應(yīng)對5G WiFi新一代無線測試的挑戰(zhàn)

被業(yè)界認為是第五代WiFi的802.11ac正在呼之欲出，它與之前的WiFi標(biāo)準(zhǔn)制式有哪些方面的不同，為什么會被業(yè)界如此看好，讓我們先來了解一下WiFi和WLAN的歷史。
 

無線局域網(wǎng)（WLAN）推行之初被普遍認可的兩個國際標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.11a和802.11b。最初設(shè)計這些標(biāo)準(zhǔn)的目的是為滿足便攜式電腦在家和辦公室環(huán)境中可隨意移動的要求。隨后，在一些機場、酒店、咖啡屋和購物廣場也開始允許通過無線接入（商業(yè)命名為Wi-Fi），隨時隨地上網(wǎng)、查詢電子郵件等，擴展了無線寬帶的功能。雖然無線寬帶連接的數(shù)據(jù)速度曾經(jīng)很有限，例如，802.11a在5 GHz頻段可提供的最高速率是54 Mbps，而 802.11b在2.4 GHz只有11 Mbps，但這兩個頻段都是免費的，即不需要授權(quán)的。為了盡量減少來自其它同頻設(shè)備的干擾，這兩個標(biāo)準(zhǔn)都采用了擴頻傳輸技術(shù)和比較復(fù)雜的編碼技術(shù)。2003年， IEEE（美國電氣及電子工程師學(xué)會）頒布了802.11g，依舊工作在2.4 GHz頻段，但是數(shù)據(jù)速率可以達到54 Mbps。與此同時，一種新的應(yīng)用模式即在家庭和小型辦公室里可連接多個設(shè)備并在設(shè)備間進行數(shù)據(jù)共享，對無線局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率提出更高要求，從而使得一個新的研究項目應(yīng)運而生，這就是于2009公布的802.11n的由來。為了使單信道的數(shù)據(jù)速率最高可以超過100 Mbps，在802.11n標(biāo)準(zhǔn)中引入的MIMO （即多輸入-多輸出，或空間數(shù)據(jù)流）技術(shù)，利用物理上完全分離的最多4個發(fā)射和4個接收天線，對不同數(shù)據(jù)進行不同的調(diào)制/解調(diào)，來達到傳輸較高的數(shù)據(jù)容量的目的。
 

在表1中例舉出了當(dāng)前一些比較超前的應(yīng)用模式，這些模式需要更高的數(shù)據(jù)傳輸量來支持“無線辦公”的要求。
表1，新型WLAN應(yīng)用模式

為了滿足以上這些需要，IEEE內(nèi)部設(shè)立了兩個項目工作組，以“極高吞吐量（Very High Throughput）”為目標(biāo)進行立項研究。其中一個工作組 （Working Group） TGac是以802.11n標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)并進行擴展，制定出802.11ac，即在5GHz的頻段上，數(shù)據(jù)吞吐量目標(biāo)為：在單通道鏈路上的最低速率為500 Mb/s，最高可達到1Gbps。另一個工作組 TGad與無線千兆比特聯(lián)盟（Wireless Gigabit Alliance）聯(lián)合提出802.11ad的標(biāo)準(zhǔn)，即在60GHz的頻段上使用大約2 GHz頻譜帶寬，這一尚未使用的頻段可以在近距離范圍內(nèi)實現(xiàn)高達7 Gbps 的傳輸速率。（60GHz頻率的載波穿透能力差，信號衰減嚴重，傳輸距離與覆蓋范圍都受到限制）。另外還有與現(xiàn)有設(shè)備的兼容性，在相同頻段上與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的后向兼容都是標(biāo)準(zhǔn)組織“必須”考慮的問題。802.11系列標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)之一就是后向兼容，對于802.11ac和ad來說主要考慮媒介控制層（MAC）或數(shù)據(jù)鏈路層與之前的標(biāo)準(zhǔn)的兼容性，而不同的只能是物理層上的特性。 （如圖1）。 對于WLAN的設(shè)備可以支持三種無線制式：一般用途的使用在2.4GHz頻段，但會受到同頻干擾的問題；更穩(wěn)定和較高速率的應(yīng)用在5 GHz頻段，使用60GHz頻段用于室內(nèi)的超高速率的應(yīng)用，同時還能支持在這三種制式之間的轉(zhuǎn)換。這兩個新的標(biāo)準(zhǔn)目前都有技術(shù)草案。802.11ad的標(biāo)準(zhǔn)計劃于2012年底完成，而208.11ac于2013年底完成。不管怎樣，預(yù)計依照這些草案標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計的產(chǎn)品都會先于最終標(biāo)準(zhǔn)在市場上出現(xiàn)。
 

由于這兩個標(biāo)準(zhǔn)分別基于5GHz 和60 GHz，將會體現(xiàn)在物理層的屬性完全不同，所以，本片文章主要是針對802.11ac進行介紹。
802.11ac與802.11n的技術(shù)區(qū)別
 

802.11ac的物理層是對802.11n標(biāo)準(zhǔn)的延續(xù)，而且要滿足后向兼容。下面我們來著重探討一下在802.11ac上的變化。表2列出802.11n的物理層的主要特點，表3則列出了在802.11ac上主要擴展的方面。理論上說802.11n在使用了40MHz帶寬和4個空間流可以達到最高600 Mbps的數(shù)據(jù)速率，盡管目前很多無線設(shè)備只能支持2路空間流。對于802.11ac來說，理論上使用160 MHz帶寬，8個空間流，MCS9編碼，256QAM調(diào)制，最高速率能達到6.93 Gbps。而真正可以使用的數(shù)據(jù)速率大概是1.56 Gbps。

表2，IEEE802.11n 主要特性

表3， IEEE802.11ac 的主要特性(黑體字是ac新增加的)
 

如圖1.所示，這是在美國地區(qū)針對新寬帶信道需求的一個頻譜的圖，其中也包括了一個80+80MHz的非連續(xù)帶寬的模式。主要原因是從5490 MHz到5730 MHz的這段頻譜中有一部分已經(jīng)被氣象雷達占用，為了避免相互的干擾，只能選用不連續(xù)的兩個80 MHz帶寬組合成160 MHz的帶寬。這兩種情況都被列入標(biāo)準(zhǔn)中作為可選項。

圖1. IEEE 802.11 ac在美國地區(qū)的頻帶分布
802.11ac對于20和40 MHz帶寬的定義與802.11n是一致，即子載波和導(dǎo)頻數(shù)和它們的位置都不變，這也是這兩種標(biāo)準(zhǔn)相兼容所必須的條件。對于802.11ac標(biāo)準(zhǔn)中新的內(nèi)容，不管是80MHz，160MHz還是80+80 MHz，與80 MHz有著同樣的定義方法，只不過后兩者考慮是的是2個80 MHz信道的載波分配。
從幀結(jié)構(gòu)上看，802.11ac的系統(tǒng)能夠探測接入設(shè)備的幀結(jié)構(gòu)里所包含的前導(dǎo)碼(preample)和導(dǎo)頻信號 （pilot），來區(qū)分接入設(shè)備使用的是何種標(biāo)準(zhǔn)，并自適應(yīng)，這就是后向兼容。802.11n和802.11ac的幀結(jié)構(gòu)如下圖 （圖2）。

圖2. 802.11n 與802.11ac的幀結(jié)構(gòu)的對比

從這兩個幀結(jié)構(gòu)里可以看到，最前面的3個部分：短碼部分(short training field-STF),長碼部分(long training field-LTF)和信號部分(signal field-SIG) 是用來兼容現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的（即802.11a/b/g/n），也就是它們都有一個開頭字母L，代表的Legacy的含義。第四個部份VHT-SIG-A第一個碼字是BPSK調(diào)制信號，而第二個碼字則旋轉(zhuǎn)了90°，為QBPSK，用來區(qū)分HT 和VHT模式。在802.11ac中的VHT-STF用來改善在MIMO傳輸中的自動增益控制。緊跟在VHT-STF后面的是VHT-LTF，即長訓(xùn)練序列，它為接收機提供了在發(fā)射天線和接收天線之間進行MIMO預(yù)估信道測算的比特。根據(jù)空分碼流的總數(shù)可以分為1,2,4,6 或者8 個VHT-LTF。在802.11ac中，1， 2 或者4個VHT-LTF進行直接映射，又增加了6或者8個VHT-LTF用于最大8 個空分碼流的應(yīng)用。VHT-SIG-B描述了所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度、調(diào)制方式和編碼方式(即MCS)是單個用戶還是多用戶的模式。

802.11ac的測試需要
表4中列舉了802.11ac標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中對發(fā)射機和接收機的測試要求，這些要求跟802.11n很類似，并增加了一些針對802.11ac的新的測試項目和規(guī)范。這些規(guī)范目前還在不斷地完善過程中， 針對發(fā)射機的測試規(guī)范請參見章節(jié)22.3.19， 針對接收機的規(guī)范可參見章節(jié)22.3.20. 除此之外，還要考慮通過產(chǎn)品設(shè)計的功能測試和性能測試，以保證產(chǎn)品的性能和互通性等。
表4， 802.11ac的發(fā)射機和接收機的測試要求
 

802.11ac對設(shè)計和測量的挑戰(zhàn)
 

802.11ac的一些新的特性使得測試這些產(chǎn)品出現(xiàn)新的挑戰(zhàn)，256QAM技術(shù)要求在接收和發(fā)射電路中有良好的矢量誤差（EVM）,在星座圖測量中要求也更為復(fù)雜、精確。矢量信號分析設(shè)備，安捷倫89600 VSA軟件提供了詳細分析802.11 ac信號矢量信號的分析，以便洞察其信號出錯情況，做出更好的調(diào)整和更改，同時還支持4x4的MIMO測量。
 

另一個測量挑戰(zhàn)出現(xiàn)在測量數(shù)字預(yù)失真（DPD），為了改善失真，需要產(chǎn)生和測量占用帶寬高出3-5倍帶寬范圍內(nèi)的功率放大器的線性特征。安捷倫SystemVue W1716 DPD Builder軟件能夠提供一個自動數(shù)字線性失真設(shè)計測試應(yīng)用。該軟件產(chǎn)生一個激勵波形，下載到信號源，信號源產(chǎn)生的信號通過功率放大器后使用信號分析儀接受放大后的信號，并將信號解調(diào)出來，傳輸給測試電腦，軟件通過對比激勵波形和接收到的波形判斷失真情況，從而達到測量和分析功能。如下圖：

圖3. 數(shù)字預(yù)失真構(gòu)建的系統(tǒng)配置圖

圖4. 數(shù)字預(yù)失真的實例
 

圖4顯示了一個802.11ac 80MHz信號經(jīng)過預(yù)失真的實例。綠色波形是發(fā)射的激勵信號，藍色波形是沒有經(jīng)過預(yù)失真處理的從功放輸出的信號，而紅色波形是經(jīng)過預(yù)失真的結(jié)果。
 

設(shè)計和研發(fā)中更具挑戰(zhàn)的是如何能產(chǎn)生和分析802.11ac這樣更寬的信號。尤其在考慮器件測量、發(fā)射機測量和接收機測量時，常常用到80MHz 和160MHz的寬帶信號。
 

由于許多RF信號發(fā)生器并不具有足夠高的采樣率，要達到最低2倍過采樣的基本要求，在產(chǎn)生80MHz帶寬信號時，由于混疊現(xiàn)象會在信號上產(chǎn)生“鬼影”。然而，采用合適的濾波器和對波形文件進行過采樣這項技術(shù)，就能夠產(chǎn)生具有良好頻譜特性和EVM的80MHz的信號。使用Agilent N5182A MXG或者E4438C ESG信號發(fā)生器就能滿足以上需求。
 

要產(chǎn)生160MHz的信號，則要利用一個寬帶的任意波形發(fā)射器（AWG），如Agilent 81180A, M8190A, 或者M9330A，利用它們產(chǎn)生模擬的I/Q信號，送到一個具有外部I/Q輸入端的矢量信號發(fā)生器，如Agilent MXG, ESG 或者E8267D PSG 進行上變頻，然后通過RF頻率發(fā)射出來。同樣，利用這種方式也可以產(chǎn)生80+80 MHz的信號，即在兩個MXG或ESG里分別生成兩個80 MHz的信號，然后在合并在一起成為一個160MHz帶寬的RF信號。
而對于160MHz帶寬的信號分析，則可以使用Agilent 89600 VSA軟件配合Agilent N9030A PXA信號分析儀，M9392A PXI微波矢量分析模塊，M9202A PXI Digitizer，或者Agilent 示波器這些硬件前端進行分析。M9392A可以分析的信號帶寬達到250 MHz， 而M9020A可以達到800MHz。 示波器可分析的信號帶寬則更寬，可以達到1GHz以上。這些寬帶分析儀能夠滿足數(shù)字預(yù)失真的測試應(yīng)用，也就是通常意義上要求的測試信號的帶寬是被測信號帶寬的3到5倍。
對于MIMO設(shè)計的測試檢驗也是另一挑戰(zhàn)。MIMO功能性的優(yōu)劣取決于對802.11設(shè)備的設(shè)計功能要求。多信道信號的產(chǎn)生和分析有助于更加深入地了解MIMO設(shè)備的內(nèi)在性能，并且可以幫助設(shè)計工程師進行故障查找和設(shè)計檢驗等。
 

對于MIMO接收機的測試， Agilent 的SystemVue WLAN 仿真庫和信號波形產(chǎn)生軟件（Signal Studio） 都可以產(chǎn)生MIMO信號。在硬件平臺上，可以同步多臺Agilent MXG或者ESG信號源仿真MIMO發(fā)射機輸出多通道的信號。信道衰落的作用也可以包含在波形文件里，進行仿真并提供給接收天線。對于MIMO發(fā)射機的測試，可以使用Agilent的Infiniium 或者Infiniivisiion 示波器配合89600B VSA分析軟件，可以分析多達4個信道的MIMO信號，具體包括每個信道的EVM和IQ測量結(jié)果，以及交叉矩陣，如頻率響應(yīng)和信道特性等。Agilent 還提供了基于PXI系統(tǒng)的模塊化測試儀，包括M9392A PXI微波矢量測試模與M9202A數(shù)字處理模塊和下變頻模塊可以處理分析高達1GHz分析帶寬信號。

 
圖5.兩個信道-MIMO信號的測量結(jié)果

圖5顯示的是用Agilent 示波器和VSA軟件測試一個2-ch 802.11ac信號的結(jié)果。這個測試中的被測MIMO信號是用Signal Studio配合兩臺MXG信號源產(chǎn)生的。從圖上可以看到兩組信號流的EVM和IQ誤差（中下部的圖像）和頻道響應(yīng)（左下部的圖像）同時顯示的結(jié)果。
結(jié)束語
 

隨著無線技術(shù)的發(fā)展，和人們對使用無線設(shè)備的體驗的持續(xù)要求，對無線本地網(wǎng)的連接，也提出同樣的要求：更快的速度和更寬的帶寬。滿足這些商業(yè)需求的同時，也增加對產(chǎn)品和保證規(guī)范各類產(chǎn)品性能及互聯(lián)互通的國際標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜性，對測試測量也提出了更高的挑戰(zhàn)。要讓VHT WLAN產(chǎn)品在主流市場上取得成功，綜合的考慮設(shè)計和測量能力是非常重要的。從系統(tǒng)仿真工具，到能夠支持80 和160 MHz信號帶寬和256QAM調(diào)制信號的產(chǎn)生和分析的測量儀器，這些針對器件測量、發(fā)射機和接收機測量都非常重要。另外，以生產(chǎn)為設(shè)計指導(dǎo)方向的產(chǎn)品戰(zhàn)略將全面幫助企業(yè)達到降低測試成本、設(shè)計并生產(chǎn)出滿足商業(yè)用戶需求的高性價比的產(chǎn)品。