應(yīng)對5G WiFi 802.11ac生產(chǎn)測試挑戰(zhàn)

802.11是電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)制定的無線局域網(wǎng)(WLAN)系列標(biāo)準(zhǔn)，主要用于2.4和5GHz免牌照頻段本地?zé)o線通信。802.11系列標(biāo)準(zhǔn)得到國際廣泛認(rèn)可，并在WiFi聯(lián)盟支持下日益普及。該協(xié)會(huì)是促進(jìn)WLAN技術(shù)和802.11標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品認(rèn)證的行業(yè)組織。

802.11標(biāo)準(zhǔn)包括物理層和介質(zhì)訪問控制(MAC)協(xié)議。自首次發(fā)布以來，物理層做了大量重要補(bǔ)充和修訂，而大部分MAC基本功能保持不變。802.11標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過多年發(fā)展，滿足各種WLAN要求，Hiert and co.在[1]中做了詳細(xì)總結(jié)。WLAN設(shè)備往往基于采用的物理層版本說明其功能。常見版本包括802.11b、802.11a、802.11g，以及最近發(fā)布的802.11n。802.11最新版本是IEEE 802.11-2009，其中包括802.11n[3]。

由于回程(如xDSL、光纖)傳輸速度提高，以及高清(HD)內(nèi)容流和即時(shí)文件傳輸?shù)刃枰邤?shù)據(jù)速率應(yīng)用的出現(xiàn)，IEEE發(fā)布了兩個(gè)新方案(802.11ac和802.11ad)提高最大數(shù)據(jù)速率，顯著高于802.11n。表1概括了802.11物理層標(biāo)準(zhǔn)。本案重點(diǎn)介紹802.11ac。

表1：IEEE 802.11物理層標(biāo)準(zhǔn)對比。

802.11ac也稱為甚高吞吐量(VHT)，它是802.11n的繼任標(biāo)準(zhǔn)，后者稱為高吞吐量(HT)。與WLAN的演進(jìn)過程一樣，802.11ac全面向后兼容以前的標(biāo)準(zhǔn)。802.11ac任務(wù)組TGac于2008年成立，開始開發(fā)802.11ac，修訂IEEE 802.11-2009。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計(jì)2012年年底完成，2013年802.11工作組結(jié)束審批[7]。

本文介紹最新制定的802.11ac，分析此類設(shè)備的生產(chǎn)測試要求。內(nèi)容分為以下幾部分：802.11ac使用模式、性能目標(biāo)、物理層簡介和生產(chǎn)環(huán)境下面臨的測試挑戰(zhàn)。

802.11ac使用模式

如表2所示，IEEE確定了大量需要千兆吞吐量的應(yīng)用，并隨之定義了六種使用模式(參見[5])。這是802.11ac制定的基礎(chǔ)。使用模式中以數(shù)字家庭為重點(diǎn)。事實(shí)上，由于802.11ac支持高數(shù)據(jù)速率，家庭環(huán)境中可以并行運(yùn)行多種高帶寬應(yīng)用(如高清視頻流、即時(shí)文件傳輸、零延遲互聯(lián)網(wǎng)瀏覽等，如圖1所示)。

圖1：數(shù)字家庭環(huán)境下的802.11ac應(yīng)用。

由于可以更加快速地傳輸數(shù)據(jù)，802.11ac還具有能效方面的顯著優(yōu)點(diǎn)。802.11ac芯片能效優(yōu)于基于前代標(biāo)準(zhǔn)的芯片。這是智能手機(jī)等電池供電設(shè)備的重要要求。用戶可以極大地降低WLAN功耗，從而支持新的應(yīng)用功能和使用環(huán)境，如蜂窩IP數(shù)據(jù)卸載。

802.11ac性能目標(biāo)

為支持新應(yīng)用和未來試驗(yàn)設(shè)備，Tgac定義了802.11ac的三種主要性能和功能要求[6]：

1.系統(tǒng)性能：802.11ac可以實(shí)現(xiàn)最大單站吞吐量和多站總計(jì)吞吐量，分別達(dá)到500Mbps和1Gbps以上。這是MAC數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)的測量結(jié)果，5GHz頻段通道帶寬不大于80MHz。由于數(shù)據(jù)速率要求針對MAC而不是物理層，因此必須考慮MAC效率，不能僅僅提高物理層數(shù)據(jù)速率。

2.向后兼容：802.11ac修訂標(biāo)準(zhǔn)向后兼容工作在5GHz頻段的802.11a和802.11n設(shè)備。

3.共存：802.11ac修訂標(biāo)準(zhǔn)具有802.11ac與802.11a/n設(shè)備之間的共存機(jī)制。
有必要指出，802.11ac僅需向后兼容并與802.11a和802.11n共存。這是因?yàn)?02.11ac設(shè)備實(shí)際上僅在5GHz頻段工作。

802.11ac技術(shù)細(xì)節(jié)

為了保證向后兼容和共存，802.11ac在可能的情況下重用802.11n技術(shù)規(guī)格。例如，802.11ac采用與11n一樣的物理層OFDM調(diào)制(正交頻分多路復(fù)用)，并保持相同的編碼和交錯(cuò)式架構(gòu)。不過，為了滿足性能目標(biāo)，做了一些必要的修改并提供新的11ac特性。表3所示為與802.11n相比，802.11ac引入的大量新特性(粗體突出顯示)。

表3：802.11ac的主要功能。

802.11ac設(shè)備物理層規(guī)定參數(shù)為80MHz帶寬、64QAM 5/6和1個(gè)空分碼流。采用這種配置，數(shù)據(jù)速率達(dá)到293Mbps。不過，采用所有選用參數(shù)的設(shè)備(160MHz、256QAM 5/6和8個(gè)空分碼流)，數(shù)據(jù)速率可以達(dá)到6.93Gbps。

單PPDU幀格式按物理層會(huì)聚協(xié)議定義，如圖2所示。為保證向后兼容，專門定義了802.11a和n設(shè)備可以接收的非VHT字段。前導(dǎo)碼中前4個(gè)字段用于非VHT站接收。前三個(gè)字段與802.11n的字段相同，第四個(gè)字段用于確定802.11n還是802.11ac。前導(dǎo)碼中剩余字段僅用于VHT設(shè)備。VHT-STF用來改善MIMO傳輸中的自動(dòng)增益控制。VHT-LTF是長訓(xùn)練系列，為接收機(jī)提供MIMO信道預(yù)估。VHT-SIG-B提供單用戶或多用戶模式數(shù)據(jù)長度、調(diào)制和編碼方案(MCS)信息。

圖2：VHT PPDU格式。

生產(chǎn)測試面臨的挑戰(zhàn)

WLAN生產(chǎn)測試系統(tǒng)廣泛安裝在全球WLAN設(shè)備制造廠中。硬件平臺長期以來沒有大的變化，往往通過軟件升級滿足隨著WLAN標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)出現(xiàn)的新的測試要求。不過，802.11ac的新功能對測試系統(tǒng)提出了更高的要求，許多現(xiàn)有硬件平臺需要升級。

802.11ac帶來了大量變化，其中三個(gè)方面是生產(chǎn)測試設(shè)備面臨的最為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：寬帶寬、多個(gè)空分碼流和高密度調(diào)制。此外，測試速度也是生產(chǎn)的重要要求。

1.寬帶測量

802.11ac僅在5GHz免牌照頻段工作。與2.4GHz頻段相比，具有寬可用帶寬和低干擾的優(yōu)點(diǎn)。美國和歐洲信道分配分別如圖3和圖4所示，參見[4]。因此，測試需要生成并分析80MHz瞬時(shí)帶寬或160MHz(可選)帶寬，以及頻率達(dá)5.835GHz的信號。

圖3：美國信道分配。

圖4：歐洲信道分配。

對于發(fā)射機(jī)測試，需要一次捕獲整個(gè)信號帶寬，測量信號質(zhì)量、頻率、功率和頻譜平坦度。頻譜包絡(luò)測量需要分析更寬的帶寬(如802.11ac80MHz為240MHz)。這可以采用頻譜拼接技術(shù)，以更加經(jīng)濟(jì)的方法來實(shí)現(xiàn)。這種技術(shù)可以捕獲信號的多個(gè)快照，按頻域進(jìn)行拼接，顯示整個(gè)帶寬。

對于接收機(jī)測試，需要生成全帶寬信號波形模擬被測設(shè)備(DUT)。這種方法可以測試多種操作模式的接收靈敏度。
現(xiàn)有及今后推出的Aeroflex PXI 3000系列射頻模塊支持寬帶信號分析，并可以生成6GHz頻率，便于滿足802.11ac帶寬和頻率要求。我們的802.11ac解決方案可通過軟件升級，是802.11ac測試的理想平臺。

2.多輸入多輸出(MIMO)

MIMO是在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)上采用多個(gè)天線，通過先進(jìn)的數(shù)字信號處理提高通信性能。這種方法采用獨(dú)立發(fā)射/接收鏈，既可以提高鏈路可靠性，也可以提高數(shù)據(jù)速率。IEEE在802.11n中引入MIMO，將802.11ac的支持能力擴(kuò)展到8個(gè)空分碼流和多用戶MIMO(MU-MIMO)。相對于單用戶MIMO，MU-MIMO可以同時(shí)端接多個(gè)用戶同一頻段往來傳輸?shù)氖?發(fā)信號，如圖5所示。

圖5：單用戶與多用戶MIMO舉例。

在研發(fā)環(huán)境下，MIMO開發(fā)一般需要測試設(shè)備利用多徑信道仿真，對不同MIMO節(jié)點(diǎn)的多個(gè)碼流進(jìn)行編/解碼。而在生產(chǎn)環(huán)境下，由于設(shè)備設(shè)計(jì)認(rèn)證已在研發(fā)階段完成，因此測試重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到射頻組件校準(zhǔn)和設(shè)備質(zhì)量確認(rèn)。生產(chǎn)環(huán)境下MIMO測試還應(yīng)優(yōu)化速度和成本。目前采用的一種方法是單獨(dú)測試MIMO收發(fā)器的射頻路徑。一般是通過開關(guān)矩陣依次對每個(gè)MIMO路徑進(jìn)行測試，以進(jìn)一步節(jié)省測試設(shè)備的成本，因?yàn)橹恍枰粋€(gè)測試收發(fā)器信道，如圖6所示。這種方法足以滿足MIMO生產(chǎn)要求，合理兼顧性能與成本。

圖6：MIMO生產(chǎn)測試系統(tǒng)實(shí)例。

3.高密度調(diào)制

802.11ac規(guī)定OFDM模式采用256QAM調(diào)制方式。256QAM調(diào)制密度是過去WLAN標(biāo)準(zhǔn)最高密度調(diào)制方式64QAM的四倍。高速率傳輸所需傳輸信號質(zhì)量高于以前WLAN調(diào)制編碼方案。表4列出各種802.11ac調(diào)制方式的誤差向量幅度(EVM)或接收星座圖誤差(RCE)要求。無論信號帶寬多大，這種要求都是一樣的。

表4：802.11ac的EVM要求。

如圖7所示，EVM特性受相位、頻率和幅度誤差影響。高階調(diào)制、多點(diǎn)定義星座圖，意味著不同符號的信號振幅存在很大差別。采用高階調(diào)制時(shí)，信號所受非線性和相位噪聲等影響會(huì)變得更加突出[8]。

圖7：可視EVM。

為了精確測量802.11ac信號，測試設(shè)備的殘留EVM必須顯著優(yōu)于表4所示的最低EVM要求(即-32dB，256QAM)，否則會(huì)影響產(chǎn)量。這要求相對于測試過去的WLAN標(biāo)準(zhǔn)，802.11ac測試設(shè)備必須具有更加出色的相位噪聲和線性特性。

Aeroflex基于PXI 3000系列的WLAN測試解決方案優(yōu)異的EVM特性，可以輕松滿足802.11ac要求。如表5所示，這些數(shù)值反映了發(fā)射機(jī)和接收機(jī)未采用均衡情況下(即人工生成較低測量值)的殘留EVM。

表5：Aeroflex PXI 3000平臺WLAN測試典型殘留EVM/RCE特性。測試結(jié)果包括接收機(jī)和發(fā)射機(jī)殘留EVM/RCE。無均衡。

4.測試速度

生產(chǎn)測試速度和產(chǎn)量是兩個(gè)最重要的生產(chǎn)指標(biāo)。802.11ac是目前增加的一種測試設(shè)備，對于生產(chǎn)WLAN保持可接受的低價(jià)位，以及在消費(fèi)電子設(shè)備中的普及具有重要意義。802.11ac的價(jià)位必須與過去WLAN標(biāo)準(zhǔn)的價(jià)位相當(dāng)。因此，802.11ac測試設(shè)備在高速校準(zhǔn)和驗(yàn)證設(shè)備和組件，同時(shí)保證精度和可靠性的基礎(chǔ)上，達(dá)到可觀的產(chǎn)量是十分重要的。
Aeroflex 3000系列PXI模塊化RF測試平臺滿足測試速度和重復(fù)性要求。這是通過產(chǎn)品大量創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，包括快速準(zhǔn)確的硬件切換、優(yōu)化軟件架構(gòu)、流水線技術(shù)，以及測試序列化進(jìn)一步提高設(shè)備利用率。表6舉例說明802.11ac采用Aeroflex PXI 3000系列的測量時(shí)間。

表6：測量時(shí)間包括捕獲、傳輸和分析。每項(xiàng)測試分析16個(gè)符號。測試結(jié)果是重復(fù)25次的平均值。

本文小結(jié)

802.11ac是IEEE最新的WLAN標(biāo)準(zhǔn)化工作，通過增加帶寬、空分碼流數(shù)量及采用先進(jìn)的數(shù)字調(diào)制技術(shù)，數(shù)據(jù)速率提高6倍。這項(xiàng)工作定位于802.11n的推廣，在2015年有望成為主流標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)計(jì)全球設(shè)備出貨量將達(dá)到10億[9]。這對設(shè)備測試和測量提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，特別是生產(chǎn)測試。目前，已確定了802.11ac生產(chǎn)環(huán)境面臨的四種主要測試挑戰(zhàn)：寬帶寬、MIMO、高密度調(diào)制和測試速度。

Aeroflex為優(yōu)化生產(chǎn)測試提供完整的WLAN解決方案。高性能、低成本PXI 3000一直享有卓著聲譽(yù)，為全球許多WLAN設(shè)備和RF組件制造商廣泛采用。我們的軟件基于通用PXI硬件模塊定義解決方案，有助于滿足涵蓋各種無線標(biāo)準(zhǔn)的測試需求。利用軟件選件，不僅可在同一平臺上進(jìn)行WLAN測試，而且支持多標(biāo)準(zhǔn)測試。