Wi-Fi MIMO 802.11n的優(yōu)勢和面臨的挑戰(zhàn) - 全文

? ? ? ? 多年來，多徑接收是一項(xiàng)避免使用或者用來作補(bǔ)償使用的技術(shù)，這是因?yàn)楫?dāng)電磁波以直接或間接路徑到達(dá)接收天線時(shí)，它們相位不同，并且會(huì)互相干擾。在模擬電視時(shí)代，多徑信號(hào)會(huì)產(chǎn)生圖像重影；同時(shí)無線電信號(hào)也會(huì)受到信號(hào)衰落和信噪比變化的影響。

　　然而，在不增加信號(hào)帶寬的前提下，依靠多徑技術(shù)來提高數(shù)據(jù)流量在實(shí)際應(yīng)用中確是一種可行的方案——路徑越多，流量越大，被稱之為多進(jìn)/多出，或者 MIMO?？梢赃@樣理解：在相同的頻帶上，利用獨(dú)立的多個(gè)發(fā)射機(jī)和多個(gè)天線同時(shí)發(fā)送不同的數(shù)據(jù)流。在接收端，利用多個(gè)接收天線接收多個(gè)通過直接或間接路徑過來的復(fù)合信號(hào)。然后，采用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)，解調(diào)出不同的數(shù)據(jù)流上的數(shù)據(jù)（圖1）。

　　理論上，如果數(shù)據(jù)以80Mbps的流量進(jìn)入MIMO系統(tǒng)，它可以被分為兩個(gè)40Mbps的數(shù)據(jù)流，或者4個(gè)20Mbps的數(shù)據(jù)流，這2個(gè)或者4個(gè)數(shù)據(jù)流通過MIMO以較低的速度并行地發(fā)送，然后在接收端DSP解碼后進(jìn)行復(fù)合。因而，這看起來就像是一個(gè)80Mbps的數(shù)據(jù)流在一個(gè)帶寬僅適合傳輸 20Mbps或者40Mbps的信道中被傳輸。換句話說，我們在同一信道傳輸了更多的比特?cái)?shù)。事實(shí)上，我們并沒有傳輸翻番或者翻兩番的數(shù)據(jù)流量，這確實(shí)增加了信道的利用率。

　　不勞而獲？

　　更高的信道利用率不是平白無故的得來的，我們付出的代價(jià)是增加了復(fù)雜的MIMO設(shè)備，必須使用多個(gè)發(fā)射機(jī)，接收機(jī)和天線。此外，為了解碼接收到的多徑信號(hào)所組成的復(fù)合信號(hào)我們需增加DSP的功能。

　　但是 ，此項(xiàng)技術(shù)不只是簡單的增加發(fā)射機(jī)，接收機(jī)和天線。因?yàn)槊吭黾右粋€(gè)，相互之間的潛在干擾就會(huì)增加。例如：當(dāng)兩個(gè)或者多個(gè)發(fā)射機(jī)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)很可能會(huì)產(chǎn)生一定的串?dāng)_，除非它們有很好的隔離度。同樣，多個(gè)接收機(jī)也很有可能會(huì)產(chǎn)生本振信號(hào)相互泄漏，除非它們之間隔離得非常好。

　　因此，電路板的布局變得非常重要，不僅要減少相互之間的干擾，還要盡量避免群時(shí)延，相位不平衡等問題，同時(shí)，器件選型也變得更加復(fù)雜，因?yàn)槲覀儽仨毐ＷC發(fā)現(xiàn)并排除所有能引起干擾的可能。這樣的話就必須投入大量時(shí)間去驗(yàn)證，勢必會(huì)增加總的開發(fā)成本。

　　Wi-Fi MIMO-802.11n 草案2.0

　　迄今為止，Wi-Fi MIMO 還沒有得到802.11n標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)可。因此，現(xiàn)有的大多數(shù)Wi-Fi MIMO設(shè)備被冠以“草案n認(rèn)證”，這表明它們符合802.11n草案的規(guī)范（雖然期間還有其他過渡型草案，但是認(rèn)證還是基于草案2.0的）。最終認(rèn)可時(shí)間預(yù)計(jì)會(huì)在2009年。然而，最終認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)和草案2.0相比應(yīng)該不會(huì)有太大的出入，因此一些公司已經(jīng)提供“草案n”的產(chǎn)品。

　　到目前為止，在與802.11a，b和 g的兼容性方面，還沒有出現(xiàn)多大的問題；由于最初的一系列產(chǎn)品是針對消費(fèi)者而非企業(yè)用戶，而消費(fèi)者對標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可基本不關(guān)心，他們更希望的是Wi-Fi的覆蓋范圍和傳輸速度的改善。目前為止，這對企業(yè)來說，還是有相當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)的。

　　IEEE 802.11a和g在空中的額定速率是54Mbps，在實(shí)際使用中的速率是25Mbps（如：在MAC服務(wù)接入點(diǎn)的實(shí)際速率）。802.11n在空氣中的額定傳輸速率是200Mbps，實(shí)際上大約可以達(dá)到100Mbps。4倍速率提升的預(yù)期，足以讓基于802.11n標(biāo)準(zhǔn)的無線連接能夠輕松應(yīng)付各類應(yīng)用，對邊緣服務(wù)來說，最好情況下能以802.11a和g來傳輸（如：視頻流）。

　　開發(fā)測試的挑戰(zhàn)

　　如前所述，開發(fā)802.11n設(shè)備不是簡單的復(fù)制發(fā)射機(jī)，接收機(jī)和天線。每增加一個(gè)發(fā)射機(jī)/接收機(jī)，它們相互之間的干擾就會(huì)增加。這意味著，開發(fā)測試必須能夠識(shí)別在哪些地方，干擾會(huì)導(dǎo)致信號(hào)與802.11n標(biāo)準(zhǔn)相悖。

　　例如，如果一個(gè)天線發(fā)射的信號(hào)耦合到另一個(gè)發(fā)射機(jī)的輸入端，這將使第二個(gè)發(fā)射機(jī)的發(fā)射信號(hào)惡化（圖2）。

　　同樣，如果相互干擾存在于接收機(jī)之間，也將使接收信號(hào)惡化（圖3）。

　　如果在其它的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都關(guān)閉的情況下，對發(fā)射機(jī)和接收機(jī)進(jìn)行單獨(dú)測試，不可能得到實(shí)際的兼容性能。為了測量實(shí)際的兼容性能，一個(gè)Wi-Fi MIMO設(shè)備需要為每個(gè)發(fā)射機(jī)配備單獨(dú)的VSA（例如：一個(gè)NxN測試方案——圖4）。

　　同樣，測試多個(gè)接收機(jī)也需要有獨(dú)立的信號(hào)源同時(shí)發(fā)送不同的數(shù)據(jù)包，這是一種價(jià)格昂貴的測試方案。

　　Wi-Fi MIMO的單盒測試

　　有一種成本較低的MIMO測試的替代方案，采用單盒和創(chuàng)新的開關(guān)適配器（圖5）。這樣，可以讓所有的發(fā)射機(jī)同時(shí)發(fā)射數(shù)據(jù)，同時(shí)只允許一路信號(hào)進(jìn)入到一個(gè)測試裝置的射頻輸入口和單獨(dú)的VSA。這個(gè)信號(hào)由于受到來自其他發(fā)射機(jī)信號(hào)的干擾，從而測得的此信號(hào)矢量誤差幅度（EVM）將會(huì)是實(shí)際值。連續(xù)依次選通每個(gè)發(fā)射機(jī)，當(dāng)每一路發(fā)射信號(hào)處于可能的干擾下并工作在最大負(fù)荷下（如：所有的功放滿負(fù)荷工作）時(shí)，我們就可以測量每個(gè)發(fā)射機(jī)的EVM值。

　　雖然這不是一個(gè)全面的NxN解決方案，速度也不快，但是這個(gè)測試過程可以找出不利的耦合問題，并且驗(yàn)證發(fā)射機(jī)是否正常工作。

　　另一種可選的發(fā)射機(jī)測試方法是使用一個(gè)單盒測試裝置來抓取所有DUT發(fā)射機(jī)發(fā)出的復(fù)合信號(hào)并測量此復(fù)合信號(hào)的EVM（圖6）。相對于連續(xù)測試，這種方法的分析更快捷。然而，它并不提供單發(fā)射機(jī)的EVM測量。

　　復(fù)合信號(hào)的EVM，功率譜密度和幅度隨時(shí)間變化的情況可被用來判定是否所有的發(fā)射機(jī)工作正常。雖然它不能顯示是哪一個(gè)發(fā)射機(jī)不正常，但是這對于快速測量和測試質(zhì)量的保證，已經(jīng)是綽綽有余了。

　　多端口適配器還能被用于接收機(jī)測試。這次是一個(gè)VSG信號(hào)同時(shí)傳送到DUT的所有接收端口（圖7）。

　　如果有偏差，這表明其中的一個(gè)或者多個(gè)存在問題；如果沒有偏差，可以認(rèn)為全部是好的。誤包率（PER）測試在這里不起作用，因?yàn)榧词挂粋€(gè)接收機(jī)工作不正常，由于受到其他接收機(jī)的影響，PER也可能小于正常值。這個(gè)測試必須確保有相當(dāng)高的靈敏度，在保證質(zhì)量的前提下，是一種快速鑒別接收機(jī)是否工作的方法。

　　成本和折衷

　　隨著當(dāng)今無線技術(shù)的發(fā)展，無線產(chǎn)品的產(chǎn)量很大并且價(jià)格低廉。這對價(jià)值鏈的開發(fā)者（如：芯片廠商和ODM廠商）產(chǎn)生了較大的壓力，他們會(huì)提出低成本但同時(shí)又能快速轉(zhuǎn)量產(chǎn)的解決方案。開發(fā)商不會(huì)花時(shí)間用時(shí)序分析儀器對他們設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行測試。他們需要的是僅捕捉少量數(shù)據(jù)就能提供快速全面分析的測試系統(tǒng)。

　　在確保產(chǎn)品質(zhì)量方面，不需要去驗(yàn)證設(shè)計(jì)，因?yàn)轵?yàn)證設(shè)計(jì)是在研發(fā)階段就做好的。這里，測試僅是去找出由于生產(chǎn)而非設(shè)計(jì)上的原因所產(chǎn)生的不合格的產(chǎn)品。雖然沒有強(qiáng)制規(guī)定研發(fā)的測試架構(gòu)要和生產(chǎn)的測試架構(gòu)一樣，但是如果兩者有相同的平臺(tái)，這將有利于對發(fā)生的問題追根溯源，說不定這是個(gè)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤呢？可以查看以前的測試記錄，返回去尋找問題根源，而不必花很大精力在查找兩個(gè)或者多個(gè)測試架構(gòu)之間的差異上面。

　　毫無疑問，隨著MIMO的普及和數(shù)量的增加，減少測試時(shí)間和限制生產(chǎn)成本將一直貫穿于MIMO的研發(fā)和生產(chǎn)階段。