪（VSA软件）。

（2）Agilent测试设置
    对于这项测量，要把DUT设置到各种输出功率。用RF测试设备精确测量各DUT功率设置的相对功率。

·把DUT设置为发送有效功率，其帧结构有正确的前置码和数据突发；
·使用推荐的测试设备，测量和记录DUT数据突发的输出功率；
·重复第2步，仔细观察功率放大器开关的通断点（PA接通或断开处的功率级）。把测量数据与该设备预期输出功率相比较。

（3）使用带WiMAX分析软件Agilent 89600 VSA的考虑
    如图7所示，VSA软件提供帧中各突发的功率测量结果。显示中示出对前置码、FCH和各数据突发的功率测量结果。为提高精度，应使用包含许多符号的突发。它提供大量样本的平均。

图7. 下行链路子帧功率测量

（4）测试考虑
    所发送的信号很有可能是跟著前置码的数据突发。发送的前置码符号功率要比数据突发高3dB。由于帧中有幅度变化，为保证进行正确的测量，有一些需要注意的事项。在进行参考测量时，分别记录前置码的功率和数据突发的功率。然後当改变信号输出电平时，分别将新的前置码功率和数据突发功率与原参考测量比较。 802.16-2004标准未明确定义用发送信号的哪一部分进行此项测量，但由于这是相对测量，因此只要参考测量正确，该测试就有效。

2、发射频谱平坦度

    在正常系统工作期间，所有上行链路和下行链路传输都从前置码开始。由于接收机靠这些前置码和发射机同步，以及执行各种信道评估和均衡处理，因此这些前置码至为关键。前置码使用QPSK调制，并且没有嵌入的BPSK导频。所以前置码最适合规定所有子载波上的频谱平坦度。802.16-2004标准规定了将从 “信道评估步骤”取得的数据，即前置码。其指标规定为“相邻子载波间的绝对差不得超过0.1dB”。在前置码中，由于仅实际使用200个子载波的一半或四分之一，因此前置码中的相邻载波间距要宽于数据突发。

表3. 发射机频谱平坦度指标

（1）推荐的RF测试设备
    Agilent PSA系列和VSA软件，带选件B7S WiMAX分析软件。

（2）Agilent测量设备
·把DUT设置为发送有效输出功率，其帧结构有正确的前置码；
·使用推荐的测试设备测量DUT频谱平坦度。需要比较各子载波与相邻子载波的相对幅度；
·重复第2步，在RF频率和功率级各段边界处的性能可能擦边。

（3）使用带WiMAX分析软件Agilent 89600的考虑
    VSA分析软件提供信道均衡功能，此功能最适合用于测量前置码平坦度。该分析软件像典型接收机那样用前置码进行信道评估。信道评估的步骤之一是确定前置码的频率响应（或频率平坦度）。这项测量示出所测前置码的频谱平坦度。
下面是来自该分析软件的显示，它示出为得到完美平坦度，需要用均衡器响应校正前置码。其标度为0.05dB/格，因此对于各类载波，该响应能容易地落在0.1dB平坦度指标之内。

    这项测量使用的前置码只包括偶数号载波。为评估奇数号载波的信道响应，软件在二个相邻的偶数号载波间使用简单的线性内插。为确定各子载波的相对平坦度，可容易地把?线数据下载到电子表中，以进行与测试极限的比较。

图8. 使用Agilent 89601A得到的频谱平坦度或信道频率响应

（4）测试考虑
    虽然标准规定这项测量仅对前置码进行，但由于所有BPSK和QPSK调制子载波有相同的幅度，因此对于BPSK或QPSK调制，也能用数据突发（代替前置码）表徵发射机指标。

3、发射机星座误差

    这项测试是测量发射机的调制精度。为保证接收机能以最少的解码错误解调，发射机必须有精确的调制。这项测量类似于其它许多通信标准中使用的误差矢量幅度（EVM）。802.16引入一个新的术语──相对星座误差（RCE）。在标准中定义了专门的算法。这一测量方法确定各星座点的幅度误差，以及对多个符号、帧和包一起的RMS平均。

    七种突发形式（调制/编码类型）中的每一种形式都有以dB表示的RCE指标。下表示出各突发形式允许的RCE。

表4. 发射机星座误差的指标

（1）推荐的RF测试设备
    频谱分析仪（如E4440A），带WiMAX分析软件（89600选件B7S）。

·DUT应设置至发送有效子帧（数据突发跟著前置码）；
·用推荐的测试设备测量DUT相对星座误差；
·重复第2步，在RF频率、调制类型和功率级各段边界处。

（3）使用带WiMAX分析软件Agilent 89600的考虑
    图10示出使用VSA软件的星座误差测量结果。显示包括图形输出（帮助查错）和给出RCE计算数值结果的表格功能。这项计算是在解调特性配置中对所定义全部符号的平均结果。

图9. IQ星座的图形显示

图10. RCE结果的数值显示

（4）测试考虑
    在MeasSetup Demod Properties的情况下，分析软件可以指定用捕获RF信号中的哪些符号计算测量结果。这样，用户就能选择具有特定调制类型的特定符号。由于各种调制类型都有自己的RCE指标，因此这样做是必要的。802.16-2004标准规定了符号中可用于计算星座误差的所有有效载波。这是VSA软件中实现的算法。

4、发射机频谱模板

    这项测试是测量发射机的频谱形状，以验证发射机在分配信道带宽外未传送过高的能量。大多数WiMAX部署的频段受地区规章管制，由于各地区规章间有很大差异，因此802.16规范除“非许可”外，未规定任何操作的频谱模板。这里定义的测量步骤是相同的，但用户必须确定特定的极限，这取决于该设备的部署地区。
图11示出对802.16“未许可”操作的频谱模板规范。

（1）推荐的RF测试设备
    频谱分析仪（如E4440A），带WiMAX分析软件（89600选件B7S）。

（2）Agilent测量设备
·DUT应设置至发送带有前置码和数据突发的有效子帧；
·用推荐的测试设备测量DUT的频谱输出；
·重复第2步，在RF频率、调制类型和功率级各段边界处。

图11. 频谱模板和极限

（3）使用带WiMAX分析软件Agilent 89600的考虑
     这一推荐的测试配置用于测量和显示各种所选分辨率带宽和视频带宽时的频谱输出。虽然软件并未执行“通过_失败”测试，但您可以定义?线，这是观察频谱是否在推荐频谱模板之上或之下的易行方法。

（4）测试考虑
     当发射机输出功率极低时，就没必要要求设备发射机模板比信道内功率低50dB。频谱模板规章通常有一些低于极限的绝对值（以dBm为单位），用来规定这些低电平测量所要求的最低信道外功率。

5、非规定的发射机测量

    有一些重要的发射机测量，如ACPR、最大输出功率、杂散和谐波在802.16-2004标准中未作规定，而把它留给“地区规章”。这样，测试极限将取决于设备将部署的地区，但这里描述的测试方法是通用的，能适用于几乎所有环境。

（1）ACPR/ACLR
    邻道功率比（ACPR）或邻道泄漏比（ACLR）是“泄漏”至相邻或相间信道发送能量的度量。在理想情况下，发射机应把所有发送能量保持在所分配的信道内，但实际上总会有少量的发送能量出现在其它相近的信道。
频谱分析仪是进行这项测量的理想设备。第一步是测量信道内功率。然後分析仪重新调谐，使频率偏移1个信道，再测量“泄漏”功率。这两次测量的差即ACP 比。根据不同应用，该值的典型范围为30dB至80dB。在某些情况下，当测量信道功率时，分析仪本身没有抑制信道内信号的足够能力。因此在测量信道信号外的小信号时，可用专门的陷波滤波器压缩信道内功率。

（2）最大输出功率
    WiMAX应用的最大输出功率由地区规章按工作频段规定。在一般工作时，发射机通常只发送能让系统正常工作的足够功率。较高的输出功率会对系统和手持设备产生不必要的干扰；过高的输出功率还加大电池的损耗。功率计和频谱分析仪是进行输出功率测量的理想设备。

（3）杂散和谐波
    典型RF输出级包括一些滤波设备，用以压缩发送中的有害“内部”信号。这些内部信号是正常信号产生过程（如混频、调制或放大）的有害副产物。一般可分成谐波和杂散两大类。谐波是主发射机频率的整数倍，因此能预知其出现频率。而杂散信号通常是振荡器或时钟频率与主发射机输出频率的内部混频所造成的镜像频率。

    理解设备的框图能帮助了解杂散能量的可能来源，但通常是用“杂散搜索”扫描设备的整个输出频谱，以查找杂散能量。频谱分析仪是进行谐波和杂散测量的理想仪器。通常至少要测量5次谐波──也就是说对于3.5GHz信号，至少需要17.5GHz的频谱分析仪。

五、接收机测试

    IEEE 802.16-2004 8.3.11项规定了接收机要求。这些测试包括∶
·8.3.11.1 - 接收机灵敏度；
·8.3.11.2 - 接收机相邻和相间信道抑制；
·8.3.11.3 - 接收机最大输入信号；
·8.3.11.4 - 接收机最大容许信号；
·8.3.11.5 - 接收机镜像抑制。

    这五种接收机测试都可作为这里描述的接收机灵敏度测试的变体进行。接收机相邻和相间信道抑制测试需要另增一台作为干扰信号的RF源。该干扰源必须是OFDM调制信号。

    接收机灵敏度使用包括调制和编码类型、SNR和输入电平等已知信号条件测量接收机的性能。在这些规定条件下，接收机必须以低于1x10-6的BER解码数据。IEEE 802.16-2004 8.3.11.1.项规定了特定的数据码型。表5归纳了对于各种带宽和调制类型的测试条件。

表5. 接收机灵敏度指标（dBm）

图12. 接收机测试的典型配置

（1）推荐的RF测试设备
    Agilent E4438C ESG矢量信号发生器，带选件403（AWGN）和WiMAX应用软件N7613A  Signal Studio。

（2）Agilent测量设备
·用该应用软件把RF信号发生器设置到产生上表中规定的测试信号。至DUT的RF输入电平是关键，必须把RF输出电平调整到高于表中规定的量值，以补偿RF源输出和DUT输入间的任何电缆损耗；

·设置DUT，以接收和解码包含802.16-2004标准中定义特定数据码型的连续数据包流。DUT必须计算BER，或向外部BER测试设备提供数据比特，由该设备通过把接收到的数据比特与预期值比较计算BER。BER计算是对不包括前向纠错的所有解码有效载荷数据进行；

·对所有有效调制和编码率重复这项测试。

（3）使用带Signal Studio软件Agilent ESG信号发生器的考虑
    802.16-2004中描述的特定数据码型也作为ESG信号发生器用Agilent Signal Studio for WiMAX 应用软件的一部分。带选件403的ESG能以数字方式叠加AWGN噪声和产生具有高精度SNR和输出功率级的测试信号。由于有效载荷数据率因系统带宽、调制类型和编码率的不同而有很宽范围，因此执行这项测试所需的时间也会不同。采用QAM调制的高带宽系统只需要1s或2s的数据，而采用BPSK或QPSK 较低带宽的系统则至少需要运行好几秒。

    Signal Studio软件带有MAC PDU编辑器，使用户能配置各种数据选择。IEEE 802.16-2004的特定有效载荷数据是这些选择中的一种。图13示出Signal Studio软件中MAC PDU编辑器的一张照片。

图13. MAC PDU编辑器

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