WiMAX技术及射频模块测试方案

　　无线接入互联网和无线多媒体数据业务的巨大需求推动了无线通信技术的快速发展，通信技术宽带化，IP化和移动化成为未来的发展趋势。WiMAX技术是以IEEE802.16系列标准为基础的宽带无线接入技术，近两年发展迅速，并逐渐成为城域宽带无线接入技术的发展热点。WiMAX系统主要有两个技术标准，一个是满足固定宽带无线接入的WiMAX802.16d标准，另一个是满足固定和移动的宽带无线接入技术WiMAX802.16e标准。WiMAX的关键技术主要包括以下几个方面：

　　(1)OFDM/OFDMA

　　正交频分复用OFDM是一种高速传输技术，是未来无线宽带接入系统/下一代蜂窝移动系统的关键技术之一。在WiMAX系统中，OFDM/OFDMA技术为物理层技术。OFDMA系统可以支持长度为2048，1024，512和128的FFT点数。通常向下数据流被分为逻辑数据流，这些数据流可以采用不同的调制及编码方式，以及以不同信号功率接入不同信道特征的用户端;向上数据流子信道采用多址方式接入，通过下行发送的媒质接入协议MAP分配子信道传输上行数据流。

　　(2)HARQ

　　HARQ技术因为提高了频谱效率，所以可以明显提高系统吞吐量，同时因为重传可以带来合并增益，间接扩大了系统的覆盖范围。16e中只支持卷积码(CC)、卷积Turbo码(CTC)的HARQ方式。

　　(3)AMC

　　AMC在WiMAX的应用中有其特有的技术要求，由于AMC技术需要根据信道条件来判断将要采用的编码方案和调制方案，所以AMC技术必须根据WiMAX的技术特征来实现AMC功能。与CDMA技术不同的是，由于WiMAX物理层采用的是OFDM技术，所以时延扩展、多普勒频移、小区的干扰和PAPR值等对于OFDM解调性能有重要影响的信道因素必须被考虑到AMC算法中，用于调整系统编码调制方式，达到系统瞬时最优性能。

　　(4)MIMO

　　对于未来移动通信系统而言，如何能够在非视距和恶劣信道下保证高的QoS是一个关键问题，也是移动通信领域的研究重点。对于SISO系统，如果要满足上述要求就需要较多的频谱资源和复杂的编码调制技术，而频谱资源的有限和移动终端的特性都制约着SISO系统的发展，所以MIMO是未来移动通信的关键技术。MIMO技术主要有两种表现形式，即空间复用和空时编码，这两种形式在WiMAX协议中都得到了应用。协议还给出了同时使用空间复用和空时编码的形式。MIMO技术能显著地提高系统的容量和频谱利用率，可以大大提高系统的性能，是未来移动通信发展的一个重要方向。图1为MIMO系统原理图。

　　图1 MIMO系统原理图

　　2 WiMAX射频模块测试

　　2.1 WiMAX发射机测试

　　以功率放大器为例，说明WiMAX发射机的测试。

　　为了全面衡量WiMAX功放的性能，除了传统的增益，1dB压缩点和最大输出功率外，往往还需要测试以下参数：

　　图2 频率误差引起的载波间干扰

　　(1)“突发”输出功率。

　　(2)频率误差。频率误差可以用相对于频谱仪中心频率的载波频率误差来描述(见图2)。收发信机间的频率误差将引起各个子载波频谱相对于接收机FFT频率的移动，产生载波间干扰(ICI)。

　　(3)符号时钟误差。指相对于系统采样时钟的参考符号时钟与实际测量的符号时钟之差。如果符号时钟比参考时钟低会使OFDM信号比所要求的长，引起子载波间距减小;反之，则引起子载波间距增加。两种情况都产生载波间干扰，使信号的EVM性能恶化。

　　(4)EVM(误差矢量幅度)。这是最重要的测试参数之一，以保证放大器在输出足够功率的同时获得良好的信号质量。EVM的结果可以对所有载波、数据载波和导频载波。

　　(5)ACPR(邻信道功率比)。ACPR指相邻信道测得的功率与主信道功率之比，反映放大器失真对邻信道的干扰。

　　(6)频谱平坦度。反映WiMAX信号子载波的功率变化，它测量每个子载波的平均功率对所有子载波平均功率的偏离。

　　(7)频谱差(Spectrum Difference)。测量突发前导部分相邻子载波的功率差异。

　　(8)频谱模板(Spectrum Mask)。测量发信机发射频谱的“轮廓”，以保证主信道外没有过多的功率发射。

　　RS为WIMAX功放测试提供了快速、准确的解决方案。测试设置如图3所示，主要包括3部分：

　　图3 RS的WiMAX射频模块测试解决方案

　　●信号源：使用RS信号源SMU200A或SMJ100A并加上相应选件K49，就可以方便地产生802.16 -2004-OFDM，WIMAX 802.16e OFDMA和WIBRO信号。其中，SMU200A除具有极佳的射频及基带性能外，还带有强大的衰落模拟功能，更适合研发使用。

　　●频谱仪：RS FSQ系列频谱仪及选件RS FSQ-K92可支持 802.16-2004-OFDM信号分析;或者使用RS FSQ及选件FSQ-K93，可以支持WiMAX 802.16e OFDMA和WIBRO信号的分析;也可选择RS FSL系列频谱仪及选件RS FSL-K92，支持802.16-2004-OFDM信号的分析。

　　●免费的外部PC软件DemoMeas_WiMAX(可以从RS网页www.rohde-schwarz.com下载)：它通过GPIB或LAN控制RS信号源(SMU200或SMJ100)和频谱仪(FSQ或FSL)。如图4所示，用户只需在左边栏目选择待测的参数，软件可自动完成测试所需的设置，而且可同时生成测试报告。

　　图4 在FSQ上进行WiMAX频谱和星座图测试界面

　　2.2 WiMAX接收机测试

　　为了测试WiMAX接收机的性能，尤其是802.16e，衰落环境下的测试显得尤为重要。SMU200A内置了衰落模拟器，可以模拟单通道40径或者双通道20径的衰落环境，每个路径均可进行相应参数的设置，如损耗、延时、移动速度、多普勒频移等。目前，SUI(Stanford University Interim)模型(SUI1-SUI6)和ITU(国际电信联盟)模型(OIP-A/B和V-A)可以用来进行相关的WiMAX衰落测试。在SMU200A的衰落模拟器中，预定义了SUI和ITU模型，用户可直接调用。

　　使用传统的测试方法测试MIMO的性能需要两个信号源和相应的衰落模拟器。但由于SMU200A(或者基带源AMU200A)可以提供两路完全独立的基带和射频通道，因此只需一台仪器就实现MIMO测试。每路信号可以模拟4个衰落通道，并针对WiMAX提供了空时编码。RS的单台仪器解决方案，不仅节约了空间和成本，而且对于两路信号及衰落通道的同步和合成提供了方便的设置和准确的精度。此外，直观的操作界面也大大方便了操作(见图5)。

　　图5 RS SMU200A的MIMO接收机测试界面

　　3 WiMAX整机射频一致性测试

　　3.1 WiMAX射频一致性认证测试简介

　　WiMAX论坛的目标是把IEEE802.16标准转化为实际的应用。它是由制造商和网络运营商组成的业界协会，处理除了纯技术的IEEE标准以外的WiMAX其他所有相关方面。对WiMAX基站和终端的产品认证是论坛的一个重要工作。它的目标是保证WiMAX服务在全球的可用性和可靠性。一个相关的认证工作组CWG负责如下相关的工作：定义认证和测试过程;列出需要的测试用例清单;选择测试机构;选择一致性测试系统等。

　　WiMAX产品需要测试满足3个条件，即协议一致性、无线射频一致性和互操作性。对于最后一项条件，来自不同制造商的产品需要在一个测试网络中进行互操作性测试和性能评估。前两项测试条件需要特殊的测试系统。WiMAX的相关测试规范是技术工作组(TWG)制定的，其中一个重要的射频一致性测试规范RCT(Radio Conformance Test Specification)规定了收发信机的基带和射频信号测试流程和测试条件，用于测试射频接口与WiMAX规范的实现一致性程度。

　　根据WiMAX参数，射频测试主要是对WiMAX技术物理层的关键指标和性能进行评估和验证，一般按照基站侧和终端侧进行区分，并且在每一侧都分别对发射机和接收机进行测试。具体而言，射频参数测试中的核心内容通常包括接收机的灵敏度，CP值和帧定时;发射机的循环前缀与符号定时、调制与编码、频谱平坦度、功率控制、相对星座图误差、频谱模板等内容。需要注意的是，射频参数测试不仅应该参考WiMAX认证RCT文档的要求，而且对于发射机的功率要求、杂散等具体的地区性指标，还需要符合所在地区无线电管理部门的规定，即一般所说的要通过频率核准的测试。

　　对接收机进行测试的测试指标包括接收机灵