1 WiMAX簡介
無線接入互聯網和無線多媒體數據業務的巨大需求推動了無線通信技術的快速發展，通信技術寬帶化，IP化和移動化成為未來的發展趨勢。WiMAX技術" title="WiMAX技術">WiMAX技術是以IEEE802.16系列標準為基礎的寬帶無線接入技術，近兩年發展迅速，并逐漸成為城域寬帶無線接入技術的發展熱點。WiMAX系統主要有兩個技術標準，一個是滿足固定寬帶無線接入的WiMAX802.16d標準，另一個是滿足固定和移動的寬帶無線接入技術WiMAX802.16e標準。 WiMAX的關鍵技術主要包括以下幾個方面：
(1)OFDM/OFDMA
正交頻分復用OFDM是一種高速傳輸技術，是未來無線寬帶接入系統/下一代蜂窩移動系統的關鍵技術之一。在WiMAX系統中，OFDM /OFDMA技術為物理層技術。OFDMA系統可以支持長度為2048，1024，512和128的FFT點數。通常向下數據流被分為邏輯數據流，這些數據流可以采用不同的調制及編碼方式，以及以不同信號功率接入不同信道特征的用戶端;向上數據流子信道采用多址方式接入，通過下行發送的媒質接入協議MAP 分配子信道傳輸上行數據流。
(2)HARQ
HARQ技術因為提高了頻譜效率，所以可以明顯提高系統吞吐量，同時因為重傳可以帶來合并增益，間接擴大了系統的覆蓋范圍。16e中只支持卷積碼(CC)、卷積Turbo碼(CTC)的HARQ方式。
(3)AMC
AMC在WiMAX的應用中有其特有的技術要求，由于AMC技術需要根據信道條件來判斷將要采用的編碼方案和調制方案，所以AMC技術必須根據 WiMAX的技術特征來實現AMC功能。與CDMA技術不同的是，由于WiMAX物理層采用的是OFDM技術，所以時延擴展、多普勒頻移、小區的干擾和 PAPR值等對于OFDM解調性能有重要影響的信道因素必須被考慮到AMC算法中，用于調整系統編碼調制方式，達到系統瞬時最優性能。
(4)MIMO
對于未來移動通信系統而言，如何能夠在非視距和惡劣信道下保證高的QoS是一個關鍵問題，也是移動通信領域的研究重點。對于SISO系統，如果要滿足上述要求就需要較多的頻譜資源和復雜的編碼調制技術，而頻譜資源的有限和移動終端的特性都制約著SISO系統的發展，所以MIMO是未來移動通信的關鍵技術。MIMO技術主要有兩種表現形式，即空間復用和空時編碼，這兩種形式在WiMAX協議中都得到了應用。協議還給出了同時使用空間復用和空時編碼的形式。MIMO技術能顯著地提高系統的容量和頻譜利用率，可以大大提高系統的性能，是未來移動通信發展的一個重要方向。圖1為MIMO系統原理圖。
圖1 MIMO系統原理圖
2 WiMAX射頻模塊" title="射頻模塊">射頻模塊測試
2.1 WiMAX發射機測試
以功率放大器為例，說明WiMAX發射機的測試。
為了全面衡量WiMAX功放的性能，除了傳統的增益，1dB壓縮點和最大輸出功率外，往往還需要測試以下參數：
圖2 頻率誤差引起的載波間干擾
(1)“突發”輸出功率。
(2)頻率誤差。頻率誤差可以用相對于頻譜儀中心頻率的載波頻率誤差來描述(見圖2)。收發信機間的頻率誤差將引起各個子載波頻譜相對于接收機FFT頻率的移動，產生載波間干擾(ICI)。
(3)符號時鐘誤差。指相對于系統采樣時鐘的參考符號時鐘與實際測量的符號時鐘之差。如果符號時鐘比參考時鐘低會使OFDM信號比所要求的長，引起子載波間距減小;反之，則引起子載波間距增加。兩種情況都產生載波間干擾，使信號的EVM性能惡化。
(4)EVM(誤差矢量幅度)。這是最重要的測試參數之一，以保證放大器在輸出足夠功率的同時獲得良好的信號質量。EVM的結果可以對所有載波、數據載波和導頻載波。
(5)ACPR(鄰信道功率比)。ACPR指相鄰信道測得的功率與主信道功率之比，反映放大器失真對鄰信道的干擾。
(6)頻譜平坦度。反映WiMAX信號子載波的功率變化，它測量每個子載波的平均功率對所有子載波平均功率的偏離。
(7)頻譜差(Spectrum Difference)。測量突發前導部分相鄰子載波的功率差異。
(8)頻譜模板(Spectrum Mask)。測量發信機發射頻譜的“輪廓”，以保證主信道外沒有過多的功率發射。
R&S為WIMAX功放測試提供了快速、準確的解決方案。測試設置如圖3所示，主要包括3部分：
圖3 R&S的WiMAX射頻模塊測試解決方案
●信號源：使用R&S信號源SMU200A或SMJ100A并加上相應選件K49，就可以方便地產生802.16 -2004-OFDM，WIMAX 802.16e OFDMA和WIBRO信號。其中，SMU200A除具有極佳的射頻及基帶性能外，還帶有強大的衰落模擬功能，更適合研發使用。
●頻譜儀：R&S FSQ系列頻譜儀及選件R&S FSQ-K92可支持 802.16-2004-OFDM信號分析;或者使用R&S FSQ及選件FSQ-K93，可以支持WiMAX 802.16e OFDMA和WIBRO信號的分析;也可選擇R&S FSL系列頻譜儀及選件R&S FSL-K92，支持802.16-2004-OFDM信號的分析。
●免費的外部PC軟件DemoMeas_WiMAX(可以從R&S網頁www.rohde-schwarz.com下載)：它通過GPIB或LAN控制R&S信號源(SMU200或SMJ100)和頻譜儀(FSQ或FSL)。如圖4所示，用戶只需在左邊欄目選擇待測的參數，軟件可自動完成測試所需的設置，而且可同時生成測試報告。
圖4 在FSQ上進行WiMAX頻譜和星座圖測試界面
2.2 WiMAX接收機測試
為了測試WiMAX接收機的性能，尤其是802.16e，衰落環境下的測試顯得尤為重要。SMU200A內置了衰落模擬器，可以模擬單通道40 徑或者雙通道20徑的衰落環境，每個路徑均可進行相應參數的設置，如損耗、延時、移動速度、多普勒頻移等。目前，SUI(Stanford University Interim)模型(SUI1-SUI6)和ITU(國際電信聯盟)模型(OIP-A/B和V-A)可以用來進行相關的WiMAX衰落測試。在 SMU200A的衰落模擬器中，預定義了SUI和ITU模型，用戶可直接調用。
使用傳統的測試方法測試MIMO的性能需要兩個信號源和相應的衰落模擬器。但由于SMU200A(或者基帶源AMU200A)可以提供兩路完全獨立的基帶和射頻通道，因此只需一臺儀器就實現MIMO測試。每路信號可以模擬4個衰落通道，并針對WiMAX提供了空時編碼。R&S的單臺儀器解決方案，不僅節約了空間和成本，而且對于兩路信號及衰落通道的同步和合成提供了方便的設置和準確的精度。此外，直觀的操作界面也大大方便了操作(見圖 5)。
圖5 R&S SMU200A的MIMO接收機測試界面
3 WiMAX整機射頻一致性測試
3.1 WiMAX射頻一致性認證測試簡介
WiMAX論壇的目標是把IEEE802.16標準轉化為實際的應用。它是由制造商和網絡運營商組成的業界協會，處理除了純技術的IEEE標準以外的WiMAX其他所有相關方面。對WiMAX基站和終端的產品認證是論壇的一個重要工作。它的目標是保證WiMAX服務在全球的可用性和可靠性。一個相關的認證工作組CWG負責如下相關的工作：定義認證和測試過程;列出需要的測試用例清單;選擇測試機構;選擇一致性測試系統等。
WiMAX產品需要測試滿足3個條件，即協議一致性、無線射頻一致性和互操作性。對于最后一項條件，來自不同制造商的產品需要在一個測試網絡中進行互操作性測試和性能評估。前兩項測試條件需要特殊的測試系統。WiMAX的相關測試規范是技術工作組(TWG)制定的，其中一個重要的射頻一致性測試規范RCT(Radio Conformance Test Specification)規定了收發信機的基帶和射頻信號測試流程和測試條件，用于測試射頻接口與WiMAX規范的實現一致性程度。
根據WiMAX參數，射頻測試主要是對WiMAX技術物理層的關鍵指標和性能進行評估和驗證，一般按照基站側和終端側進行區分，并且在每一側都分別對發射機和接收機進行測試。具體而言，射頻參數測試中的核心內容通常包括接收機的靈敏度，CP值和幀定時;發射機的循環前綴與符號定時、調制與編碼、頻譜平坦度、功率控制、相對星座圖誤差、頻譜模板等內容。需要注意的是，射頻參數測試不僅應該參考WiMAX認證RCT文檔的要求，而且對于發射機的功率要求、雜散等具體的地區性指標，還需要符合所在地區無線電管理部門的規定，即一般所說的要通過頻率核準的測試。
對接收機進行測試的測試指標包括接收機靈敏度和動態范圍;對發射機進行測試的測試指標包括開環輸出功率范圍，閉環功率控制范圍，最大射頻輸出功率，最小受控輸出功率，待機輸出功率，DRC信道輸出功率，ACK信道輸出功率，數據信道輸出功率，發射機傳導性雜散發射，調制性能等;最后，還包括終端的吞吐率性能測試，包括上行和下行吞吐率測試。
3.2 R&S TS8970 WiMAX射頻一致性認證測試系統
WiMAX論壇選擇了R&S公司的TS8970測試系統作為IEEE802.16e-2005移動WiMAX標準的無線射頻一致性測試系統(見圖6)。在2006年5月韓國和維也納的WiMAX會議上，R&S第一次推出了這套系統。伴隨著WiMAX論壇正在進行的測試標準化工作，R&S也正在TS8970系統上實行所有必須的測試用例。
圖6 R&S WiMAX射頻一致性認證測試系統
R&S TS8970系統是基于R&S公司高端儀表的基礎上，采用了信號源SMU200A及其選件SMx-K49作為信號產生部分，信號分析儀FSQ及其選件FSQ-K93作為信號分析部分，所需的信令連接部分采用了一個OEM的基站和終端模擬器。同時，還有一個全自動的射頻開關矩陣，它的頻率達到 6GHz，可以保證測試系統和被測件之間每個測試用例要求的信號轉換通路。
與R&S TS895x 2G和3G移動通信的認證系統一樣，R&S TS8970系統使用了可靠的RS-PASS控制軟件。由于它具有模塊化和獨立于標準的結構，整個軟件可以在TS8970中迅速實現。系統特定的一些應用，如全自動的射頻路徑校準補償、系統自檢程序和所有的管理、控制程序(如版本瀏覽器、測試用例和測試序列編輯器、測試參數和結果管理)，這些都可以直接使用，不需要做改變。此外，最初的WiMAX指定的一些測試用例可以使用一些RS-PASS基本程序來開發。而且，R&S TS8970是第一套全部使用以太網控制的測試系統。
4 WiMAX終端無線測試儀CMW270
在生產測試方面，R&S最新推出了集非信令測試和信令測試于一體的WiMAX802.16e終端無線測試儀CMW270，可以滿足用戶在非信令模式測量，信令模式測量和功能驗證，校準、服務和質量保證等各種WiMAX測試領域的需求(見圖7)。
圖7 WiMAX終端無線測試儀CMW270
對于在非信令模式下射頻測量方面，CMW270可以提供快速的發射機測量，測試發射機的突發功率，鄰信道功率ACP，EVM和IQ不平衡度等調制指標，中心頻率誤差，頻譜平坦度，頻譜雜散模版等頻譜性能。并內置了ARB信號源用于接收機測量，測試接收機在保持一定的PER或BER情況下的接收機靈敏度和最大輸入電平等指標。此外，CMW270內置了通用的RF信號源和RF功率計，可以完成如外部射頻電纜校準等通用測量功能。
對于信令模式下的射頻驗證，CMW270可以提供實時信令，從而可以作為一個基站模擬器使用。此時的WiMAX終端可以像在一個實際的 WiMAX網絡中一樣進行操作，修改一些必要的發射參數，模擬各種復雜的測試場景進行測試。例如，測量載波干擾噪聲信號比CINR和接收信號強度指示 RSSI等指標，以及開機搜索、功率控制等物理層和MAC層功能的驗證。
對于質量保證和服務等方面的應用，用戶也可以通過外部的顯示器、鼠標和鍵盤來進行手工操作，完成儀器所有的設置和測量。
由于具有實時信令模擬的能力，CMW270可以測試不同芯片廠商的終端而不需要特殊的測試模式接口，從而大大降低了測試時間和測試系統的復雜度。由于儀器體積小巧，CMW270可以很方便地集成到生產線中去，并且可以通過LAN，IEC/IEEE總線或者USB2.0接口來進行遠程控制。
CMW270的頻率范圍從100MHz~6GHz，并且具有高信號質量和精度，包括QPSK和QAM等各種調制方式和從1/2，2/3到3/4各種信道編碼方式，從而可以滿足目前WiMAX標準的各種要求。
更進一步，CMW270采用了模塊化的平臺結構，從而可以輕松地適應未來IEEE802.16e標準的升級。內部的測量和信令功能是由可編程邏輯器件FPGA和數字信號處理器DSP來完成的，從而可以通過固件升級的方式來輕松升級，適應標準的變化。
CMW270還提供了應用測試的功能，通過在各種不同的測試場景下外部PC發送和接收TCP/IP數據包(數據或語音)來測試數據吞吐量。
由于其快速的測量能力、高精確度和面向未來的平臺設計理念，R&S CMW270為用戶提供了WiMAX 移動終端的高性能、低成本的測試解決方案。
5 WiMAX無線覆蓋測試系統TSMW
在完成了WiMAX的網絡部署之后，就要對WiMAX的網絡覆蓋進行測量并且對網絡規劃中存在的干擾進行測試，結合WiMAX終端還可以在現網中測試網絡的QoS。R&S針對802.16e使用TSMW網絡掃頻儀對網絡進行覆蓋測量以及干擾分析。通過Romes路測軟件的控制，可以解析出針對ID Cell和PA Index對小區進行覆蓋測量。輸出Preamble的覆蓋質量(CINR)和覆蓋電平(RSSI)參數。同時，TSMW還可以對每個ID Cell的多徑進行測量，這樣輸出結果不僅包括了所有多徑的合成功率，還針對每路多徑分別給出RSSI和CINR。由于TSMW可以對每個Segment 的所有小區進行測量，因此可以通過該功能實現網絡之后的頻率優化。
TSMW本身為獨立雙端口接收機設置，單一通道有20MHz的帶寬，因此在設備的研發初期就考慮了對MIMO的支持(見圖8)。它的頻段范圍可以達到6GHz，滿足所有的頻段需求，內置12通道高靈敏度GPS接收機，可以實現測量同GSS系統的完美結合。它在射頻性能上表現尤其突出，內置預選器，可以提高對于接收系統干擾的抑制和儀表本身的動態范圍，噪聲系數極低，極大地提高了儀表的底噪指標。并且提供的IQ數據直接獲取也給研發階段一些非標準信號的分析提供了可能。
圖8 WiMAX無線覆蓋測試系統TSMW
6 結束語
在產品研發階段，R&S WiMAX射頻儀器強大的功能和出色的性能確保廠商能及時、準確地驗證其射頻模塊和部件;在產品認證階段，R&S利用其在移動通信一致性認證測試中的領先地位，率先提供了TS8970以滿足WiMAX整機射頻一致性測試的需求;在生產測試階段，R&S有集WiMAX信令和非信令模式于一體的的生產測試解決方案——WiMAX終端無線測試儀CMW270，從而提供了從研發、認證到生產的全系列測試解決方案。