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WiMAX產品的測試與驗證
   
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  作者:資通訊產業聯盟 發表於2011/5/11 下午 05:07:03
 
WiMAX產品的測試與驗證
資通訊產業聯盟

 WiMAX 技術團隊WiMAX 的全名為Worldwide Interoperability for Microwave Access,中文可翻譯為全球互通微波接取,是以IEEE 802.16 標準為基礎的無線寬頻技術。有鑒於全球無線寬頻市場缺乏一致性的使用標準及佈建的成本過高,以致BWA(Broadband Wireless Access)無法像有線的寬頻技術如Cable 及DSL 快速的發展。而WiMAX 的低成本、高速率及廣大的涵蓋範圍,被視為是無線寬頻市場及電信服務通往消費者的「最後一哩」解決方案。

 WiMAX 的特點包括支持點對點或點對多點的網路結構,可選擇在需執照頻段或免用執照頻段中使用,使用的頻率為2GHz 到11GHz,最高的傳送距離為50 公里,最大數據速率為75Megabites。可預見的是,當語音與視訊被整合至WiMAX 產品應用上,移動式的WiMAX 網絡結構將會改變用戶使用寬頻上網的習慣,不管是收發信件、即時新聞或是遠端遙控,使用者將不需透過任何纜線就可直接連上網際網路。如同Wi-Fi Alliance 成功的將IEEE 802.11 規格導入市場一般,WiMAX ForumTM 亦成立並致力於WiMAX 規格統一的制定及推廣,促使廠商的產品能相容互通,提高市場對新一代無線寬頻的使用率

 WiMAX ForumTM 在2001 年由服務營運廠商、零件製造商、軟體開發廠商及系統設備廠商共同成立,是一個非營利性的組織,目前已有434 個會員公司且遍佈57 個國家。該組織成立的目的在主導並加速推動WiMAX 產業的發展,並針對以IEEE 802.16 及ETSI HiperMAN 標準為基礎的產品進行符合性(Conformance)及互通性(Interoperability)的驗證。WiMAX ForumTM 的組織架構中又包含了九個主要的工作小組,分別為應用(Application)、網路(Network)、服務供應(Service Provider)、市場(Marketing)、頻譜(Regulatory)、全球漫遊(Global Roaming)、技術(Technical) 、驗證(Certification)及進化(Evolutionary)工作小組,運作的內容包含了網路規格使用的制定、技術標準的訂定及驗證的施行、各國頻譜的調和、應用的推廣、市場的趨勢走向及服務需求等規範制定等。

 WiMAX 產品的測試驗證規格與流程是由WiMAX ForumTM 的驗證及技術工作小組共同制定並透過WiMAX ForumTM 指定的實驗室(WiMAX ForumTM Designated Certification Laboratory) 執行。其中實驗室必須通過認證工作小組的評選才能成為WiMAX ForumTM 指定實驗室。而用於執行測試的設備,亦須通過STEG(Specialized Test Equipment Subgroup(由CWG 及TWG 共同組成)的認可方可用於測試的執行。目前WiMAX ForumTM 指定的實驗室分別為在西班牙的AT4 wireless、韓國的TTA 以及中國大陸的電信研究院(CATR)。驗證流程如圖一,可簡單的描述如下:參與驗證的廠商,必須先成為WiMAX ForumTM 的會員,依照驗證工作小組所訂定的Certification Profile,廠商先選定產品欲驗證的規格,包含工作頻段(Frequency Band)、頻寬(Channel Bandwidth)及雙工模式(Duplexing)三個參數,選擇先透過實驗室進行測試篩選(Contracted Screening)或是預測試(Pre-Qualification Testing),或可直接進入正式的測試程序。

 藉由預先自我測試,廠商可先行找出可能造成測試失敗的因素或是對自己的產品先建立一定程度的信心是否能夠順利通過正式的驗證測試。接著廠商可以直接聯繫指定的實驗室進行測試時程的預約,準備好必須的測試需求文件,並把文件及產品送到實驗室,實驗室將依照WiMAX ForumTM 所訂定的測試計畫及程序進行產品的測試。測試的過程有保密性的要求,產品從送至實驗室測試至測試完成之間僅有其測試廠商可追蹤查詢測試的進度及狀況。驗證測試的內容分為三項,包含PCT(Protocol Conformance Test)、RCT(Radio Conformance Test)及IOT(Interoperability Test)。

 產品必須要能夠通過PCT 及RCT,才可以進行IOT,否則必須退回到廠商再進行自我測試。完整通過三個項目的測試之後,實驗室會核發WiMAX ForumTM Certified 證書並將產品的資訊公佈到網站上,廠商始可將WiMAX ForumTM Certified Logo 印製到產品上販售。

 有關三個測試的描述,將在後面的段落做詳細的介紹。另外在整個驗證流程中可能遇到的各種狀況,WiMAX ForumTM 皆已制定可依循的準則,例如隨著時間可能發生測試設備無法支援測試的案例該如何處理、OEM 產品是否必須再進行測試的條件、規格未被列舉的時候該如何進行Certification Change Request、如何提出新的Certification Profile、遇到爭議的時候應該如何調解等。

 目前WiMAX ForumTM 將WiMAX 產品分為固定式(以IEEE 802.16-2004 標準為基礎)、移動式(IEEE 802.16e-2005 標準為基礎)及仍在提案中的第三個進化式系統(以固定式的IEEE802.16-2004 為標準但將應用其經由游牧式提升至移動式使用)。每個系統之下便是WiMAX ForumTM 所定義的Certification Profile 。

 隨著時間及產品功能特性的增強,WiMAX ForumTM 又定義了Release 來區分每一個時段的認證產品。目前通過驗證的產品有固定式的28 件WiMAX 產品,均為Release 1 的產品,預定在2006 年第三季可以開始認證Release 2 的產品。移動式產品的Certification Profile 目前仍在提案審核中,測試實驗室也正在同步建構中,預計在2007 年的第三季可望看到第一波移動式WiMAX 產品通過驗證。

 台灣在2004 年10 月,成立了「WiMAX 產業聯誼會」,旨在推動WiMAX 系統研發並建立中下游產業鏈整合、參與核心技術標準規格制定以及發展實驗平台與測試驗證。而經濟部工業局主導的M-Taiwan 計畫(行動台灣應用推動計畫)更在2005 年10 月將WiMAX 的推廣及應用納入,以兩年內11 億的經費,獎勵國內營運商採用台灣設計代工的WiMAX 產品,期使國內創新的應用服務可以利用WiMAX 技術,從上游之晶片設計、基地台與用戶台之製造,再搭配完備之測試驗證環境及技術,繼以開創嶄新之應用服務,建立完整之台灣WiMAX 產業鏈。M-Taiwan 計畫目前已被政府名列為新十大建設之一,更是台灣在2008 年底前最重要的任務,目標是推動及普及網路與電子化服務,預計五年內可提供八百萬人的無線上網環境。

測試項目介紹:

1.無線電符合性測試(Radio Conformance Tests)

 是針對無線電信介面的頻譜以及射頻訊號規定其測試項目和測試流程,此測試適用於規定WirelessMAN-OFDM 及WirelessHUMAN(-OFDM)的發射機與接收機之基頻訊號處理能力與射頻訊號的功能性,不僅可以確認廠商開發的設備符合IEEE802.16-2004 的規範更進一步達到支援互通性的要求。

 IEEE 802.16-2004 法規中定義4 種不同的實體層,分別為SC、SCa、OFDM 與OFDMA,其中SC 與SCa  屬於單載波傳輸方式建議應用在大於10 GHz 以上的LOS (視距) 傳輸,而OFDM (正交分頻多工) 與OFDMA (正交分頻多工存取) 則適用於10GHz 以下的NLOS (非視距) 傳輸。WiMAX 產品所採用的技術分別為  OFDM—應用於固定式寬頻接取系統與OFDMA—應用於移動式寬頻接取系統,此外OFDM 與OFDMA 訊號在多通道衰弱無線通道中具有優異的性能且能增加頻譜使用的效益與良好的抗通道干擾能力。

 其中Fixed WiMAX 產品在OFDM 調變應用BPSK、QPSK、16-QAM、64-QAM 共4 種調變技術包括了256 個子載波,其特性可參考“IEEE 802.16-2004 OFDM 特性一覽表"可以使信號藉由許多子載波延展交越與傳統在同一頻率上傳輸一個bit 接著一個bit 的方式不同,所以也可以把各個子載波視為一個互相正交的窄頻訊號(narrowband signal) 欲傳送的資訊也是調變在每個子載波的頂端來做傳送,可允許頻譜重疊的部分不會互相干擾然後來同時傳輸訊號進而提高更佳的頻譜效益。比起單載波的為避免干擾而禁止頻譜重疊的方式來看,OFDM 調變相對的具有較高的對抗多重路徑的特性,因為每一個子載波的波峰的頻率點皆會落在鄰近的子載波的  side-lobes  的能量的最低點,所以便可以忽略這樣的干擾,相對的,在傳送與接收訊號之間的優良的頻率同步就變的非常的重要了,否則就會造成子載波的損耗以及載波間的互相干擾  (Inter-Carrier Interference)。

 無線電符合性測試架構概念所示,應用的測試內容包括Subscriber Station 的接收機測試項目與發射機測試項目以及Base Station  的接收機測試項目與發射機測試項目,細部的測試項目與規格請參閱WiMAX CS 103 001。

2.協定符合性測試(Protocol Conformance Test)

 一種測試用來評估設備是否有依照標準所制定的協定規格來設計。WiMAX ForumTM 認證測試的協定符合性測試,在這裡,指的就是MAC Layer 的符合性測試。

 符合性測試的目的是為了確保所有的WiMAX 產品均依照WiMAX ForumTM 所制定的規格來實現。一個符合性測試,通常需要一個測試系統來模擬設備的各種行為(正常或例外)。圖四為一個簡單的協定符合性測試示意圖,測試系統是針對IUT (Implementation Under Test)進行測試。

 WiMAX 產品的驗證測試過程中,WiMAX ForumTM 有定義一些文件讓實驗室與設備廠商使用。這些文件都是WiMAX ForumTM 制定的,大部分是測試流程與測試項目的說明資料,有些則需要廠商依產品填寫相關資料,相關協定符合性測試的文件將在下面做進一步的說明。

 協定實現符合說明書(Protocol Implementation Conformance Statement, PICS): 協定實現符合說明書是一份技術規格書,主要用來表示待認證WiMAX 產品是否有支援WiMAX ForumTM 依據IEEE 802.16-2004 所定義的規格。這份文件須由廠商填寫,並於WiMAX 產品送進實驗室進行驗證測試前提交。文件主要的內容包含專用術語定義、說明如何填寫協定實現符合說明書與設備規格或功能支援表。

 測試組合架構(TSS),是將測試產品的種類(BS/SS),依照不同的資料鏈結控制層協定(DLC Protocol)、功能(Function) 與子功能(Sub-function)與國際標準組織定義的符合性測試類別(ISO Conformance Test Categories),把整個協定符合性測試(PCT)用一個樹狀結構來表示。

 每個測試目的都有一個識別碼(Test Purpose Identifier, TP ID),測試目的識別碼就是依測試目的所屬的協定(DLC Protocol)、功能(Function) 與子功能(Sub-function)等,的方式加以命名。因此,當我們進行一個協定符合性測試時,可以經由測試目的識別碼看出這項測試的目的。

 抽象測試組合(Abstract Test Suite): 這份文件主要提出協定符合性測試的測試系統架構,與測試系統中各模組的功能說明。測試系統中的測試個案(Test Case)是使用TTCN-3(Testing and Test Control Notation - 3)程式語言來實現,測試各案經過編譯(Compilation)後,連結轉接器(Adapters),即可進行協定符合性測試。

 協定符合性測試所需之額外協定實現資訊(Protocol Implementation Extra Information for Testing, PIXIT): 這份文件的主要說明如何更改待測設備的設定,內容包含說明各項參數的範圍與更改設定的方法,以配合測試中需更改設備各種不同參數的需求。這份文件須由廠商填寫,並於進行認證測試前提交。

 WiMAX 協定符合性測試(Protocol Conformance Test)之網路架構圖,圖中包含協定符合性測試系統(Protocol Conformance Tester)、封包偵測器(Sniffer)、測試操作工作站(Test Operating Station)與待測物(Unit Under Test)。協定符合性測試系統與工作站主要負責測試的控制、執行、判斷與報告,封包偵測器是用來抓取測試系統與待測物溝通的訊息。一個測試項目(Test Case) 的進行,基本上就是透過協定符合性測試系統發出MAC Layer 的訊息至待測物,並驗證待測物的回應是否符合規格。協定符合性測試的測試項目會因時間與新增功能而增加。

3.互通性測試(Interoperability Test, IOT)

 為WiMAX 驗證測試進行的最後一種測試,主要目的是用來展示不同廠家產品間的相容性。一般來說,互通性測試指的是兩個或個以上的設備透過相同的通訊協定來交換訊息的測試。互通性測試所需設備包含測試控制器(Test Controller)、監控儀器(Monitoring device)、互通測試樣品(Interoperability Test Unit, IOTU)。監控儀器是用來監控互通測試樣品與待測物間的MAC 訊息(或RF 參數),而測試使用的互通測試樣品需於WiMAX 驗證實驗室通過一定程度的協定符合性測試(包含PCT 與RCT)。

 欲進行互通性測試的產品至少須與三個不同廠家的互通測試樣品(IOTU)進行測試。也就是說,若欲進行互通性測試的產品是基地台(Base Station),則必須與三家用戶台(Subscriber Station, IOTU)進行互通性測試;若欲進行互通性測試的產品是用戶台(Subscriber Station),則必須與三家基地台(Base Station, IOTU)進行互通性測試。

 WiMAX ForumTM 提出的互通性測試測試規格書,內容主要包含測試架構(Test Configurations)、實體層設定組態與所有的測試目的(Test Purposed)。圖七為互通性測試的一種測試架構,而進行的測試項目就是測試規格書中的測試目的。

 此外,Plugfest 是WiMAX ForumTM 舉辦的產品插拔大會,參加的對象為WiMAX 設備與測試儀器製造商,且參加者必須為WiMAX ForumTM 的會員。Plugfest的目的在提供一個機會讓不同廠商的產品預先進行互通性測試。雖然所有產品是依照相同的標準設計製造,但各廠商的實現方式或是規格認知可能不同。因此,Plugfest可先期找出產品互通時碰到的問題、增加工程人員除錯(debug)的經驗與增加產品參加驗證測試的信心。Plugfest的測試架構與通性測試的測試架構類似,如圖八所示。每個基地台(Base Station)至少須與3 家用戶台(Subscriber Station) 進行測試(1 個用戶台可與基地台同屬一家廠商)。

結論:

 WiMAX 是一個以IEEE 802.16 無線通訊標準為基礎的都會區域無線通訊網路技術。由於它的許多優點,例如可使用在非通視環境(non-line-of-sight)、高傳輸速率(high throughput)、提供QoS(provide quality-of-service)、支援行動操作模式(support mobile operation)等等,已引起廣泛的討論,並期待WiMAX 對網路帶來的改變(last mile/backhaul & mobile)以及可提供的多樣化服務(data/voice/video)。加上WiMAX ForumTM 的推波助瀾(協調各國可使用的WiMAX 的頻段、制定WiMAX 產品的測試標準與驗證流程、推廣WiMAX 的應用…),整個WiMAX 產業的發展可說是逐漸成熟。台灣政府推動的M-Taiwan 計畫,就是將各種電子服務建構在一個使用WiMAX 的網路環境。因此,可預期WiMAX 的未來發展應是樂觀的。

 而要如何開發這個嶄新的產業,創造另一個機會,則需要大家共同來努力。整個產業的開發包含設備的設計製造、設備的驗證測試到設備的佈建與應用(從設備製造商、驗證測試實驗室到營運商),從而建立完整的WiMAX 產業生態。

 目前國內已有參與驗證完成的WiMAX 產品以及更多廠商正投入在開發WiMAX 的產品,相信未來在更多正面消息的激勵下(例如:國內外頻譜的開放,更完整的WiMAX 驗證測試規格書),將會有更多廠商加入。至於WiMAX 的驗證實驗室,誠信科技已培養相關技術人員,預計今年(2007),WiMAX ForumTM 指定驗證測試實驗室將可順利在台完成設置。這對國內WiMAX 產品的發展將有很大的幫助,不僅加速WiMAX 產品的驗證與降低驗證所需的成本,配合實際WiMAX 網路的應用經驗(M-Taiwan 計畫或營運商),更提高了國內WiMAX 產品在國際上的競爭力,可望成功的建立另一個WiMAX 核心價值。

 

 
分類:光纖暨寬頻網路/無線WiMAX網路
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