WiMAX測試領域

一、WiMAX簡介

　　為了推廣遵循IEEE802.16和ETSIHIPERMAN標準的寬帶無線接入設備，并確保其兼容性及互操作性，2001年4月9日，由一些業界領先的通信原器件及設備制造商結成了一個非營利性工業貿易聯盟組織，即WiMAX（WorldwideInteroperability for Microwave Access）。

　　WiMAX的目的就是為了促進點對多點無線網絡在全球的開展，旨在通過建立全球統一的設備和技術標準以及實現不同技術和設備之間的互通性、兼容性，推動2.5GHz～66GHz頻段的寬帶固定無線接入技術在全球的推廣。通過WiMAX認證的產品會擁有“WiMAX®CERTIFIED”標識。

　　WiMAX的主要工作內容有：參照802.16c一致性測試規范，制定系統文件和一致性陳述(PICS)形式文件，測試整體架構和測試目的技術規范，及參照ISO/IEC9646系列（等價于ITU-TX.290系列）等有關一致性測試標準制定抽象測試整體規范。系統文件的作用是在實際系統的開發中，制定空中接口的MAC和PHY層必選和可選的特征，必選特征有利于實際產品之間的互相兼容，而可選特征有利于產品的特色和差異化。

二、與WiMAX有關的測試

　　WiMAX測試從理論上講應該分為兩個層面，即設備級測試層面和系統測試層面。其中設備級測試層面是面向設備制造商的，是WiMAX認證測試流程主要針對的對象；而系統測試層面主要是運營商關心的范疇。下面就分別予以闡述。

（一）WiMAX認證測試流程

　　1.WiMAX認證術語解釋

　　WiMAX認證術語包括：PICS（ProtocolImplementationConformanceSpecification）協議一致性陳述文件；TSS&TP（TSS/TP，Test Suite Structure and Test Purposes）測試整體架構和測試目的；RCT（Radio Conformance Test Specification）射頻一致性測試規范；PIXIT（Protocol Implementation eXtra Information for Testing）協議附加陳述文件；ATS（Abstract Test Suite）抽象的測試整體規范，是所有測試腳本的抽象模板；TTCN（Tree and Tabular Combined Notation）按照樹狀和列表方式組織的標記方法，是標記ATS的語言。各術語之間的關系如圖1（本圖片來自Intel）所示。





圖1WiMAX的認證過程

　　2.WiMAX認證基本過程

　　WiMAX認證的基本過程包括：（1）各設備廠商參照WiMAX的PICS文件自行（或委托）進行設備的預認證測試；（2）經過預認證測試的設備送至WiMAX授權的認證實驗室進行一致性認證，該認證不僅基于WiMAX的TSS&TP、ATS、RCT等配置下的測試計劃和基于802.16f規范的業務規定，還將包括設備廠商提供的任何附加陳述文件；（3）通過實驗室的一致性認證之后，按照WiMAX認可的互操作測試計劃，該設備將繼續在實驗室進行與其他廠家的設備（至少3家）互操作測試，通過互操作測試的設備就可以得到“WiMAX®CERTIFIED”標識；（4）若上述任何環節測試沒有通過，待測設備都將返回第一步重新測試。

　　因此，從WiMAX認證的基本過程來看，比較重要的測試配置和文件是PICS文件，制定和維護PICS也是WiMAX目前最主要的工作，下面就結合具體實例對PICS文件進行介紹。

　　3． 典型配置文件（profile）說明

　　在802.16-2004標準中，典型的系統配置文件包括：MAC層配置、物理層配置、射頻配置、雙工模式選擇和功率等級等5部分。其基本文件格式如下：（表1中對應參數在802.16-2004標準中有詳細說明，這里不一一贅述）。




（二）運營角度關心的系統測試

　　參照802.16-2004標準的具體內容以及WiMAXPICS中的測試項選擇的進展情況，考慮到運營商的實際需求，WiMAX測試中涉及到的802.16系統測試大致包括：實驗室測試、外場測試以及網絡管理測試等3個方面，下面分別進行說明。

　　1.基本測試環境

　　系統測試的基本測試環境包括：基站、終端、IP網絡、網絡管理系統，如圖2所示。實驗室測試與外場測試其設備構成大同小異，基本區別在于兩點：實驗室測試中空中接口可以用衰減器及信道模擬器等儀器代替，而外場測試是真實的空中接口；從測試規模上看，實驗室測試是能夠滿足基本功能測試的小規模配置，而外場測試側重于中、大規模的覆蓋、容量等性能測試。

　　從測試的結果來看，實驗室測試由于測試環境、條件易于復制和控制，測試結果相對是客觀的；而外場測試由于無線環境復雜多變，同時與測試人員的操作相關，因此結果相對較主觀。





圖2系統測試網絡拓撲圖

　　2．測試設備

　　實驗室測試設備主要由以下產品組成：射頻分析儀（發射、接收）；矢量信號源，支持OFDM調制，可以設置到802.16-2004的幀級，功率可按照802.16-2004標準步進調整；矢量信號分析儀，支持OFDM解調，可以設置到802.16-2004的幀級，能對MAC的PDU進行編輯；頻譜儀，支持OFDM解調，頻率上限至少支持到17.5GHz；信道模擬器，具備多徑反射模擬功能；天線；衰減器、饋線及其他配件；傳輸性能分析儀；IP性能分析軟件等。

　　外場測試設備包括：實驗室測試的全部設備；路測儀（信道下行掃描及解碼功能）、室外終端、車載電源、GPS、激光測距儀、羅盤、望遠鏡、數碼相機及其他配件。

　　3.實驗室測試

　　實驗室測試在室內主要借助儀器儀表等客觀工具對系統進行評測，室內環境受外界干擾很小或基本沒有，并且實驗條件易于重復，測試結果可以反映出系統的特性，因此實驗室測試是客觀測試。例如，可以使用信道模擬器和衰減器來代替無線鏈路，通過定量調節BS和CPE之間的路徑損耗，就可以精確測試信噪比和系統傳輸性能的關系。

　　實驗室測試的測試內容主要包括：無線電性能測試、系統性能測試及其它相關測試，主要遵循的標準是802.16-2004。

　　（1）無線電性能測試主要是對設備的電氣指標進行測試，它主要包括：發送功率、發送頻譜屏蔽、雜散發射、頻率容限、動態接收范圍、同頻信道干擾、鄰道干擾、接收靈敏度和信道帶寬。

　　（2）實驗室內的系統性能測試主要測試系統的傳輸能力，它主要包括：吞吐量（Throughtput）測試，主要測試上行（CPE至BS）和下行（BS至CPE）兩個鏈路方向上的傳輸帶寬；延時（Delay）測試，主要測試BS和CPE之間鏈路的延時，與室外環境不同，室內測試沒有空間傳播延時，因此這項主要是測試BS和CPE的報文處理速度及系統延時。

　　（3）系統特性測試是指對802.16特有的技術進行測試，與其它的寬帶無線接入技術相比，802.16-2004標準中定義了一些新的特性，包括多速率自適應技術、自動傳輸功率控制、QoS等。

　　　①多速率自適應技術（Multi-Rate）測試。802.16系統中定義了7種不同的調制方式和編碼速率的組合，這種特性使得系統可以根據BS和CPE之間不同的信道狀況來自動的選擇發送速率，從而更加有效地利用帶寬，提高頻譜利用效率。802.16-2004標準定義了調制方式和編碼速率接收端信噪比的對應情況，通過本項測試可以驗證這些參數對應情況以及測試系統自適應的速率。

　　　②自動傳輸功率控制（ATPC）測試。802.16系統中使用了動態功率控制功能，BS發送功率控制信息到每個CPE上，CPE根據這個信息自動調整發送功率，使BS上收到的信號電平維持一個預定的水平。這個功能使得CPE側在滿足BS需要值的情況下選擇最小功率進行發送，大大減小了CPE上的功率消耗。

　　　③QoS測試。802.16-2004標準定義了802.16系統的4種QoS級別，分別是：UGS、rtPS、nrtPS和BE，在系統中，QoS是通過MAC層的報文優先級隊列處理機制實現，在對外表現上，802.16系統的QoS通常通過DSCP（DiffServCodePoint）和802.1p機制來實現。在測試過程中，可以使用IP報文發生器的二層機制（VLAN）或三層機制（DSCP或ToS字段）來進行。

　　（4）其它相關測試主要包括：系統10/100baseT接口測試、T1/E1接口測試、供電系統測試、設備對周邊環境適應測試（包括環境溫度、濕度等）以及電磁兼容測試等。

　　4.外場測試

　　外場測試是在室外搭建實際網絡，測試802.16系統及設備在實際使用環境中的性能和特性。由于室外無線傳播環境非常復雜，即使在同一地點進行的測試也會由于周圍不斷移動物體的干擾而導致測試結果不斷變化，因此，與實驗室內測試相比，外場測試環境和條件很難復制，測試結果非常主觀，但外場測試無疑最能體現出802.16系統的特點。

　　對于一種無線接入技術來說，在非視距、多徑以及物體遮擋情況下的系統性能測試是衡量無線系統性能的關鍵測試內容。由于802.16系統采用了OFDM技術，OFDM技術抗多徑和非視距能力非常強，因此802.16系統在復雜的傳播環境中可以表現出良好的性能，這是外場測試的重點；另一方面，頻率的選擇對無線系統在實際環境中的傳輸性能有很大影響，802.16-2004中設計了2-11GHz物理層用來支持系統在非視徑環境下保證傳輸性能，由于802.16是一個新技術，各國對802.16系統頻率的分配正在討論過程中，在測試中選擇合適的頻率進行測試是保證測試順利進行的一個關鍵。

　　外場測試需要實際安裝系統設備，為保證測試效果，基站天線通常需要保證一定的高度，通常至少需要40～60米高，CPE可以放在測試車上。

　　外場測試項目包括設備安裝及維護測試和系統性能及特性測試兩部分。由于是在室外安裝，因此設備的易安裝性和易維護性是設備安裝維護測試的一個主要指標，安裝及維護測試主要包括：基站及天線安裝測試、基站電源冗余配置測試、基站熱插拔卡測試以及CPE及天線安裝測試等。

　　外場測試中的系統性能及特性測試項目與實驗室內測試項目大體相同，但由于側重點不同，外場測試中僅包括實驗室內測試項目的一部分，典型的測試項目為吞吐量測試、延時測試及多速率自適應調節測試。

　　由于外場環境復雜多樣，外場測試可以根據環境的不同分為三種場景的測試：覆蓋能力測試、抗遮擋能力測試和傳透能力測試。

　　覆蓋能力測試是在視距（LOS）和近似視距（NearLOS）條件下，測試系統傳播的最遠距離，主要衡量802.16系統的最大覆蓋能力；抗遮擋能力測試主要測試802.16系統在復雜環境中的性能，在測試過程中，應該首先將復雜的環境分成典型的幾類，確定分類后，在每一類中分別尋找典型的測試地點進行測試，測試數據分析統計中，同一類別的數據先進行分析比較，然后再對比不同類別之間的測試結果，這樣可以更準確的評價系統的性能；穿透測試，802.16系統是一種無線城域網接入技術，用戶應該在市區內的任何地方都能接入，也包括建筑物內，根據802.16組織的時間表，今年下半年會推出室內CPE用于室內接入，這項測試的目的是檢驗CPE位于室內情況下802.16系統的性能。

　　上面提到的外場測試屬于測試階段中的技術外場測試，使用的CPE較少，網絡搭建簡單，當進行商用外場測試時，需要詳細規劃扇區個數、蜂窩大小以及頻率復用關系。目前各廠商的802.16系統都屬于研制階段，因此，現在的外場測試都是技術外場測試。

　　5.網絡管理測試

　　網管系統測試主要包括設備的配置、管理、故障處理以及數據統計收集和安全方面的測試。網管測試可以在實驗室測試和外場測試中同步進行。作為一種面向運營的無線接入技術，802.16系統需要一個功能全面、易于配置和操作的網絡管理系統。對于網管系統的測試主要包括以下幾個項目：配置（Configuration）測試、故障處理（Fault）測試、數據統計收集（DataCollection）測試、安全（Security）測試和其它網管測試。

　　本文探討的WiMAX測試話題主要針對固定版本的802.16標準（802.16-2004），因為基于特定技術的測試往往滯后于標準，而802.16e/f/g等標準目前還處于完善階段，所以，目前探討整個802.16標準體系的測試還為時尚早。從應用的角度看，802.16技術的閃光點將體現在具有移動特性的802.16e版本上，不難預見，用戶管理、移動性管理、移動網絡構架、網規和網憂、系統干擾等諸多問題將成為802.16e技術測試的焦點與核心。