Neues von Rohde & Schwarz

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1 Neues von Rohde & Schwarz Tragbarer Empfänger und Richtantennen für die mobile Funkerfassung Messtechnikgrenzen verschoben: Erster Spektrumanalysator durchgehend bis 67 GHz Preiswerter, kompakter Signalgenerator für alle aktuellen Rundfunkstandards 2007/III 194

2 HEFT /III 47. Jahrgang Mit einem bisher nie da gewesenen Funktionsumfang revolutioniert er den Markt für portable Monitoring-Empfänger: Der neue R&S PR100 ist zusammen mit der tragbaren Richtantenne R&S HE300 bestens für die Nahund Fernbereichs erfassung geeignet, z.b. zur Frequenzüber wachung oder zum Aufspüren verräterischer Signale aktivierter elektronischer Geräte (Seite 74) /11a Gute spektrale Reinheit, hoher Ausgangspegel und kurze Einschwingzeiten: Damit macht der neue analoge Signalgenerator R&S SMB100A von sich reden (Seite 18). MOBILFUNK Technologie Von SISO bis MIMO alles nutzen, was die Luftschnittstelle bietet (2)...4 Protokolltester Protokolltester R&S CRTU 2G- und 3G-Interoperabilitätstests Vom realen Netz ins Labor...8 Signalgeneratoren Generatoren R&S SMU / R&S AMU200A / R&S AFQ Standardkonforme DVB-H-Signale für alle Tests an Mobilgeräten...12 WPAN / WLAN / WMAN / WWAN Typprüfsysteme WiMAX Radio Conformance Test System R&S TS8970 Auf dem neuesten Stand: Alle WiMAX-HF-Zertifizierungstests...15 Das gab es noch nie: einen Spektrum analysator, der durchgehend bis 67 GHz arbeitet (Seite 24). ALLGEMEINE MESSTECHNIK Signalgeneratoren Signalgenerator R&S SMB100A Ob Broadcast, EMV oder Aerospace & Defense: Analoge Signale für alle Fälle...18 Analysatoren Spektrumanalysator R&S FSU67 Spektrumanalyse erstmals durchgehend von 20 Hz bis 67 GHz...24 Netzwerkanalysatoren R&S ZVA / R&S ZVT Netzwerkanalyse im Millimeter wellenbereich mit höchster Dynamik ILS / VOR Analyzer R&S EVS300 Hochpräzise Pegel- und Modulations analyse von ILS- und VOR-Signalen...30 Neues von Rohde&Schwarz 2 EMV/FELDSTÄRKE Messempfänger Precompliance-Messempfänger R&S ESPI Komfortable Software erleichtert Störemissionsmessungen...33 Heft 194 (2007/III)

3 Die neuen Konverter R&S ZVA-Z110 von Rohde&Schwarz erweitern die Netzwerkanalysatoren R&S ZVA24, R&S ZVA40 und R&S ZVT20 für Millimeterwellenmessungen mit höchster Dynamik im Frequenzbereich 75 GHz bis 110 GHz (Seite 27). Multistandard-Echtzeit-Codierung, integrierte Basisbandquelle, sehr gute HF-Eigenschaften, das alles in einem kompakten Gehäuse mit komfortabler grafischer Bedienoberfläche: Der neue Broadcast Tester R&S SFE (Seite 44). RUNDFUNKTECHNIK Fernsehsender UHF-Senderfamilie R&S NH/NV8600 Hoher Wirkungsgrad senkt Energiekosten bis zu 25 % Referenz Flächendeckende Versorgung der Niederlande mit DVB-T...40 Erstes T-DMB-Rundfunknetz in Südkorea...42 Signalgeneratoren Broadcast Tester R&S SFE Kompakter Signalgenerator für alle aktuellen Rundfunkstandards...44 Monitoring-Systeme Digital Video Measurement System R&S DVM400 Messtechnik für IPTV...50 Sendernetzüberwachung Effizient und zielgerichtet: Über wachung digitaler Fernsehsignale (2)...53 IM BLICKPUNKT Customer Support Customer Support Center: Weltweit rund um die Uhr aktiv...58 FUNKERFASSUNG Monitoring-Systeme R&S AMMOS Laboratory R&S AMLAB Kompaktsystem für die breitbandige Erfassung und technische Analyse...60 Spectrum Monitoring Software R&S ARGUS Neues Identifizierungs modul mit mehr als 120 Dekodierverfahren...66 Peiler Digitale Peiler R&S DDF0xA/E und R&S DDF195 Weltweit erste VHF-UHF- Peil anten nen für beliebig polarisierte Signale...70 Digitale Überwachungspeiler R&S DDF0xA / E Hochauflösendes Peilverfahren identifiziert Gleichkanalsignale...72 Empfänger Tragbarer Empfänger R&S PR100 Mobile Funkerfassung portabel, präzise und schnell...74 Aktive Richtantenne R&S HE300 Pegelmessung, Monitoring und Senderlokalisierung...79 weitere rubriken Kurznachrichten...82 Neues von Rohde&Schwarz 3 Impressum Herausgeber: Rohde&Schwarz GmbH&Co. KG Mühldorfstraße München Support-Center: Tel. (018 05) customersupport@rohde-schwarz.com Fax (089) Redaktion und Layout: Ludwig Drexl, Redaktion Technik (München) Fotos: Rohde&Schwarz Printed in Germany Auflage deutsch, englisch, französisch und chinesisch Erscheinungsweise: ca. viermal pro Jahr ISSN Bezug kostenlos über die Rohde&Schwarz-Vertretungen Nachdruck mit Quellen angabe und gegen Beleg gern gestattet. R&S ist eingetragenes Warenzeichen der Rohde&Schwarz GmbH&Co. KG. Eigennamen sind Warenzeichen der jeweiligen Eigentümer. CDMA2000 ist eingetragenes Warenzeichen der Telecommunications Industry Association (TIA USA). Die Bluetooth -Wortmarke und -Logos sind Eigentum von Bluetooth SIG, Inc., und ihre Verwendung ist für Rohde&Schwarz lizensiert. Heft 194 (2007/III)

4 MOBILFUNK Technologie Von SISO bis MIMO alles nutzen, was die Luftschnittstelle bietet (2) Teil 1 dieses Artikels in Heft 192 beschäftigte sich mit SISO-, SIMOund MISO-Systemen (siehe Kasten unten) und deren Anwendung bei GSM, WCDMA und WiMAX. Darüber hinaus wurden die für Zertifizierungen definierten Tests und ihre Realisierung mit Rohde&Schwarz-Geräten gezeigt. Der zweite Teil behandelt nun MIMO-Systeme: Welche Varianten bei den verschiedenen Standards eingesetzt werden, welche Testszenarios dafür vorgesehen und wie sie realisierbar sind. MIMO (mehrere Sende und Empfangsantennen) Inzwischen haben auch MIMO-Systeme den Weg in die Testspezifikatio nen gefunden und der Zeitpunkt der praktischen Realisierung dieser Mehrantennen systeme rückt näher. Bei MIMO bedienen N Sendeantennen M Empfangsantennen (BILD 2). Allgemein lässt sich der Übertragungskanal in einem MIMO-System mit folgender N r N t - Kanalmatrix H(τ,t) beschreiben: h11, (,) τt h12, ( τ,) t h1, N t (,) τ t h21, (,) τt h22, ( τ,) t h2, N (,) τ t t H( τ,) t hn (,) t h r, 1τ N (,) t h r, 2 τ Nr, N(,) τ t t Die Elemente der Hauptdiagonalen h i,i beschreiben dabei die direkten Übertragungswege zwischen den Antennen, die Übrigen die der Mischprodukte. Damit ergibt sich das Empfangsignal r(t): r(t) = H(τ,t) s(t) + n(t), mit H(τ,t) Kanalmatrix s(t) übertragenes Signal n(t) additives Rauschen Grundsätzlich sind bei MIMO alle im ersten Teil bereits vorgestellten Konzepte beliebig kombinierbar. Je nach Verfahren ist entweder ein höherer Datendurchsatz oder eine robustere Übertragung erreichbar. Sinnvollerweise wird man gute Übertragungsbedingungen dazu nutzen, die Übertragungsrate zu erhöhen und das entsprechende Verfahren wählen. Bei ungünstigen Übertragungsbedingungen wird dies nicht den gewünschten Erfolg bringen. In solchen Fällen ist eine Methode wichtig, welche die Übertragungssicherheit erhöht. Und eine bessere Übertragungssicherheit wirkt sich letztlich auch positiv auf den Datendurchsatz aus, weil weniger Kanalkapazität für die Wiederholung fehlerhafter Blöcke aufgewendet werden muss. Weil sich die Eigenschaften eines Übertragungskanals sehr schnell ändern können, muss die Anpassung des Übertragungsverfahrens entsprechend schnell durchgeführt werden. Das erfordert BILD 1 Diversität im Überblick. Die Begriffe Eingang und Ausgang orientieren sich immer am Übertragungskanal. Für den Downlink (Übertragungskanal von der Basis zur Mobilstation) bedeutet ein Eingang eine Sendeantenne der Basisstation und ein Ausgang eine Empfangsantenne der Mobilstation. Sender mit einer / mehreren Antennen 1 N MISO N 1 SISO 1 1 MIMO N M SIMO 1 M 1 M Empfänger mit einer / mehreren Antennen Von SISO bis MIMO: die Diversitäten im Überblick SISO Single Input Single Output Der Klassiker und einfachste Fall: eine Sende- und eine Empfangsantenne. SIMO Single Input Multiple Output Eine Sende- und mehrere Empfangsantennen. Wird oft auch als Empfangsdiversität (Receive Diversity) bezeichnet. In Bezug auf den Downlink bedeutet das eine Sendeantenne der Basisstation und mehrere Empfangsantennen am Mobilfunkgerät. MISO Multiple Input Single Output Mehrere Sende- und eine Empfangsantenne. Auch als Sendediversität (Transmit Diversity) bezeichnet. In Bezug auf den Downlink bedeutet das mehrere Sendeantennen an der Basisstation und eine Empfangsantenne am Mobilfunkgerät. MIMO Multiple Input Multiple Output Der Vollausbau: N Sendeantennen bedienen M Empfangsantennen. Neues von Rohde&Schwarz 4 Heft 194 (2007/III)

5 eine ebenso schnelle Rückmeldung der Kanaleigenschaften vom Empfänger an den Sender, definiert also die zeitlichen Anforderungen an die Rückmeldung. Sendediversität (Diversity Mode) mit Space Time Block Coding Der gleiche Datenstrom wird von verschiedenen Antennen mit unterschiedlicher Kodierung übertragen (STTD Space Time Transmit Diversity oder Space Time Block Coding nach Alamouti). Der Empfänger erhält also durch Mehrwegeausbreitung mehrere Kopien des Signals. Das führt zu einer Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses (S/N Ratio) und damit zu einer stabileren Verbindung. Die Zunahme ist umso größer, je weniger korreliert die Fading-Kanäle sind. Der Gewinn durch Sendediversität lässt sich mit zunehmender Anzahl von Antennen aber nicht beliebig steigern, sondern zeigt Sättigungsverhalten. Spacial Division Multiplexing Bei diesem Verfahren übertragen die Sendeantennen gleichzeitig mehrere unterschiedliche Datenströme an einen Empfänger, der also auf jeder seiner Antennen parallele Datenströme erhält, die er jetzt nur noch trennen muss. Dies gelingt nur unter der Voraussetzung, dass zwischen den Antennen Kanäle mit unterschiedlichem Fading vorliegen (je geringer die Korrelation, desto besser). Dieses Verfahren zur Vergrößerung des Datendurchsatzes ist nur sinnvoll bei guten Übertragungsbedingungen. Auch hier wird der mögliche Gewinn durch die Korrelation der Übertragungswege begrenzt. Beamforming Diese Methode überträgt Signale nicht omnidirektional, vielmehr bündeln Antennen-Arrays einen Strahl (Beam) individuell für jede Mobilstation. Die Basisstation folgt also durch Ausrichten ihres Antennen-Arrays mit ihrer Sendekeule der Bewegung der Mobilstation. Neues von Rohde&Schwarz Dies setzt allerdings voraus, dass für eine Mobilstation ein in Frequenz und / oder Zeit zuordenbares Signal vorliegt. Mit anderen Worten: Jede Mobilstation braucht ihre eigene Keule. Bei GSM z.b. ist jeder Mobilstation eine Frequenz (ARFCN, Absolute Radio Frequency Channel Number) bei einer gewissen Anzahl von Zeitschlitzen zugeordnet und damit das Beamforming möglich. Anders ist es bei WCDMA, wo Matrix B d 1 d 2 Time Space BILD 3 Testaufbau für WCDMA-MIMO im Downlink unter Mehrwegeausbreitungsbedingungen mit Sende- und Empfangsdiversität. 5 Heft 194 (2007/III) TX Ant. 1 LO TX Ant. 2 TX 1 TX 2 Basis- stations- Emulator RX h 11 h 12 h 21 h 22 Ior Splitter Splitter eine Mobilstation nur durch ihren Code innerhalb eines Frequenz und Zeitbereichs, den sie sich mit anderen Mobilstationen teilt, zuordenbar ist. Hier ist es also nicht möglich, dass die Basisstation mit ihrer Sendekeule verschiedenen bewegten Mobilstationen folgt. Voraussetzung dafür, dass eine Basisstation ihr Antennen-Array auf eine Mobilstation ausrichten kann, ist die Kenntnis der Eigenschaften des Übertragungskanals am Sender. RX Ant. 2 n 2 Fading Fading Fading Fading RX Ant. 1 n 1 Îor BILD 2 MIMO 2 2 mit zwei Sendeund zwei Empfangsantennen. r 1 r 2 AWGN AWGN Zum Beispiel Zero Forcing, MMSE (Minimum Mean Squared Error), MLD (Maximum Likelihood Detector) Ioc MIMO RX d e 1 d e 2 RX- Antenne Testobjekt TX- / RX- Antenne

6 MOBILFUNK Technologie Aktuell definierte Testszenarios so wird getestet GSM Nach den Testszenarios für ein SIDO- System (DARP Phase 2) sind bei GSM aktuell keine weiteren Schritte in Richtung MIMO geplant. WCDMA Mit den Diversity-Performance-Tests 9.2.2C, 9.2.3C und 9.4.2A aus Release 7 führt WCDMA das MIMO im Downlink ein (BILD 3). Diese Tests sind auch Bestandteil von Work Item 26 des GCF (Global Certification Forum). Die Sendediversität wird hier eingesetzt, um den Empfang einer gegebenen Verbindung im Downlink zu verbessern. Sendediversität hat aus Sicht des Netzbetreibers den Vorteil, dass keine Änderungen in den Übertragungsschemata der Basisstation erforderlich sind. Im Unterschied zu den Tests für DARP Phase 2 bei GSM sind die Fading-Kanäle nicht korreliert. Abgesehen von einem AWGN Signal sind hier bisher keine Störer vorgesehen. BILD 4 zeigt die Realisierung von Tests nach WCDMA WI 26 mit dem R&S TS8950W. Mit LTE (Long Term Evolution), welches mit Release 8 der 3GPP-Spezifikationen definiert wird, schreitet WCDMA weiter voran. Die Spezifikationen von LTE sollen im März 2008 und die zugehörigen Tests im Dezember 2008 fertiggestellt sein. Da LTE wie WiMAX (IEEE e) auf OFDMA basiert, werden hier vermutlich ähnliche Testszenarios Anwendung finden, wie die im Folgenden über WiMAX Wave 2 gezeigten. WiMAX (IEEE e) Die in Wave 1 definierten Tests basieren alle auf SISO (eine Sende und eine Empfangsantenne). Mit dem Systemprofil von Wave 2 soll MIMO 2 2 mit zwei Sende und zwei Empfangsantennen einschließlich Beamforming zum Einsatz kommen. Eine Erweiterung auf MIMO 4 4 ist bereits im Standard IEEE e enthalten, während über MIMO 8 8 im Moment im WiMAX Forum diskutiert wird. Dies ändert aber nichts am Prinzip und soll hier nicht weiter behandelt werden. Die Testszenarios für Beamforming gehen von bis zu vier Sendeantennen pro Transmitter der Basisstation aus. Bei WiMAX unterscheidet man die MIMO-Modi Matrix A und Matrix B. Matrix A bezeichnet ein Sendediversitätsverfahren im Downlink mit Space Time Coding nach Alamouti, das die Stabilität der Verbindung bei ungünstigen Bedingungen erhöht. Matrix B ist ein räumliches Mehrfachzugriffsverfahren, das sowohl Einzel- als auch Mehrfach-Code-Wort-Übertragung beinhaltet (auch als vertikale oder horizontale Codierung bezeichnet) und bei guten Übertragungsbedingungen die Datenrate steigert. In Abhängigkeit von den Eigenschaften des Übertragungskanals wird zwischen Matrix A und B BILD 4 Ein Protokolltester R&S CRTU-G / -W und zwei Generatoren R&S SMU200A, die auch als Fader verwendet werden, erzeugen die beiden DL-Signale. Zum Summieren von zwei DL-HF Signalen und für einen zweiten Messobjekt-Anschluss ist eine Erweiterung in der SSCU (Signal Switching and Conditioning Unit im Testsystem R&S TS8950W) notwendig. R&S CRTU-W I/Q Mod RF in RF out UL DL (nicht verwendet) SIG 1 SIG 3 Kombinieren der HF in der SSCU des Testsystems R&S TS8950W: DL 1 SIG 2 C C SIG 4 DL 2 I/Q out I/Q in I/Q out I/Q in Für DL 2 ist eine Erweiterung der SSCU notwendig Basisband- Signale R&S SMU200A BB Fading CH 1 AWGN I/Q RF HF SIG 1 R&S SMU200A Fading BB CH 1 AWGN I/Q RF HF SIG 3 I/Q I/Q BB Fading CH 2 AWGN I/Q RF HF SIG 2 BB Fading CH 2 AWGN I/Q RF HF SIG 4 BB: Basisband-Einheit C: Combiner Neues von Rohde&Schwarz 6 Heft 194 (2007/III)

7 gewechselt. Dabei bestimmt die Basisstation, welcher Modus wie lange verwendet wird. Dies erfordert die Kenntnis des Sender-Kanals, wofür bei der Signalisierung eine Rückmeldung der Empfangsqualität von der Mobil zur Basisstation vorgesehen ist. Die vorgesehenen Zulassungstests verifizieren sowohl den Gewinn an Performance durch MIMO, z.b. die Empfindlichkeit bei verschiedenen Modulationen, als auch die korrekte Implementierung von Matrix A und B sowie den Wechsel zwischen diesen beiden Verfahren. Fazit Seit dem ersten Teil dieses Artikels ist mehr als ein halbes Jahr vergangen. In diesem Zeitraum wurden viele Tests definiert, manche auch wieder verworfen, aber es geht mit unverminderter Dynamik vorwärts. Viele Ideen warten darauf realisiert zu werden. Eines ist sicher: Parallel dazu entwickelt Rohde&Schwarz die Messgeräte und Zulassungstestsysteme ständig weiter und stellt die unverzichtbaren Testmöglichkeiten unmittelbar zur Verfügung Zukunftssicherheit ist also eingebaut. Josef Kiermaier Beamforming Beamforming-Tests für Basisstationen basieren auf dem Ansatz, dass alle Antennenausgänge eines Transmitters im Testsystem mit unterschiedlichen elektrischen Längen kombiniert werden. Die Basisstation muss diese unterschiedlichen Laufzeiten ausgleichen, so dass alle Signale mit gleicher Phase am Mobilstations Emulator (MSE) ankommen und sich dort addieren. Im Idealfall empfängt dann der MSE entsprechend der Anzahl der Antennen ein Vielfaches der Leistung. Der Nachweis der Beamforming-Funktionalität geschieht über die Ermittlung des Gewinns an Empfindlichkeit. BILD 5 Aufbau mit 2 2-Kanalmodell und korreliertem Fading zum Testen einer Basisstation mit dem Testsystem R&S TS8970. Testsystem R&S TS8970 AWGN MBS Basisstation (DUT) MAC BB ABS: Antenna Base Station AMS: Antenna Mobile Station BB: Basisband-Einheit MAC: Medium Access Control MBS: Multicast Broadcast Service MMS: Multi Message Service HF HF ABS HF vom DUT DL / UL Splitter HF-Schalteinheit DL / UL Splitter HF vom DUT 2 2 MIMO Kanal- Emulation AWGN HF-Signalanalyse HF zum DUT HF-Signalanalyse AMS HF HF BB Emulation der Mobilstation MAC MMS MIMO-2 2-Tests für WiMAX Die MIMO-Tests Wave 2 verlangen ein 2 2-Kanalmodell mit korreliertem Fading (BILD 5). Ein R&S AMU200A mit zwei externen I/Q Eingängen und der Option -K74 Fading Split Mode kann zusammen mit zwei HF-Endstufen eine vollständige 2 2-MIMO-Kanalsimulation durchführen (BILD 6). Dabei ist die komplexe Korrelationsmatrix beliebig programmierbar. Das WiMAX Forum hat drei verschiedene Matrizen definiert (geringe, mittlere und starke Korrelation). BILD 6 Ein Generator R&S AMU200A und zwei HF-Endstufen simulieren einen 2 2-MIMO-Kanal (alternativ können die beiden Generatoren R&S SMU200A auch durch einen Generator R&S SMATE ersetzt werden). TX 1 TX 2 R&S AMU200A I/Q I/Q Fading CH 1a Fading CH 1a Fading CH 1a Fading CH 1a + + I/Q I/Q R&S SMU200A Generator 1 6 GHz oder R&S SMU200A Generator 2 6 GHz Kanalmodell Korrelation über Kreuz TX 1, CH 2a + TX 2, CH 2b R&S SMATE I/Q AWGN HF I/Q AWGN HF TX 1, CH 2a + TX 2, CH 2b Neues von Rohde&Schwarz 7 Heft 194 (2007/III)

8 MOBILFUNK Protokolltester Protokolltester R&S CRTU 2G- und 3G-Interoperabilitätstests Vom realen Netz ins Labor Interoperabilitätstests (IOT) erlangen neben Conformance-Tests eine immer größere Bedeutung. Anwender eines R&S CRTU sind hier im Vorteil: Sie können diese Tests aus dem realen Netzwerk in das Labor übertragen und sie insgesamt rascher und kostengünstiger durchführen. Das neue Tool R&S ITS Replay im Zusammenspiel mit der Mess-Software R&S ROMES macht es möglich. Für Netzbetreiber, Plattformbzw. Chiphersteller Fehlerfreier Betrieb im realen Netz, das ist es, was für Anwender von Mobiltelefonen und somit auch für Netzbetreiber und Plattform- bzw. Chiphersteller in erster Linie wichtig ist. Umfangreiche Tests müssen das einwandfreie Funktionieren sicherstellen. Da die Abläufe in einem realen Netz oftmals komplexer sind als die Simulation während der Entwicklung im Labor, sind Inter operabilitätstests für die Entwicklung und vor der Markteinführung von Mobiltelefonen von größter Bedeutung. IOT werden entweder in den sog. IOT Labs der Netz-Infrastrukturhersteller oder aber im realen Netz mit den dort vorherrschenden Bedingungen durchgeführt. Diese Tests haben jedoch den Nachteil, dass sie durch das erforderliche Mieten von Testnetzen sehr teuer sind und auftretende Fehler wegen der sich laufend ändernden Randbedingungen in diesen Netzen (Zellenleistung, Timing, Auslastung ) nicht mehr reproduzierbar sind. Deshalb hat Rohde&Schwarz für die Software-Sammlung Interoperability Tool Suite ITS [1] das Tool R&S ITS Replay entwickelt, das es erlaubt, auf dem Protokolltester R&S CRTU die einmalig in einem realen Netz oder einem IOT Lab angetroffenen Bedingungen und Szenarios im Labor nachzustellen. Vom Feldtest zur Simulation im Labor Doch bevor realitätsnahe Tests im Labor stattfinden können, müssen zuerst Messfahrten in realen Mobilfunknetzen durchgeführt werden. Komfortabel lässt sich das mit den Funknetzanalysatoren BILD 1 Ausschnitt eines Export-Reports mit Ersetzen der PLMN-Id (Public Land Mobile Network) und der Bestimmung des NMO (Network Mode of Operation). Weitere Informationen und Datenblatt unter (Suchbegriff Typenbezeichnung) LITERATUR [1] Protokolltester R&S CRTU: 2G- und 3G- Signalisierungsszenarios anwenderfreundlich definieren. Neues von Rohde&Schwarz (2007) Nr. 193, S [2] Funknetzanalysatoren R&S TSMx: Funknetzanalysatoren für alle Aufgaben und jedes Budget. Neues von Rohde&Schwarz (2007) Nr. 192, S [3] Mess-Software R&S ROMES3: Daten aus Versorgungsmessungen erfassen, analysieren und visualisieren. Neues von Rohde&Schwarz (2000) Nr. 166, S Neues von Rohde&Schwarz 8 Heft 194 (2007/III)

9 R&S TSMx [2] und der Mess-Software R&S ROMES [3] von Rohde&Schwarz erledigen. R&S ROMES zeichnet die während einer Messfahrt vom Analysator oder vom Testtelefon erzeugten Daten auf und legt sie in einem proprietären Format (*.rscmd) auf der Festplatte ab (siehe Kasten Seite 11). Über die Exportfunktion der Software werden die Daten exportiert, analysiert und zu einem Feldtestszenario zusammengesetzt (f2l-datei), das dann mit der Software-Option R&S ITS Replay zum R&S CRTU abgespielt wird. Die Software generiert einen Report, der alle notwendigen Änderungen des Szenarios während des Exportprozesses detailliert protokolliert (BILD 1). Sollten die Messdaten für eine Simulation nicht ausreichen, wird automatisch die Ursache ermittelt, warum das Szenario nicht nachspielfähig ist. Sind alle Voraussetzungen gegeben, übernimmt R&S ITS Replay das Feldtestszenario und spielt es ab. Bei Bedarf lassen sich mit der grafischen Bedienoberfläche auch Änderungen an Schicht-3- Nachrichten durchführen, z.b. Überspringen, Kopieren, Einfügen oder Löschen. Zum Editieren einzelner Nachrichten steht der bewährte Message Composer von Rohde&Schwarz zur Verfügung, die Ergebnisanalyse führt man wie gewohnt mit dem Message Analyzer durch (BILD 2). Die Feldtests im Labor Die Mess-Software R&S ROMES erlaubt die Erstanalyse der aufgezeichneten Szenarios. Mit ihr wird der Feldtest virtuell im Labor am PC nachgespielt und die für den Anwender interessanten Signalisierungssequenzen lassen sich auswählen und exportieren. Die beim Export des aufgezeichneten Feldtests ausgeführten Verfahren analysieren die vorhandenen Messdaten und bereiten sie für R&S ITS Replay auf. Dazu gehören: Neues von Rohde&Schwarz Reales Mobilfunknetz BILD 2 Vom realen Mobilfunknetz ins Labor: Der Arbeitszyklus mit den Werkzeugen R&S ROMES und R&S ITS Replay. 9 Heft 194 (2007/III) Testmobiltelefon Labortest Ermittlung aller notwendigen Zellen und der zugehörigen Zellenparameter (z.b. das Zellen-Timing bei UMTS). Zellen werden je nach Bedarf aufund auch wieder abgebaut. Somit können beliebig viele Zellen eines Szenarios auf dem Simulator abgespielt werden. Ermittlung der notwendigen Regi strierung. Sollte in der nachzuspielenden Sequenz keine enthalten sein, so wird dem eigentlichen Szenario eine Standardregistrierung vorangestellt. Export aller notwendigen Schicht-3- Nachrichten. Export aller für das Nachspielen der Zellenleistung notwendigen Zelleninformationen. Übernahme realer Zeitabläufe. Nachspielen von Sicherheitsalgorithmen. Da die im Netz genutzten Testmobiltelefon Protokolltester CRTU Funknetzanalysator TSMx Mess-Software R&S ROMES R&S ROMES-Export R&S ITS Replay R&S CRTU R&S ITS Replay R&S CRTU Message Analyzer Algorithmen proprietär sind, verwendet R&S ITS Replay eine standardisierte Test-USIM (Universal Subscriber Identity Module) und die auf der Testspezifikation TS basierenden Algorithmen. Diese und viele weitere Verfahren sorgen dafür, dass nach dem Export ein auf dem R&S CRTU ablauffähiges Feldtestszenario ohne manuelle Interaktion des Anwenders entsteht. So kann dieser im Labor den Startknopf der Applikation R&S ITS Replay drücken und die Simulation beginnt. Das Ergebnis wird zusammen mit dem nachgespielten Szenario gespeichert und in einer Resultatsübersicht verwaltet. Im Gegensatz zu Tests in realen Netzen sind diese reproduzierbar.

10 MOBILFUNK Protokolltester BILD 3 R&S ITS Replay: Die grafische Bedienoberfläche stellt alle notwendigen Funktionen zur Verfügung für das flexible Abspielen von Feldtestszenarios im Labor. Zwei Modi für unter schiedliche Anforderungen Um den unterschiedlichen Anforderungen Rechnung zu tragen, gibt es zwei verschiedene Möglichkeiten, ein R&S ITS-Replay-Szenario abzuspielen (BILD 3). Im Strict Mode erwartet der Simulator jede einzelne in R&S ITS Replay vorhandene Nachricht exakt so, wie sie bei der Aufnahme im realen Netz empfangen wurde. Sollte eine Nachricht fehlen oder eine nicht erwartete Nachricht empfangen werden, wird das Szenario sofort terminiert. Damit können Netzwerkszenarios ablaufgenau im Labor wiedergegeben werden. Der Tolerant Mode dagegen erlaubt Flexibilität im Ablauf sowie in der Reihenfolge des Eintreffens von Nachrichten. Das ist dann von Vorteil, wenn sich verschiedene Mobiltelefone geringfügig anders verhalten und die R&S ITS- Replay-Szenarios für Regressionstests unterschiedlicher Mobiltelefontypen verwendet werden. In beiden Modi ist zusätzlich das Constraint Matching aktivierbar, das auf Basis einzelner Nachrichten das bitgenaue Abgleichen kompletter Uplink- Nachrichten erlaubt. Ein weiterer wichtiger Punkt für die Reproduktion einer Feldsituation im Labor ist das Nachspielen der Zellenleistungen auf dem R&S CRTU. In vielen Fällen dürfte es zwar ausreichen, nur den Signalisierungsablauf nachzuspielen, um ein Fehlverhalten des Mobiltelefons zu erkennen. Für den Fall, dass die Sendeleistung der Zellen entscheidenden Einfluss haben, bietet R&S ITS Replay zusätzlich die Möglichkeit, die Leistungen der wichtigsten Zellen alle 100 ms, entsprechend der aufgenommenen Zellenleistung, anzupassen. In diesem besonderen Fall sollte sich das Mobiltelefon allerdings in einer Schirmkammer befinden, da sonst die störenden Einflüsse im Labor das Ergebnis verfälschen würden. Selbstverständlich unterstützt R&S ITS Replay neben dem interaktiven Betrieb auch automatische Tests. Dabei übernimmt der R&S CRTU die notwendige Bedienung des Mobiltelefons per Software-Fernsteuerung. 10

11 Präzise und vollständige Messungen mit dem R&S TSMx Die Empfangsteile von Mobiltelefonen sind im allgemeinen aus Kosten- und Anwendungsgründen einfacher aufgebaut. Deshalb messen sie die umliegende Zellenlandschaft während eines Feldtests weder kalibriert noch können sie die Vielzahl der umgebenden Zellen ausreichend genau analysieren. Da ist ein Funknetzanalysator R&S TSMx im Vorteil: Er kann diese Messungen schneller, umfassender und genauer durchführen. Er misst unabhängig vom Testmobiltelefon die Systeminformationen und Leistungen aller zu empfangenden Zellen. Dadurch gehen im Normalfall keine Informationen verloren und das Nachspielen im Labor entspricht noch genauer den Gegebenheiten im Feld. Zudem können auf diese Weise auch Nachbarzellen anderer Systeme, z.b. GSM, dargestellt werden, selbst wenn das Messobjekt selbst sie nicht gemessen hat. Nichts Vergleich bares auf dem Markt Bisher gibt es auf dem Markt für Mobilfunk-Protokolltester keine vergleichbare Lösung für das Reproduzieren von Feldtests, die hohe Genauigkeit, Flexibilität und einfachste Bedienung in sich vereint. Mit dem hier vorgestellten Software-Paket R&S ITS Replay muss man nur einmal die realen Netzdaten aufnehmen und kann dann die Szenarios exakt reproduzierbar im Labor nachspielen hohe Kosten für das Mieten von Testnetzen entfallen. Und baut man sich kontinuierlich eine umfangreiche Test suite auf, so verkürzt sich die Zeit vor einer Software-Freigabe erheblich, da das reale Netzverhalten systematisch vorab im Labor getestet werden kann. Der hier beispielhaft beschriebene Ablauf für die Reproduktion von Feldtests mit dem Protokolltester R&S CRTU und dessen Vorteile gelten ohne Einschränkungen auch für die Reproduktion von IOT-Lab-Tests. Rolf Huber Drei Wege zum Konvertieren von Messdaten in das Rohde&Schwarz-Format rscmd 1. Für viele gängige Mobilfunkgeräte-Plattformen bietet Rohde&Schwarz Treiber an, welche die im Telefon gespeicherten Protokolle der Signalisierung in die Mess-Software R&S ROMES übernehmen. 2. Das R&S ROMES Mobile DDK (Driver Development Kit) erlaubt das Entwickeln kundenspezifischer R&S ROMES-Treiber für GSM und WCDMA. 3. Zusätzlich bietet Rohde&Schwarz eine Programmierschnittstelle (C++ API) zu R&S ITS Replay an, mit der sich in kürzester Zeit Protokollierungsdateien der Mobiltelefone in das R&S ROMES- Format konvertieren lassen. 1. R&S ROMES-Treiber R&S ROMES- Treiber 2. R&S ROMES Mobile DDK Virtual COM Port UE Logging Format 3. ITS Replay C ++ API rscmd- Datei Translator R&S ROMES Mobile DDK Virtual COM Port 2 (Modem) / AT Commands + Data R&S ROMES Generic Mobile Driver Mobiltelefon Mobiltelefon rscmd- Format rscmd- Datei ROMES Core BILD 4 Drei verschiedene Möglichkeiten gibt es, Log- Daten in das Rohde&Schwarz-rscmd-Format zu konvertieren. Anwenderspez. Format Anwenderspez. Dateiformat Translator ITS Replay C ++ API rscmd- Format rscmd- Datei 11

12 MOBILFUNK Signalgeneratoren Generatoren R&S SMU / R&S AMU200A / R&S AFQ Standardkonforme DVB-H-Signale für alle Tests an Mobilgeräten Die Signalgeneratoren der Familie R&S SMU * sowie der R&S AMU200A und der R&S AFQ von Rohde&Schwarz erzeugen alle erforderlichen Signale für den Test von Mobilfunk geräten neuester Generation mit DVB-H-Funktionalität. * Das sind die Generatoren R&S SMU200A, R&S SMJ100A und R&S SMATE. Kombiniert: Mobilfunk und mobiles Fernsehen Spätestens seit dem Testbetrieb während der Fußballweltmeisterschaft 2006 ist der neue Fernsehstandard für mobile Endgeräte DVB-H (Digital Video Broadcasting Handhelds) in das Bewusstsein einer breiteren Öffentlichkeit gedrungen. Auch wurden bereits zahlreiche DVB-Hfähige Mobiltelefone vorgestellt. Diese Zusammenführung von Mobilfunk und mobilem Fernsehen erfordert zusätzlichen Testbedarf bei Produzenten, die Funk tionstests an DVB-H- und Mobilfunk-Komponenten durchführen müssen. Die dafür benötigten standardkonformen DVB-H-Testsignale (entsprechend ETSI EN302304) lassen sich jetzt mit den neuen Optionen zur Generatorenfamilie R&S SMU erzeugen, z.b. mit der Option BILD 1 Bedienoberfläche des R&S SMU200A in der Ausführung mit zwei Pfaden. Der obere Pfad generiert ein 3GPP-Signal, der untere ein DVB-H-Signal. In beiden Pfaden befinden sich Fading- Simulatoren. R&S SMJ-K52 für den Vektorsignalgenerator R&S SMJ100A, R&S AMU-K52 für den Basisbandsignalgenerator R&S AMU200A R&S AFQ-K252 für den Arbitrary Waveform Generator R&S AFQ100A via WinIQSIM2. Testsignale für alle DVB-H-Szenarios Diese Generatoren sind in der Lage, Signale aller gängigen Mobilfunkstandards (wie 3GPP oder WiMAX) zu erzeugen. Zusammen mit ihren neuen DVB-H-Funktionen sind sie die ideale Testplattform für DVB-H-fähige Mobilfunkgeräte. Denn für Tests, die kombinierte Szenarios aus Mobilfunk und DVB-H verlangen, ist nur noch ein Signalgenerator erforderlich, um beide Signaltypen entweder sequenziell oder gleichzeitig zu erzeugen. Dank der umfangreichen Fernsteuerbarkeit der Generatoren von Rohde&Schwarz bietet sich deren Einsatz für automatisierte Tests in der Fertigung an. Da DVB-H-Empfänger auch bei höheren Geschwindigkeiten z.b. im Auto mitgeführt werden, bei denen Dopplereffekte und Reflexionen besonders zu berücksichtigen sind, kann es sinnvoll sein, mit dem optional erhältlichen Fading-Simulator R&S SMU-B14 verzerrte Kanäle zu simulieren. Damit lassen sich die Auswirkungen von DVB-H-Einstellungen auf das Empfangsverhalten von Endgeräten bei höheren Geschwindigkeiten untersuchen. 12

13 Seine volle Leistungsfähigkeit bei der Simulation der Koexistenz von Mobilund Rundfunkstandards entfaltet der R&S SMU200A in der Ausbaustufe mit zwei Pfaden (Option R&S SMU-B202 / -B203). Damit stehen zwei vollständige Vektor-Signalgeneratoren in einem Gerät zur Verfügung, von denen jeder einzelne die oben genannten Funktionen und Fähigkeiten aufweist. Ein so konfigurierter Generator kann mit einem Pfad ein DVB-H- und mit dem anderen ein Mobilfunksignal erzeugen, die jeweils an einer separaten HF-Buchse anliegen. Mit diesen beiden Signalen können DVB-H-fähige Mobiltelefone gleichzeitig hinsichtlich des Empfangs von Mobilfunk und Rundfunk getestet werden (BILD 1). Für die Simulation von DVB-H auf mehreren Kanälen erzeugt man mit beiden Pfaden ein DVB-H-Signal und realisiert z.b. Testszenarios mit beliebig beschaffenen Nachbarkanälen. Wenn für bestimmte Aufgaben die Speichertiefe des R&S SMU200A also die Dauer des Testsignals von etwa 28 s mit der Speicheroption R&S SMU-B9 DVB-H, die neueste Erweiterung der DVB-Standards (neben DVB-T, DVB-C, DVB-S) ist eine Vergrößerung des Funktions umfangs von DVB-T, die aufgrund neuer Anforderungen nötig wurde. Denn im Vergleich zum Fernsehgerät im Wohnzimmer muss ein TV-fähiges Mobiltelefon mit einem viel kleineren Display und einer durch den Akku beschränkten Leistung auskommen. Auch Aussehen und Ergonomie von DVB-H-fähigen Handys dürfen nicht leiden, inakzeptabel wäre beispielsweise eine lange Stabantenne für den Empfang, ein Umstand, der bei der Sendeleistung zu berücksichtigen ist. Da diese Geräte auch im Zug oder im Auto einwandfreien Fernsehempfang bieten sollen, muss die Übertragungstechnik für hohe Geschwindigkeiten ausgelegt sein. All diesen Anforderungen genügt DVB-H. DVB-H- Services DVB-T- Services Datenrate Der Standard DVB basiert grundsätzlich auf dem in allen neueren Funkstandards anzutreffenden OFDM- Verfahren (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), bei dem das Sendesignal nicht auf einen einzelnen Träger, sondern auf viele moduliert wird. Dadurch ist das System weniger anfällig für Kanalverzerrungen und Störungen. Zudem ermöglicht diese Technik den Aufbau von Rundfunk-Gleichwellennetzen (Single Frequency Networks, SFN), bei denen benachbarte Sender auf der gleichen Frequenz übertragen und zeitlich synchronisiert werden. Dadurch sind größere Zellen mit höheren Sendeleistungen möglich, da die Zellen nicht aufeinander Rücksicht nehmen müssen. Außerdem kann die konstruktive Überlagerung zweier Sender an Zellgrenzen die Empfangsleistung steigern. Es besteht ein Zusammenhang zwischen der Anzahl der für eine Übertragung verwendeten OFDM-Träger, der maximal möglichen Geschwindigkeit des Endgeräts und der Zellengröße eines SFN. Je mehr OFDM-Träger, desto kleiner ist die maximale Geschwindigkeit; andererseits vergrößern mehr OFDM-Träger die Reichweite einer Zelle. DVB-T sieht zwei Transmission Modes (d.h. unterschiedliche Anzahl von Trägern) vor: 2K (1705 Träger) und 8K (6817 Träger). Um für das Design eines Netzes einen Kompromiss zwischen der DVB-H im Vergleich zu DVB-T BILD 2 Schematische Darstellung eines DVB-Multiplex- Signals, bestehend aus zwei DVB-T-Anteilen und acht DVB-H- Komponenten im Zeitmultiplex. maximalen Geschwindigkeit und der Zellengröße anzubieten, ergänzt DVB-H einen 4K-Modus mit 3409 Trägern. Zur Verringerung der Störanfälligkeit bei hohen Geschwindigkeiten ist die Möglichkeit vorgesehen, Daten über mehrere OFDM-Symbole zu kodieren (ein Symbol stellt die Daten aller Träger eines Zeitschritts dar). DVB-H-Programm x enthält Informationen über den zeitlichen Abstand zum nächsten Zeitschlitz dieses Programms. DVB-T-Programm 2 DVB-T-Programm 1 Service Informationen Zeit Auch hinsichtlich des Stromverbrauchs gibt es Unterschiede. Bei DVB-T werden die verschiedenen Services eines Kanals kontinuierlich mit fester Datenrate gesendet, das Empfangsteil muss also dauerhaft aktiv sein. Bei DVB-H dagegen wird für eine möglichst lange Akkulaufzeit das sog. Time Slicing angewendet: Ein DVB-H-Datenstrom enthält einen bestimmten Service nur in einem periodisch wiederkehrenden Zeitschlitz, in dem dieser mit punktuell hoher Datenrate gesendet wird (BILD 2). Weiterhin beinhaltet dieser Informationen, wann der nächste Zeitschlitz zu empfangen ist. Die Daten eines Zeitschlitzes werden gepuffert und dem Videodecoder mit der wirklichen Datenrate übergeben. Während dieser Zeit zwischen zwei Zeitschlitzen schaltet sich das Empfangsteil ab, was theoretisch zu einer Leistungsersparnis bis 90 % führen soll. Die Information darüber, wann der nächste Zeitschlitz zu erwarten ist, wird nicht im sogenannten Physical Layer, sondern im Data Link Layer übermittelt. Hier zeigt sich ein Hauptunterschied zu DVB-T. Während die terrestrische Variante des Standards Videostreams direkt überträgt, werden die Inhalte bei DVB-H grundsätzlich in IP-Paketen versendet. Das Verpacken geschieht per Multiprotocol Encapsulation (MPE), anschließend werden die Inhalte mit einem Fehlerschutz (Forward Error Correction) versehen (MPE-FEC). Die Time-Slicing-Funktionalität ist darin realisiert. Der so entstandene Transportstrom aus MPE-FEC-Frames lässt sich direkt in einen DVB-T-Multiplex einhängen. Auf diese Weise können DVB-H und DVB-T direkt nebeneinander existieren. 13

14 MOBILFUNK Signalgeneratoren nicht ausreicht, bietet sich die Verwendung des neuen Tools WinIQSIM2 für die Signalgenerierung an. Die mit diesem Windows -Programm generierten DVB-H-Signale können mit dem Arbitrary Waveform Generator R&S AFQ100A als Basisbandsignal abgespielt und dann vom R&S SMU200A in die Hochfrequenzlage gebracht werden. Auf diese Weise sind Sendesequenzen bis anderthalb Minuten Dauer möglich. Für Testaufgaben, bei denen beliebig lange Sequenzen notwendig sind, bietet Rohde&Schwarz das Broadcast Test System R&S SFU [*] an, mit dem die DVB-H-Signale in Echtzeit erzeugt werden. Menüs wie gewohnt: übersichtlich und komfortabel Die Menüs für die Einstellungen der DVB-H-Option fügen sich nahtlos in die Bedienoberfläche der Rohde&Schwarz- Signalgeneratoren ein. Im Hauptmenü (BILD 3) wird die Anzahl der zu generierenden DVB-H-Superframes also die Dauer der Sendesequenz festgelegt. Das Menü informiert über die wichtigsten Signalparameter wie Sample-Rate, Datenrate und zeitliche Dauer eines Wiederholzyklus. Das Menü System Configuration zeigt den DVB-H-Signalpfad mit den entsprechenden Komponenten (BILD 4). Alle Systemparameter sind einstellbar, und zwar genau an den Stellen im Signalfluss, wo sie auch tatsächlich eine Auswirkung haben. Diese Darstellung bietet auch weniger informierten Anwendern einen schnellen Zugang zu den Einstellungsmöglichkeiten, z.b. zu den Datenquellen, bei denen zwei Varianten vorgesehen sind: Das Einspeisen eines standardkonformen DVB-H-Transportstroms (als ts- oder tps-datei oder im Rohde&Schwarz-Format gts) erlaubt die Wiedergabe eines darin enthaltenen Videos auf dem Endgerät. Mit dem Software-Tool Advanced Stream Combiner R&S DV-ASC ist es möglich, aus IP-Strömen im ip4- oder ip6- Format mit eigenen Inhalten entsprechende Transportströme zu erzeugen. Standardkonforme, mit PRBS-Daten gefüllte Null-Pakete erlauben die inhaltsunabhängige Untersuchung des Sendesignals. Für Anwender, die genau wissen möchten, welche Einstellungen der Systemparameter welche Änderungen in den TPS- Bits zur Folge haben, bietet ein Klick auf TPS Settings im Hauptmenü den Blick auf die Transmission-Parameter-Signalling-Bits (TPS). Fazit Die Signalgeneratoren der Familie R&S SMU sowie der R&S AMU200A sind bereit für die neuen Herausforderungen, die sich aus der Kombination von Mobilfunk und DVB-H ergeben, und bieten dafür komfortable Testmöglichkeiten in einem Gerät. Volker Ohlen Weitere Informationen und Datenblatt unter (Suchbegriff SMU-K52) LITERATUR [*] Broadcast Test System R&S SFU: Universelle Messplattform für das digitale Fernsehen. Neues von Rohde&Schwarz (2004) Nr. 183, S BILD 3 Hauptmenü der DVB-H-Option. BILD 4 Menü zur übersichtlichen Einstellung aller Parameter im Systemdiagramm. 14

15 WPAN / WLAN / WMAN / WWAN Typprüfsysteme WiMAX Radio Conformance Test System R&S TS8970 Auf dem neuesten Stand: Alle WiMAX-HF-Zertifizierungstests Das WiMAX Radio Conformance Test System R&S TS8970 [1] zertifiziert WiMAX-Endprodukte auf der Grundlage validierter Testfälle. Und es hält Schritt mit der rasanten Entwicklung, BILD 1 HF-Profile für mobiles WiMAX. die vom WiMAX Forum vorangetrieben wird. Das Zertifizierungsprogramm aus dem WiMAX Forum WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) ist das Synonym für die Implementierung des Standards IEEE , der den mobilen, drahtlosen Breitbandzugang zu Datennetzen erschließt (z.b. zu IP- oder ATM-Netzen). Das WiMAX Forum hat sich die Umsetzung des Standards IEEE in reale Anwendungen zur Aufgabe gemacht. Einen wesentlichen Bestandteil nimmt dabei das Zertifizierungsprogramm für WiMAX-Produkte (Basis- und Mobilstationen) ein. Das garantiert die globale Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit von WiMAX-Diensten. Das WiMAX Radio Conformance Test System R&S TS8970 stellt alle vom WiMAX Forum definierten HF-Zertifizierungstests zur Verfügung. Name des Profils Kanalbandbreite (MHz) f start (MHz) FFT-Länge 1A 8, , B , A 3,5 2306,75 und 2346, B ,5 und 2347, C und A , A , B , C A , AL , AH , B , BL , BH , C CL CH WiMAX-Profile ordnen die Parametervielfalt WiMAX-HF-Zertifizierungstests prüfen die Konformität von Funksendern und -empfängern in Basis- bzw. Mobilstationen an der OFDMA-Luftschnittstelle. Weil OFDMA-Signale durch eine Vielfalt von Parametern gekennzeichnet sind, definiert das WiMAX Forum sogenannte Profile zum einfachen Kategorisieren von WiMAX-Produkten bzw. der wesentlichen HF-Parameter. Folgende Schlüsselparameter sind mit der Zuordnung zu einem Profil festgelegt: Betriebsfrequenzspektrum (z.b. 2,3 GHz bis 2,4 GHz) Nominalbandbreite des Signals (z.b. 10 MHz) Duplexbetriebsart (TDD, FDD oder H-FDD) Mit der Nominalbandbreite ist implizit auch die Anzahl der OFDMA-Unterträger festgelegt, und damit die Übertragungskapazität des Signals. BILD 1 zeigt die vom WiMAX Forum bisher definierten TDD-Profile [2], [3], zusätzliche insbesondere auch FDD-Profile werden mit der Verfügbarkeit weiterer Frequenzbereiche folgen. Insbesondere nachdem erst kürzlich die WiMAX-OFDMA-Technologie von der ITU (International Telecommunication Union) in die IMT Familie der sog. 3G-Technologien (z.b. WCDMA) aufgenommen wurde. Das Testsystem R&S TS8970 unterstützt alle denkbaren Profile bis 6 GHz; jenseits dieser Frequenz wird es keine Profile für mobiles WiMAX geben. 15

16 WPAN / WLAN / WMAN / WWAN Typprüfsysteme Frequency DL PUSC zone Preamble FCH Normal DL MAP DL Burst #1 (Normal UL MAP) DL Burst #2 (Burst of interest) M (timeslot) N (subchannel) DL Burst #3 Downlink Subframe Time DL Burst #4 Bursts with QPSK 1/2 dummy symbols if needed TTG UL PUSC zone Ranging Region CQICH Region ACK Region UL Burst #1 (Burst of interest) UL Burst #2 Bursts with QPSK 1/2 dummy symbols if needed Uplink Subframe Symbol index RTG Referenzsignale für die Zertifizierung Das WiMAX Forum legt in [3] Referenzsignale für die HF-Zertifizierungsmessungen fest. BILD 2 zeigt beispielhaft einen Referenz-TDD-Rahmen, aufgeteilt in Downlink Subframe und Uplink Subframe mit den jeweiligen OFDMA-typischen zweidimensionalen Datenregionen (Bursts) in der Frequenz- und Zeitdomäne. Aus diesem Referenzrahmen leiten sich alle Prüfsignale für die HF-Zertifizierung ab. Selbstverständlich sind alle definierten Referenzsignale im Testsystem R&S TS8970 verfügbar. BILD 2 Referenzsignale für mobiles WiMAX. HF-Zertifizierungsmessungen Referenzsignal Beschreibung MS-01.1 MS Receiver Maximum Tolerable Signal MS-02.1 MS Receiver Preamble MS-04.1 MS Receiver RSSI Measurement MS-05.1 MS Receiver Physical CINR Measurement MS-07.1 MS Receiver Selectivity MS-08.1 MS Receiver Maximum Input Signal MS-09.1 MS Receiver Sensitivity MS-10.1 MS Transmit and Receive HARQ MS-11.1 MS Receiver Support for Handoff MS-12.1 MS Transmitter Modulation & Coding, CP and Frame Timing MS-13.1 MS Transmit Ranging Support MS-15.1 MS Transmit Power Dynamic Range and relative step acc. MS-16.1 MS Transmit Power Control Support MS-17.1 MS Transmitter Spectral Flatness MS-18.1 MS Transmitter Relative Constellation Error MS-19.1 MS Transmit Synchronisation MS-20.1 MS Transmit / Receive Switching Gap BILD 3 HF-Zertifizierungstests Wave 1 für Mobilstationen. TCP/IP Layer Ping Error Rate TCP/IP Layer [3] definiert HF-Zertifizierungstests für Mobil- und Basisstationen. Die Zertifizierungstests sind derzeit in zwei zeitlich aufeinander folgende Wellen aufgeteilt. Die Wave 1 beinhaltet dabei die ersten, grundlegenden HF-Messungen an Einsender bzw. Einempfängerimplementierungen (Stichwort SISO, [4]). Die Testfälle Wave 2 bringen dann etwas zeitversetzt HF-Messungen an Mehrantennenimplementierungen (Stichwort MIMO [4]) auf die Zertifizierungsagenda. Die Architektur des Testsystems R&S TS8970 unterstützt beides. BILD 3 listet exemplarisch die HF-Testfälle Wave 1 für Mobilstationen. Die HF- Testfälle für Basisstationen sind zum Teil messtechnisch identisch, berücksichtigen aber natürlich Basisstations-spezifische Aspekte. Convergence Layer MAC Layer ARQ Process PHY Layer HARQ Process Channel Codec Paket Error Rate (PER) Block Error Rate (BLER) Bit Error Rate (BER) Convergence Layer MAC Layer ARQ Process PHY Layer HARQ Process Channel Codec BILD 4 WiMAX-Empfangsfehlermessmethoden. Konformität des Senders Der Sender einer WiMAX-Station wird im Wesentlichen bezüglich seiner OFDMA-Signaleigenschaften untersucht: 16

17 Komposition des WiMAX-Signals (einschließlich Kanalkodierung, zweidimensionale OFDMA-Symbolanordnung, TDD-Rahmenstruktur) Modulationsqualität (EVM, RCE) Spectral Flatness Sendeleistungsregelung Alle diese Messungen werden mit dem Vektorsignalanalysator R&S FSQ realisiert und sind in [5] und [6] beschrieben. Ping -Fehlermessungen Ping ist eine Standardmethode, mit der überprüft werden kann, ob ein bestimmter Host in einem IP-Netzwerk erreichbar ist. Bei der Messung der Ping Error Rate ist dieser Host mit bekannter IP-Adresse der Prüfling. Ping sendet ein sog. ICMP-Echo-Request-Paket an die Zieladresse, d.h. an den Prüfling. Unterstützt dieser das ICMP-Protokoll (das ist Voraussetzung für diese Messung), sendet er ein Echo mit dem gleichen Dateninhalt zurück. Somit wird die Performance des gesamten Empfangspfads im Prüfling einschließlich Convergence Layer (Schnittstelle zwischen dem WiMAX-Protokollstapel und der Internetprotokollschicht) allein über die Luftschnittstelle festgestellt. Diese Methode nutzt also einen in IP-Netzen eingebauten wenn auch zeitversetzten Loopback-Modus. Konformität des Empfängers Messungen an Empfängern digitaler Systeme basieren klassischerweise auf Bit- bzw. Blockfehlermessungen. Auch die WiMAX-Zertifizierungsmessungen bedienen sich dieser Methoden. Neben der Bit- und Blockfehlermessung basierend auf dem Quittungsbetrieb ARQ bzw. HARQ der unteren WiMAX- Protokollschichten definiert [3] auch Ping -Fehlermessungen (Kasten) außerhalb der WiMAX-Welt, nämlich auf ICMP/IP-Ebene (BILD 4). Basierend auf diesen Methoden wird die Empfindlichkeit, Selektivität und die maximale Eingangsdynamik des WiMAX-Empfängers geprüft, die verschiedenen Möglichkeiten sind optional. Das Testsystem R&S TS8970 stellt alle Methoden bereit, bietet also für jede Implementierung die richtige Lösung. Konformität wichtiger PHY-Prozeduren Die unterste Protokollschicht der WiMAX-Luftschnittstelle, der PHYsical Layer, ist neben der Bedienung der höheren Schichten vor allem für die physikalische Synchronisation mit dem Gegenüber auf der anderen Seite der Funkstrecke verantwortlich. Physi kalische Synchronisation bedeutet bei WiMAX einseitige Anpassung des Sende- und Empfangs-Timings, der Sende- und Empfangsfrequenz sowie Sende- und Empfangspegel seitens der Mobilstation. Neben der Erstsynchronisation (Initial Ranging) einer Mobilstation auf eine Basisstation z.b. nach dem Einschalten ist in einer mobilen Umgebung zum Aufrechterhalten einer nutzbaren Funkverbindung das periodische Prüfen und Anpassen dieser drei genannten physikalischen Parameter durch sog. Periodic Ranging notwendig. Weitere Informationen unter (Suchbegriff: Typenbezeichnung oder WiMAX) LITERATUR [1] R&S TS8970: Referenz für die Zertifizierung von WiMAX-Endprodukten. Neues von Rohde&Schwarz (2006) Nr. 191, S [2] WiMAX Forum Mobile System Profile document [3] WiMAX Forum Mobile Radio Certification Testing document [4] Von SISO bis MIMO alles nutzen, was die Luftschnittstelle bietet. Neues von Rohde&Schwarz (2007) Nr. 192, S [5] R&S SMU200A / R&S FSQ: Komplette Messlösung für WiMAX-Anwendungen. Neues von Rohde&Schwarz (2005) Nr. 187, S [6] R&S SMx / R&S FSQ / FSL: WiMAX wird mobil neue Messlösungen sind gefragt Neues von Rohde&Schwarz (2006) Nr. 190, S Dieser komplexe und für den erfolgreichen Betrieb einer WiMAX-Verbindung elementar wichtige Algorithmus wird bei der HF-Zertifizierung also mit Hilfe des R&S TS8970 ganz besonders genau unter die Lupe genommen. Dazu gehört übrigens auch das sogenannte Handover Ranging bei der Übergabe einer WiMAX- Mobilstation von einer Funkzelle in die nächste. Heinz Mellein Die wichtigsten Abkürzungen ACK ARQ ATM CQICH EVM FCH FDD HARQ H-FDD ICMP MIMO OFDMA PUSC RCE RTG SISO TDD TTG Acknowledgment Automatic Repeat Request Asynchronous Transfer Mode Channel Quality Indicator CHannel Error Vector Magnitude Frame Control Header Frequency Division Duplex Hybrid ARQ Hybrid Frequency Division Duplex (kombinierter TDD- und FDD-Betrieb) Internet Control Message Protocol (auf der gleicher Ebene wie das Internet Protocol IP) Multiple Input Multiple Output Orthogonal Frequency Division Multiple Access Partially Utilized SubChannelisation Relative Constellation Error Receive Transition Gap Single Input Single Output Time Division Duplex Transmit Transition Gap 17

18 ALLGEMEINE MESSTECHNIK Signalgeneratoren Signalgenerator R&S SMB100A Ob Broadcast, EMV oder Aerospace & Defense: Analoge Signale für alle Fälle Gute spektrale Reinheit, hoher Ausgangspegel und kurze Einschwingzeiten: Damit setzt sich der analoge Signalgenerator R&S SMB100A in seiner Klasse an die Spitze. Aber nicht nur seine technischen Daten überzeugen, sondern auch seine kompakte Bauform sowie der einfache modulare Aufbau. Der R&S SMB100A im Überblick Der neue analoge Signalgenerator R&S SMB100A (BILD 1) bietet Eigenschaften, die in seiner Preisklasse bislang nicht anzutreffen waren: Weiter Frequenzbereich von 9 khz bis 6 GHz deckt alle wichtigen Frequenzbänder für HF-Applikationen ab Beste spektrale Reinheit in der Mittelklasse sichert hohe Messgenauigkeit in unterschiedlichsten Applikationen Höchster Ausgangspegel in seiner Klasse macht mit seinen Leistungsreserven externe Verstärker überflüssig Sehr schnelle Einstellzeiten für Frequenz und Pegel für schnellen Durchsatz in der Fertigung Einfacher Service vor Ort sichert geringe laufende Kosten sowie maximale Verfügbarkeit des Geräts Großer Temperaturbereich, Betriebshöhe bis 4600 m und schnelle Pulsmodulation für die speziellen Anforderungen bei Aerospace- und Defense-Applikationen Kleine Bauform, geringes Gewicht für geringen Platzbedarf und einfachen Transport Beste spektrale Reinheit in seiner Klasse Phasenrauschen, harmonische sowie nicht-harmonische Nebenlinien und Breitbandrauschen sind die wichtigsten Parameter, wenn es darum geht, analoge Signalgeneratoren in ihren spektralen Eigenschaften zu charakterisieren. Der R&S SMB100A bietet bei allen diesen Parametern sehr gute Werte. Dies ist beispielsweise bei Blocking-Messungen an Empfängern wichtig, bei denen Rauschen sowie nichtharmonische Neben linien gemeinsam die unerwünschte Störleistung im Empfangskanal bilden. Entscheidend für die guten spektralen Eigenschaften des Geräts ist sein HF- Synthesizer, der als DDS-basierter Einschleifensynthesizer realisiert ist. Dank eines neu entwickelten, patentierten Algorithmus zur DDS-Frequenzerzeugung erzielt er spektrale Eigenschaften, die mit herkömmlichen Einschleifen-Synthesizern bislang nicht realisierbar waren. Im Frequenzbereich bis 1500 MHz bietet der Generator beispielsweise typisch 85 dbc Nebenlinienabstand und das bei gleichzeitig besten Phasenrauschwerten (BILD 2). Diese guten Spektraleigenschaften weist er über den gesamten Frequenzbereich auf. BILD 3 zeigt die vereinfachte Architektur eines Gerätes mit der 6-GHz-Frequenz option R&S SMB-B106. Bei handelsüblichen Generatoren werden Frequenzen unterhalb einer bestimmten Frequenzgrenze (typ. 100 MHz bis 250 MHz) von einem sogenannten Down-Konverter erzeugt. Dieser mischt das Signal aus der Frequenzsynthese mit einem festfrequenten Signal (LO) von typisch1 GHz herunter. Das bringt jedoch erhebliche Nachteile mit sich, da die spektrale Reinheit des Signals in diesem Bereich durch das Einseitenband-Phasenrauschen des LO verschlechtert wird. Beim R&S SMB100A wurde stattdessen der Teilerbereich des Geräts bis herunter zu 23 MHz erweitert, darunter erzeugt der DDS-Synthesizer das 18

19 44731/1 BILD 1 Hervorragende technische Daten sowie die Möglichkeit für den Anwender, das Gerät selbst zu warten, machen den R&S SMB100A zum Allrounder. BILD 2 Typisches Einseitenband-Phasenrauschen bei verschiedenen HF-Frequenzen (mit Option Referenzoszillator R&S SMB-B1). SSB-Phasenrauschen in dbc (1 Hz) GHz GHz 1 GHz MHz 10 MHz Frequenz in Hz BILD 3 Vereinfachtes Blockschaltbild der Frequenzerzeugung des Signalgenerators R&S SMB100A mit Frequenzoption R&S SMB-B106. DDS-Modul von Rohde&Schwarz Referenzfrequenz Up- Konverter PLL G 3 GHz bis 6 GHz 9 khz bis 23 MHz 2 N Synthesizer Out 1 9 khz bis 6 GHz Frequenzteiler 19

20 ALLGEMEINE MESSTECHNIK Signalgeneratoren Ausgangssignal direkt. In BILD 4 sind die Vorteile dieses Konzeptes deutlich zu erkennen. Das Phasenrauschen ist auch bei tieferen Ausgangsfrequenzen wesentlich geringer als bei herkömmlichen Konzepten mit Down- Konverterbereich. Damit ist der R&S SMB100A hervorragend als Ersatz für Referenzoszillatoren geeignet oder für alle Applikationen, bei denen ein spektral hochwertiges Signal benötigt wird (z.b. zum Test von A/Dund D/A-Umsetzern). Der DDS-basierte Synthesizer generiert sowohl Frequenz- als auch Phasenmodulation direkt digital. Dank dieses Verfahrens erreicht der R&S SMB100A beste Modulations eigenschaften. Im Frequenzbereich unterhalb 23 MHz generiert er auch die Amplitudenmodulation direkt digital. Seine Amplitudenmodulation ist im Kurzwellenbereich daher präziser, als es mit üblichen Konzepten bislang realisierbar war und erlaubt hochgenaue Messungen an Kurzwellenfunkempfängern (BILD 5). Höchste Ausgangsleistung in seiner Klasse Der R&S SMB100A liefert eine maximale Ausgangsleistung von typisch +25 dbm über den Frequenzbereich von 1 MHz bis 6 GHz (BILD 6). Sein verschleißfreier elektronischer Stufenabschwächer erweitert den Dynamikbereich bis 145 dbm, ideal also für Empfängermessungen. Die Grunddämpfung des Stufenabschwächers verringert jedoch die Ausgangsleistung, weshalb eine nachgeschaltete Breitband-Endstufe im R&S SMB100A diese Einfügedämpfung nicht nur ausgleicht, sondern auch für die sehr hohe Ausgangsleistung am HF-Ausgang sorgt (BILD 7). Die Breitband-Endstufe ist schaltbar und wird nur bei hohen Ausgangspegeln zugeschaltet. Bei geringen Ausgangspegeln befindet sie sich nicht im Signalpfad, da sie sonst durch ihre Rauschzahl den Breitbandrauschabstand des Ausgangssignals verschlechtern würde. Durch ein von der Ausgangsfrequenz und der Endstufen-Temperatur analog gesteuertes Dämpfungsglied vor der Breitband-Endstufe wird die Temperatur-Drift erster Ordnung der Verstärkung der Breitband-Endstufe kompensiert und es ergibt sich so auch bei eingeschalteter Breitband-Endstufe ein sehr stabiler Ausgangspegel. Der Anwender kann somit häufig auf eine zusätzliche externe Endstufe zum Ausgleich von hohen Kabeldämpfungen zum Testobjekt oder zur Ansteuerung eines Leistungsverstärkers verzichten. Eine weitere Besonderheit ist der Überspannungsschutz (Reverse Power Protection) bis 6 GHz im R&S SMB100A. Er besteht u.a. aus einem Paar Begrenzer- Dioden, die eine versehentlich in den HF-Ausgang des Generators eingespeiste HF-Leistung oder einen Spannungs-Transienten begrenzen. Detektiert die Schutzschaltung einen solchen Fehler-Zustand, trennt ein Relais den HF-Ausgang von der Ausgangsbuchse ab. Bei ausgeschaltetem Gerät ist dieses Relais ebenfalls geöffnet und schützt so den Ausgang sicher vor Zerstörung. Kurzdaten R&S SMB100A Frequenz Frequenzbereich Einstellzeit Pegel Pegelbereich Gerade im Labor oder im Service, wo es bei Messungen am Empfangsteil eines Transceivers vorkommen kann, dass dieser versehentlich in den Sendebetrieb versetzt wird, schützt dieser Überspannungsschutz effektiv vor Zerstörung und gewährleistet die hohe Zuverlässigkeit des Generators. Sehr kurze Einstellzeiten für Frequenz und Pegel In automatischen Testsystemen für die Produktion sind besonders kurze Einschwingzeiten der Messgeräte für kurze Messabläufe nötig, um einen hohen Durchsatz zu gewährleisten. Der R&S SMB100A glänzt in dieser Disziplin mit einer mittleren Pegeleinstellzeit von 1,2 ms und einer mittleren Frequenzeinschwingzeit von 1,6 ms. BILD 8 zeigt die Verteilung der Einstellzeiten bei Fernbedienung per IEC-Bus für jeweils zufällige Pegel- und ebenso viele Frequenzwechsel. Die Pegeleinschwingzeit ist definiert als die Zeit, die der R&S SMB100A benötigt, bis sein Ausgangspegel auf 0,1 db Abweichung von seinem Endwert eingeschwungen ist. Dies ist durch Einsatz einer schnellen Pegelregelung und durch die Verwendung von schnellen 9 khz bis 6 GHz <3 ms, typ. 1,6 ms 145 dbm bis +18 dbm (Overrange bis typ. 25 dbm) Einstellzeit <2,5 ms, typ. 1,2 ms Spektrale Reinheit (f = 1 GHz) SSB-Phasenrauschen (Trägeroffset 20 khz, 1 Hz Messbandbreite) < 122 dbc, typ. 128 dbc Nichtharmonische (Trägeroffset > 10 khz) < 70 dbc, typ. 85 dbc Breitbandrauschen (Trägeroffset > 10 MHz, 1 Hz Messbandbreite) < 142 dbc, typ. 152 dbc Modulationsarten AM, FM / ϕm, Puls Schnittstellen IEC (IEEE 488) Ethernet (TCP/IP) USB 20