WiMAX测试领域

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<div class="Body">    一、WiMAX简介
    为了推广遵循IEEE802.16和ETSIHIPERMAN标准的宽带无线接入设备，并确保其兼容性及互操作性，2001年4月9日，由一些业界领先的通信原器件及设备制造商结成了一个非营利性工业贸易联盟组织，即WiMAX（WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess）。
    WiMAX的目的就是为了促进点对多点无线网络在全球的开展，旨在通过建立全球统一的设备和技术标准以及实现不同技术和设备之间的互通性、兼容性，推动2.5GHz～66GHz频段的宽带固定无线接入技术在全球的推广。通过WiMAX认证的产品会拥有“WiMAX?CERTIFIED”标识。
    WiMAX的主要工作内容有：参照802.16c一致性测试规范，制定系统文件和一致性陈述(PICS)形式文件，测试整体架构和测试目的技术规范，及参照ISO/IEC9646系列（等价于ITU-TX.290系列）等有关一致性测试标准制定抽象测试整体规范。系统文件的作用是在实际系统的开发中，制定空中接口的MAC和PHY层必选和可选的特征，必选特征有利于实际产品之间的互相兼容，而可选特征有利于产品的特色和差异化。
    二、与WiMAX有关的测试
    WiMAX测试从理论上讲应该分为两个层面，即设备级测试层面和系统测试层面。其中设备级测试层面是面向设备制造商的，是WiMAX认证测试流程主要针对的对象；而系统测试层面主要是运营商关心的范畴。下面就分别予以阐述。
    （一）WiMAX认证测试流程
    1.WiMAX认证术语解释
    WiMAX认证术语包括：PICS（ProtocolImplementationConformanceSpecification）协议一致性陈述文件；TSS&TP（TSS/TP，TestSuiteStructureand Test Purposes）测试整体架构和测试目的；RCT（Radio Conformance Test Specification）射频一致性测试规范；PIXIT（Protocol Implementation eXtra Information for Testing）协议附加陈述文件；ATS（Abstract Test Suite）抽象的测试整体规范，是所有测试脚本的抽象模板；TTCN（Tree and Tabular Combined Notation）按照树状和列表方式组织的标记方法，是标记ATS的语言。各术语之间的关系如图1（本图片来自Intel）所示。
    2.WiMAX认证基本过程
    WiMAX认证的基本过程包括：（1）各设备厂商参照WiMAX的PICS文件自行（或委托）进行设备的预认证测试；（2）经过预认证测试的设备送至WiMAX授权的认证实验室进行一致性认证，该认证不仅基于WiMAX的TSS&TP、ATS、RCT等配置下的测试计划和基于802.16f规范的业务规定，还将包括设备厂商提供的任何附加陈述文件；（3）通过实验室的一致性认证之后，按照WiMAX认可的互操作测试计划，该设备将继续在实验室进行与其他厂家的设备（至少3家）互操作测试，通过互操作测试的设备就可以得到“WiMAX?CERTIFIED”标识；（4）若上述任何环节测试没有通过，待测设备都将返回第一步重新测试。
    因此，从WiMAX认证的基本过程来看，比较重要的测试配置和文件是PICS文件，制定和维护PICS也是WiMAX目前最主要的工作，下面就结合具体实例对PICS文件进行介绍。
    3．典型配置文件（profile）说明
    在802.16-2004标准中，典型的系统配置文件包括：MAC层配置、物理层配置、射频配置、双工模式选择和功率等级等5部分。其基本文件格式如下：（表1中对应参数在802.16-2004标准中有详细说明，这里不一一赘述）。

    802.16-2004典型配置（profile）文件
    （二）运营角度关心的系统测试
    参照802.16-2004标准的具体内容以及WiMAXPICS中的测试项选择的进展情况，考虑到运营商的实际需求，WiMAX测试中涉及到的802.16系统测试大致包括：实验室测试、外场测试以及网络管理测试等3个方面，下面分别进行说明。
    1.基本测试环境
    系统测试的基本测试环境包括：基站、终端、IP网络、网络管理系统，如图2所示。实验室测试与外场测试其设备构成大同小异，基本区别在于两点：实验室测试中空中接口可以用衰减器及信道模拟器等仪器代替，而外场测试是真实的空中接口；从测试规模上看，实验室测试是能够满足基本功能测试的小规模配置，而外场测试侧重于中、大规模的覆盖、容量等性能测试。
    从测试的结果来看，实验室测试由于测试环境、条件易于复制和控制，测试结果相对是客观的；而外场测试由于无线环境复杂多变，同时与测试人员的操作相关，因此结果相对较主观。

    图2  系统测试网络拓扑图

    2．测试设备
    实验室测试设备主要由以下产品组成：射频分析仪（发射、接收）；矢量信号源，支持OFDM调制，可以设置到802.16-2004的帧级，功率可按照802.16-2004标准步进调整；矢量信号分析仪，支持OFDM解调，可以设置到802.16-2004的帧级，能对MAC的PDU进行编辑；频谱仪，支持OFDM解调，频率上限至少支持到17.5GHz；信道模拟器，具备多径反射模拟功能；天线；衰减器、馈线及其他配件；传输性能分析仪；IP性能分析软件等。
    外场测试设备包括：实验室测试的全部设备；路测仪（信道下行扫描及解码功能）、室外终端、车载电源、GPS、激光测距仪、罗盘、望远镜、数码相机及其他配件。
    3.实验室测试
    实验室测试在室内主要借助仪器仪表等客观工具对系统进行评测，室内环境受外界干扰很小或基本没有，并且实验条件易于重复，测试结果可以反映出系统的特性，因此实验室测试是客观测试。例如，可以使用信道模拟器和衰减器来代替无线链路，通过定量调节BS和CPE之间的路径损耗，就可以精确测试信噪比和系统传输性能的关系。
    实验室测试的测试内容主要包括：无线电性能测试、系统性能测试及其它相关测试，主要遵循的标准是802.16-2004。
    （1）无线电性能测试主要是对设备的电气指标进行测试，它主要包括：发送功率、发送频谱屏蔽、杂散发射、频率容限、动态接收范围、同频信道干扰、邻道干扰、接收灵敏度和信道带宽。
    （2）实验室内的系统性能测试主要测试系统的传输能力，它主要包括：吞吐量（Throughtput）测试，主要测试上行（CPE至BS）和下行（BS至CPE）两个链路方向上的传输带宽；延时（Delay）测试，主要测试BS和CPE之间链路的延时，与室外环境不同，室内测试没有空间传播延时，因此这项主要是测试BS和CPE的报文处理速度及系统延时。
    （3）系统特性测试是指对802.16特有的技术进行测试，与其它的宽带无线接入技术相比，802.16-2004标准中定义了一些新的特性，包括多速率自适应技术、自动传输功率控制、QoS等。
    ①多速率自适应技术（Multi-Rate）测试。802.16系统中定义了7种不同的调制方式和编码速率的组合，这种特性使得系统可以根据BS和CPE之间不同的信道状况来自动的选择发送速率，从而更加有效地利用带宽，提高频谱利用效率。802.16-2004标准定义了调制方式和编码速率接收端信噪比的对应情况，通过本项测试可以验证这些参数对应情况以及测试系统自适应的速率。
    ②自动传输功率控制（ATPC）测试。802.16系统中使用了动态功率控制功能，BS发送功率控制信息到每个CPE上，CPE根据这个信息自动调整发送功率，使BS上收到的信号电平维持一个预定的水平。这个功能使得CPE侧在满足BS需要值的情况下选择最小功率进行发送，大大减小了CPE上的功率消耗。
    ③QoS测试。802.16-2004标准定义了802.16系统的4种QoS级别，分别是：UGS、rtPS、nrtPS和BE，在系统中，QoS是通过MAC层的报文优先级队列处理机制实现，在对外表现上，802.16系统的QoS通常通过DSCP（DiffServCodePoint）和802.1p机制来实现。在测试过程中，可以使用IP报文发生器的二层机制（VLAN）或三层机制（DSCP或ToS字段）来进行。
    （4）其它相关测试主要包括：系统10/100baseT接口测试、T1/E1接口测试、供电系统测试、设备对周边环境适应测试（包括环境温度、湿度等）以及电磁兼容测试等。
    4.外场测试
    外场测试是在室外搭建实际网络，测试802.16系统及设备在实际使用环境中的性能和特性。由于室外无线传播环境非常复杂，即使在同一地点进行的测试也会由于周围不断移动物体的干扰而导致测试结果不断变化，因此，与实验室内测试相比，外场测试环境和条件很难复制，测试结果非常主观，但外场测试无疑最能体现出802.16系统的特点。
    对于一种无线接入技术来说，在非视距、多径以及物体遮挡情况下的系统性能测试是衡量无线系统性能的关键测试内容。由于802.16系统采用了OFDM技术，OFDM技术抗多径和非视距能力非常强，因此802.16系统在复杂的传播环境中可以表现出良好的性能，这是外场测试的重点；另一方面，频率的选择对无线系统在实际环境中的传输性能有很大影响，802.16-2004中设计了2-11GHz物理层用来支持系统在非视径环境下保证传输性能，由于802.16是一个新技术，各国对802.16系统频率的分配正在讨论过程中，在测试中选择合适的频率进行测试是保证测试顺利进行的一个关键。
    外场测试需要实际安装系统设备，为保证测试效果，基站天线通常需要保证一定的高度，通常至少需要40～60米高，CPE可以放在测试车上。
    外场测试项目包括设备安装及维护测试和系统性能及特性测试两部分。由于是在室外安装，因此设备的易安装性和易维护性是设备安装维护测试的一个主要指标，安装及维护测试主要包括：基站及天线安装测试、基站电源冗余配置测试、基站热插拔卡测试以及CPE及天线安装测试等。
    外场测试中的系统性能及特性测试项目与实验室内测试项目大体相同，但由于侧重点不同，外场测试中仅包括实验室内测试项目的一部分，典型的测试项目为吞吐量测试、延时测试及多速率自适应调节测试。
    由于外场环境复杂多样，外场测试可以根据环境的不同分为三种场景的测试：覆盖能力测试、抗遮挡能力测试和传透能力测试。
    覆盖能力测试是在视距（LOS）和近似视距（NearLOS）条件下，测试系统传播的最远距离，主要衡量802.16系统的最大覆盖能力；抗遮挡能力测试主要测试802.16系统在复杂环境中的性能，在测试过程中，应该首先将复杂的环境分成典型的几类，确定分类后，在每一类中分别寻找典型的测试地点进行测试，测试数据分析统计中，同一类别的数据先进行分析比较，然后再对比不同类别之间的测试结果，这样可以更准确的评价系统的性能；穿透测试，802.16系统是一种无线城域网接入技术，用户应该在市区内的任何地方都能接入，也包括建筑物内，根据802.16组织的时间表，今年下半年会推出室内CPE用于室内接入，这项测试的目的是检验CPE位于室内情况下802.16系统的性能。
    上面提到的外场测试属于测试阶段中的技术外场测试，使用的CPE较少，网络搭建简单，当进行商用外场测试时，需要详细规划扇区个数、蜂窝大小以及频率复用关系。目前各厂商的802.16系统都属于研制阶段，因此，现在的外场测试都是技术外场测试。
    5.网络管理测试
    网管系统测试主要包括设备的配置、管理、故障处理以及数据统计收集和安全方面的测试。网管测试可以在实验室测试和外场测试中同步进行。作为一种面向运营的无线接入技术，802.16系统需要一个功能全面、易于配置和操作的网络管理系统。对于网管系统的测试主要包括以下几个项目：配置（Configuration）测试、故障处理（Fault）测试、数据统计收集（DataCollection）测试、安全（Security）测试和其它网管测试。
    本文探讨的WiMAX测试话题主要针对固定版本的802.16标准（802.16-2004），因为基于特定技术的测试往往滞后于标准，而802.16e/f/g等标准目前还处于完善阶段，所以，目前探讨整个802.16标准体系的测试还为时尚早。从应用的角度看，802.16技术的闪光点将体现在具有移动特性的802.16e版本上，不难预见，用户管理、移动性管理、移动网络构架、网规和网忧、系统干扰等诸多问题将成为802.16e技术测试的焦点与核心。
    作者：李建宇，孙向辉