新技術(shù)應對5G WiFi測試挑戰

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標準制式有哪些方面的不同，為什么會(huì )被業(yè)界如此看好，讓我們先來(lái)了解一下WiFi和WLAN的歷史。

無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（WLAN）推行之初被普遍認可的兩個(gè)國際標準是IEEE802.11a和802.11b。最初設計這些標準的目的是為滿(mǎn)足便攜式電腦在家和辦公室環(huán)境中可隨意移動(dòng)的要求。隨后，在一些機場(chǎng)、酒店、咖啡屋和購物廣場(chǎng)也開(kāi)始允許通過(guò)無(wú)線(xiàn)接入（商業(yè)命名為Wi-Fi），隨時(shí)隨地上網(wǎng)、查詢(xún)電子郵件等，擴展了無(wú)線(xiàn)寬帶的功能。雖然無(wú)線(xiàn)寬帶連接的數據速度曾經(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(gè)頻段都是免費的，即不需要授權的。為了盡量減少來(lái)自其它同頻設備的干擾，這兩個(gè)標準都采用了擴頻傳輸技術(shù)和比較復雜的編碼技術(shù)。2003年， IEEE（美國電氣及電子工程師學(xué)會(huì )）頒布了802.11g，依舊工作在2.4 GHz頻段，但是數據速率可以達到54 Mbps。與此同時(shí)，一種新的應用模式即在家庭和小型辦公室里可連接多個(gè)設備并在設備間進(jìn)行數據共享，對無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的數據傳輸速率提出更高要求，從而使得一個(gè)新的研究項目應運而生，這就是于2009公布的802.11n的由來(lái)。為了使單信道的數據速率最高可以超過(guò)100 Mbps，在802.11n標準中引入的MIMO （即多輸入-多輸出，或空間數據流）技術(shù)，利用物理上完全分離的最多4個(gè)發(fā)射和4個(gè)接收天線(xiàn)，對不同數據進(jìn)行不同的調制/解調，來(lái)達到傳輸較高的數據容量的目的。

在表1中例舉出了當前一些比較超前的應用模式，這些模式需要更高的數據傳輸量來(lái)支持“無(wú)線(xiàn)辦公”的要求。

表1，新型WLAN應用模式


為了滿(mǎn)足以上這些需要，IEEE內部設立了兩個(gè)項目工作組，以“極高吞吐量（Very High Throughput）”為目標進(jìn)行立項研究。其中一個(gè)工作組 （Working Group） TGac是以802.11n標準為基礎并進(jìn)行擴展，制定出802.11ac，即在5GHz的頻段上，數據吞吐量目標為：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(gè)工作組 TGad與無(wú)線(xiàn)千兆比特聯(lián)盟（Wireless Gigabit Alliance）聯(lián)合提出802.11ad的標準，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實(shí)現高達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）。另外還有與現有設備的兼容性，在相同頻段上與現有標準的后向兼容都是標準組織“必須”考慮的問(wèn)題。802.11系列標準的目標之一就是后向兼容，對于802.11ac和ad來(lái)說(shuō)主要考慮媒介控制層（MAC）或數據鏈路層與之前的標準的兼容性，而不同的只能是物理層上的特性。 （如圖1）。 對于WLAN的設備可以支持三種無(wú)線(xiàn)制式：一般用途的使用在2.4GHz頻段，但會(huì )受到同頻干擾的問(wèn)題；更穩定和較高速率的應用在5 GHz頻段，使用60GHz頻段用于室內的超高速率的應用，同時(shí)還能支持在這三種制式之間的轉換。這兩個(gè)新的標準目前都有技術(shù)草案。802.11ad的標準計劃于2012年底完成，而208.11ac于2013年底完成。不管怎樣，預計依照這些草案標準而設計的產(chǎn)品都會(huì )先于最終標準在市場(chǎng)上出現。

由于這兩個(gè)標準分別基于5GHz 和60 GHz，將會(huì )體現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(jìn)行介紹。

802.11ac與802.11n的技術(shù)區別

802.11ac的物理層是對802.11n標準的延續，而且要滿(mǎn)足后向兼容。下面我們來(lái)著(zhù)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(diǎn)，表3則列出了在802.11ac上主要擴展的方面。理論上說(shuō)802.11n在使用了40MHz帶寬和4個(gè)空間流可以達到最高600 Mbps的數據速率，盡管目前很多無(wú)線(xiàn)設備只能支持2路空間流。對于802.11ac來(lái)說(shuō)，理論上使用160 MHz帶寬，8個(gè)空間流，MCS9編碼，256QAM調制，最高速率能達到6.93 Gbps。而真正可以使用的數據速率大概是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，這是在美國地區針對新寬帶信道需求的一個(gè)頻譜的圖，其中也包括了一個(gè)80+80MHz的非連續帶寬的模式。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，只能選用不連續的兩個(gè)80 MHz帶寬組合成160 MHz的帶寬。這兩種情況都被列入標準中作為可選項。


圖1. IEEE 802.11 ac在美國地區的頻帶分布

802.11ac對于20和40 MHz帶寬的定義與802.11n是一致，即子載波和導頻數和它們的位置都不變，這也是這兩種標準相兼容所必須的條件。對于802.11ac標準中新的內容，不管是80MHz，160MHz還是80+80 MHz，與80 MHz有著(zhù)同樣的定義方法，只不過(guò)后兩者考慮是的是2個(gè)80 MHz信道的載波分配。

從幀結構上看，802.11ac的系統能夠探測接入設備的幀結構里所包含的前導碼(preample)和導頻信號 （pilot），來(lái)區分接入設備使用的是何種標準，并自適應，這就是后向兼容。802.11n和802.11ac的幀結構如下圖 （圖2）

圖2. 802.11n 與802.11ac的幀結構的對比

從這兩個(gè)幀結構里可以看到，最前面的3個(gè)部分：短碼部分(short training field-STF),長(cháng)碼部分(long training field-LTF)和信號部分(signal field-SIG) 是用來(lái)兼容現有標準的（即802.11a/b/g/n），也就是它們都有一個(gè)開(kāi)頭字母L，代表的Legacy的含義。第四個(gè)部份VHT-SIG-A第一個(gè)碼字是BPSK調制信號，而第二個(gè)碼字則旋轉了90°，為QBPSK，用來(lái)區分HT 和VHT模式。在802.11ac中的VHT-STF用來(lái)改善在MIMO傳輸中的自動(dòng)增益控制。緊跟在VHT-STF后面的是VHT-LTF，即長(cháng)訓練序列，它為接收機提供了在發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)之間進(jìn)行MIMO預估信道測算的比特。根據空分碼流的總數可以分為1,2,4,6 或者8 個(gè)VHT-LTF。在802.11ac中，1， 2 或者4個(gè)VHT-LTF進(jìn)行直接映射，又增加了6或者8個(gè)VHT-LTF用于最大8 個(gè)空分碼流的應用。VHT-SIG-B描述了所要傳輸的數據長(cháng)度、調制方式和編碼方式(即MCS)是單個(gè)用戶(hù)還是多用戶(hù)的模式。

802.11ac的測試需要

表4中列舉了802.11ac標準規范中對發(fā)射機和接收機的測試要求，這些要求跟802.11n很類(lèi)似，并增加了一些針對802.11ac的新的測試項目和規范。這些規范目前還在不斷地完善過(guò)程中，要了解最新的802.11ac的規范，請訪(fǎng)問(wèn)IEEE 的網(wǎng)站www.ieee802.org， 針對發(fā)射機的測試規范請參見(jiàn)章節22.3.19， 針對接收機的規范可參見(jiàn)章節22.3.20. 除此之外，還要考慮通過(guò)產(chǎn)品設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對設計和測量的挑戰

802.11ac的一些新的特性使得測試這些產(chǎn)品出現新的挑戰，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雜、精確。矢量信號分析設備，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，做出更好的調整和更改，同時(shí)還支持4x4的MIMO測量。

另一個(gè)測量挑戰出現在測量數字預失真（DPD），為了改善失真，需要產(chǎn)生和測量占用帶寬高出3-5倍帶寬范圍內的功率放大器的線(xiàn)性特征。安捷倫SystemVue W1716 DPD Builder軟件能夠提供一個(gè)自動(dòng)數字線(xiàn)性失真設計測試應用。該軟件產(chǎn)生一個(gè)激勵波形，下載到信號源，信號源產(chǎn)生的信號通過(guò)功率放大器后使用信號分析儀接受放大后的信號，并將信號解調出來(lái)，傳輸給測試電腦，軟件通過(guò)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. 數字預失真構建的系統配置圖

圖4. 數字預失真的實(shí)例

圖4顯示了一個(gè)802.11ac 80MHz信號經(jīng)過(guò)預失真的實(shí)例。綠色波形是發(fā)射的激勵信號，藍色波形是沒(méi)有經(jīng)過(guò)預失真處理的從功放輸出的信號，而紅色波形是經(jīng)過(guò)預失真的結果。

設計和研發(fā)中更具挑戰的是如何能產(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(shí)，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(guò)采樣的基本要求，在產(chǎn)生80MHz帶寬信號時(shí)，由于混疊現象會(huì )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(jìn)行過(guò)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(mǎn)足以上需求。

要產(chǎn)生160MHz的信號，則要利用一個(gè)寬帶的任意波形發(fā)射器（AWG），如Agilent 81180A, M8190A, 或者M(jìn)9330A，利用它們產(chǎn)生模擬的I/Q信號，送到一個(gè)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(jìn)行上變頻，然后通過(guò)RF頻率發(fā)射出來(lái)。同樣，利用這種方式也可以產(chǎn)生80+80 MHz的信號，即在兩個(gè)MXG或ESG里分別生成兩個(gè)80 MHz的信號，然后在合并在一起成為一個(gè)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(jìn)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(mǎn)足數字預失真的測試應用，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設計的測試檢驗也是另一挑戰。MIMO功能性的優(yōu)劣取決于對802.11設備的設計功能要求。多信道信號的產(chǎn)生和分析有助于更加深入地了解MIMO設備的內在性能，并且可以幫助設計工程師進(jìn)行故障查找和設計檢驗等。

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(jìn)行仿真并提供給接收天線(xiàn)。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(gè)信道的MIMO信號，具體包括每個(gè)信道的EVM和IQ測量結果，以及交叉矩陣，如頻率響應和信道特性等。Agilent 還提供了基于PXI系統的模塊化測試儀，包括M9392A PXI微波矢量測試模與M9202A數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(gè)信道-MIMO信號的測量結果

圖5顯示的是用Agilent 示波器和VSA軟件測試一個(gè)2-ch 802.11ac信號的結果。這個(gè)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（左下部的圖像）同時(shí)顯示的結果。

結束語(yǔ)
隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，和人們對使用無(wú)線(xiàn)設備的體驗的持續要求，對無(wú)線(xiàn)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(mǎn)足這些商業(yè)需求的同時(shí)，也增加對產(chǎn)品和保證規范各類(lèi)產(chǎn)品性能及互聯(lián)互通的國際標準的復雜性，對測試測量也提出了更高的挑戰。要讓VHT WLAN產(chǎn)品在主流市場(chǎng)上取得成功，綜合的考慮設計和測量能力是非常重要的。從系統仿真工具，到能夠支持80 和160 MHz信號帶寬和256QAM調制信號的產(chǎn)生和分析的測量?jì)x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)為設計指導方向的產(chǎn)品戰略將全面幫助企業(yè)達到降低測試成本、設計并生產(chǎn)出滿(mǎn)足商業(yè)用戶(hù)需求的高性?xún)r(jià)比的產(chǎn)品