Wi-Fi 6的關(guān)鍵射頻技術(shù)簡(jiǎn)介及Wi-Fi 7熱點(diǎn)介紹

1. 802.11ax關(guān)鍵技術(shù)簡(jiǎn)介

802.11ax協(xié)議（也稱Wi-Fi 6，Wi-Fi 5指802.11ac）是為了滿足高密度場(chǎng)景下用戶速率和體驗(yàn)需求而提出的。類似于3GPP 5G NR中的eMBB應(yīng)用場(chǎng)景，其目的是提升高密集場(chǎng)景的用戶速率，從而獲得更好的用戶峰值數(shù)據(jù)體驗(yàn)。2013年3月TG（Task Group）工作組成立，2014年開始研究802.11ax標(biāo)準(zhǔn)，2016年提出802.11ax的初始草案，并于2019年正式發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)。

表1. 802.11ax的物理層參數(shù)相對(duì)于前兩代技術(shù)的主要不同點(diǎn)

相對(duì)于前幾代的技術(shù)，802.11ax的新增功能特點(diǎn)主要有如下：

(1). 擴(kuò)展了信號(hào)的覆蓋范圍。由于802.11ax標(biāo)準(zhǔn)每符號(hào)持續(xù)時(shí)間從原來的3.2us提升到12.8us，更長(zhǎng)的發(fā)送時(shí)間可降低終端丟包率和抗多徑衰落；此外802.11ax最小可僅使用2MHz頻寬進(jìn)行窄帶傳輸，有效降低頻段噪聲干擾，提升了終端接受靈敏度，增加了覆蓋距離。

(2). 調(diào)制方式增加1024QAM，提出MCS10和MCS11這兩種高階編碼組合，單流空口吞吐量提升。802.11ac采用的256QAM，每個(gè)符號(hào)傳輸8bit數(shù)據(jù)（28=256）。802.11ax采用1024QAM，每個(gè)符號(hào)位傳輸10bit數(shù)據(jù)（210=1024）。從8到10的提升是25%，也就是相對(duì)于802.11ac來說，802.11ax的單條空間流數(shù)據(jù)吞吐量又提高了25%?？湛谕掏铝?1/(符號(hào)+保護(hù))時(shí)間×編碼效率×調(diào)制階數(shù)×有效子載波數(shù)量=1/(12.8us+0.8us)×5/6×10×980≈600Mbit/s

(3). 最大空間流數(shù)量8，同時(shí)引入上行MU-MIMO。相比于802.11ac協(xié)議，上行不一定再需要獨(dú)立對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，上下行都可以使用MU-MIMO模式。

圖1. 下行MU-MIMO 上行MU-MIMO

(4). 效仿3GPP LTE，11ax引入了OFDMA多址技術(shù)，將最小的子信道稱為“資源單位（Resource Unit，簡(jiǎn)稱RU）”。不同的用戶使用不同的RU進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，從總的時(shí)頻資源上來看，每一個(gè)時(shí)間片上，有多個(gè)用戶同時(shí)發(fā)送，信道的利用率得到了提高。

圖2.OFDM和OFDMA實(shí)現(xiàn)多用戶接入示意圖

(5). 802.11協(xié)議是采用載波偵聽沖突檢測(cè)（CSMA/CA）作為MAC層的協(xié)議，這表示在同一個(gè)時(shí)間只有一個(gè)無線電設(shè)備可以在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸。如果一個(gè)802.11終端檢測(cè)到另外一個(gè)802.11終端的傳輸信號(hào)(即PHY層的Header)，其會(huì)推遲傳輸。

類似于WCDMA中區(qū)分基站的擾碼，802.11ax中引入了一種新的同頻傳輸識(shí)別機(jī)制，叫BSS Coloring著色機(jī)制，在PHY報(bào)文頭中添加BSS color字段對(duì)來自不同BSS的數(shù)據(jù)進(jìn)行“染色”，為每個(gè)通道分配一種顏色，該顏色標(biāo)識(shí)一組不互相干擾的基本服務(wù)集（BSS），接收端可以及早識(shí)別同頻傳輸干擾信號(hào)并停止接收，避免浪費(fèi)收發(fā)機(jī)時(shí)間。如果顏色相同，則認(rèn)為是同一BSS內(nèi)的干擾信號(hào)，發(fā)送將推遲；如果顏色不同，則認(rèn)為兩者之間無干擾，兩個(gè)Wi-Fi6設(shè)備可同信道同頻并行傳輸。以這種方式設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)，那些具有相同顏色的信道彼此相距很遠(yuǎn)，它們之間也不太可能會(huì)相互干擾。

圖3. 同信道干擾擁塞 同信道在顏色相同時(shí)才干擾擁塞

(6). 協(xié)議兼容性：802.11ax要求與以往的802.11a/b/h/n/ac都進(jìn)行兼容。802.11ax協(xié)議向前兼容802.11n和802.11a，因此其幀格式里面，除了數(shù)據(jù)之外的前導(dǎo)，包含兼容802.11n的常規(guī)前導(dǎo)和11ax的高效前導(dǎo)。常規(guī)前導(dǎo)包含L-STF（短訓(xùn)練字段）、L-LTF（長(zhǎng)訓(xùn)練字段）和L-sig字：

1) L-STF主要用于數(shù)據(jù)同步；

2) L-LTF主要用于粗頻偏估計(jì)；

3) L-sig里面則包含一些用戶和幀的數(shù)據(jù)。L-sig一個(gè)很重要的作用就是區(qū)分常規(guī)幀和802.11ax幀，L-sig重復(fù)則表示802.11ax幀，反之則是常規(guī)幀，它還有一個(gè)重要的作用就是告訴基站發(fā)射機(jī)的編碼方式和幀長(zhǎng)。

2. 802.11ax時(shí)域幀格式

802.11ax根據(jù)不同的用途，時(shí)域可以分為4種幀格式。這四種HE PPDU（Presentation Protocol Data Unit，表示協(xié)議數(shù)據(jù)單元）包括HE SU-PPDU（單用戶）、HE MU-PPDU（多用戶）、HE Extended Range SU-PPDU（擴(kuò)展的單用戶協(xié)議）以及基于Trigger的HE PPDU。高效的前導(dǎo)則包含HE-SIG-A、HE-SIG-B（可選）、HE-STF和HE-LTF。其中HE-LTF主要是用來做信道估計(jì)和MIMO檢測(cè)。

單用戶的HE PPDU幀格式定義如圖4所示，與擴(kuò)展的HE Extended Range SU-PPDU不同的是該格式的HE-SIG-A不會(huì)重復(fù)。

圖4. HE SU-PPDU幀格式

多用戶的HE PPDU幀格式定義如圖5所示，該P(yáng)PDU格式不是Trigger幀的響應(yīng)，而且還應(yīng)該包括一個(gè)HE-SIG-B字段。

圖5. HE MU-PPDU幀格式

HE Extended Range SU-PPDU幀格式如圖6所示，作為HE SU-PPDU的擴(kuò)展版本，它的HE-SIG-A長(zhǎng)度變成了以前的兩倍為16us，實(shí)際上是對(duì)HE-SIG-A做了重復(fù)。

圖6. HE Extended Range SU-PPDU幀格式

基于Trigger的HE PPDU幀格式如圖7所示，這種格式主要作為Trigger幀的相應(yīng)，與HE SU-PPDU不同的是它的HE-STF的持續(xù)時(shí)間變成了8us而非4us。

圖7. 基于Trigger的HE PPDU幀格式

總結(jié)各字段具體的功能見表2。

表2 幀格式各字段含義和功能

3. 802.11ax頻域資源單位

OFDMA頻率資源分配是資源單位(RU)，可以包含26、52、106、242、484或996數(shù)量的子載波。因此802.11ax中最小RU為包含26個(gè)子載波的2MHz帶寬。除了信道中央位置的直流載波，資源單位是相鄰和連續(xù)的。26，52，106，242，484和996 RU的位置依賴于信道帶寬的資源單位，如圖8所示(20MHz和40MHz)。其中藍(lán)色部分是有效子載波，其它顏色是導(dǎo)頻（橙黃色）、直流（DC）和無效子載波（edge）。資源單位雖然本身是固定的，但可以有不同大小的RU的混合組合。

圖8. RU在20MHz和40MHz帶寬信號(hào)中的位置示意圖

表3. 不同帶寬信號(hào)包含的RU數(shù)量

4.下一代EHT（Wi-Fi 7）熱點(diǎn)技術(shù)介紹

隨著4k和8k視頻等更先進(jìn)技術(shù)的出現(xiàn)，吞吐量需求將持續(xù)增長(zhǎng)到幾十Gbps。同時(shí)，要求高吞吐量和低延遲的新應(yīng)用程序也在大量涌現(xiàn)。其中，AR（Augmented Reality）/VR（Virtual Reality）、游戲、遠(yuǎn)程辦公和云計(jì)算等傳輸場(chǎng)景對(duì)吞吐量和延時(shí)的要求最為嚴(yán)格。2018年5月，IEEE成立了極高吞吐量（Extremely High Throughput，簡(jiǎn)稱EHT）無線局域網(wǎng)WLAN課題興趣小組（Topic Interest Group，TIG），開啟下一代Wi-Fi 7的研究工作,主要針對(duì)峰值吞吐量提升和時(shí)延改進(jìn)。目前EHT的研究趨勢(shì)主要有以下關(guān)鍵技術(shù)：

(1). 320M帶寬和更高效的非連續(xù)頻譜利用率

802.11ax已經(jīng)覆蓋了6GHz頻段，利用6GHz頻段傳輸是提升峰值吞吐量的途徑之一。6GHz頻段在5.925GHz和7.125GHz之間，可用帶寬是5GHz的兩倍，320M大帶寬被引入為AP在6GHz上的可選特性，160M為6GHz上的必選特性。雖然6GHz的引入能夠明顯提升系統(tǒng)吞吐量。

(2). 16空間流和增強(qiáng)的MIMO技術(shù)

802.11ax使多天線AP能夠通過多用戶MIMO在空間上復(fù)用最多8個(gè)下行和上行設(shè)備。業(yè)界認(rèn)為有必要進(jìn)一步提高AP的空間復(fù)用能力，容納最多16個(gè)空間流?？臻g流數(shù)提升至原來的兩倍可使EHT頻譜效率提升兩倍。這種空間復(fù)用增益會(huì)受到信道探測(cè)開銷的影響，而信道探測(cè)過程對(duì)于獲取準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息(channel state information，CSI)至關(guān)重要。

(3). 更高階的調(diào)制方式

802.11ax中最高調(diào)制等級(jí)為1024QAM，EHT可能采用更高階的調(diào)制等級(jí)，如4096QAM，它可以在11ax的基礎(chǔ)上增加20%左右的最大吞吐量，只能應(yīng)用于波束形成的情況下。為了獲得更好的性能，可以考慮非均勻星座，但接收機(jī)復(fù)雜度較高。

5. 802.11ax發(fā)射測(cè)量項(xiàng)目

5.1 發(fā)射平均功率

該測(cè)試項(xiàng)很好理解，主要測(cè)試11ax設(shè)備發(fā)送信號(hào)的最大功率。由于最大容許功率是由國家和地區(qū)的法規(guī)規(guī)定，因此必須參考目的地的相關(guān)法規(guī)。此外，有些11ax設(shè)備在首次嘗試與對(duì)應(yīng)產(chǎn)品連接時(shí)會(huì)輸出最大功率，因此需要從連接嘗試開始時(shí)測(cè)量發(fā)射功率。11ax信號(hào)在時(shí)域上通常是突發(fā)信號(hào)。因此，在使用信號(hào)與頻譜分析儀進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需要使用觸發(fā)和時(shí)間門。本文使用R&S的FSW進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如下圖9中mean power所示的平均功率。

圖9.平均功率和載波泄漏測(cè)試結(jié)果

5.2 頻譜發(fā)射模版

802.11ax設(shè)備需要滿足不同頻率偏離發(fā)射信號(hào)的中心頻率時(shí)允許的輸出電平，稱為頻譜發(fā)射模版，用x軸上的頻率和y軸上的功率表示。頻譜儀測(cè)量802.11ax頻譜發(fā)射模板需要使用100kHz分辨率帶寬(RBW)和7.5kHz視頻帶寬(VBW)。20MHz、40MHz、80MHz、160MHz的頻譜發(fā)射模版要求如圖10所示。頻率軸上的相對(duì)于載波的位置A、B、C、D的值如表中所示。模版幅度以相對(duì)值dBr或dB為單位，即相對(duì)于信號(hào)的最大譜密度。使用R&S的FSW進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如下圖10所示。

圖10.頻譜發(fā)射模板測(cè)試要求和結(jié)果

5.3 發(fā)射載波頻率誤差、符號(hào)時(shí)鐘頻率誤差

載波頻率誤差主要評(píng)估發(fā)射中心頻率（載波頻率）誤差是否超出了標(biāo)準(zhǔn)所確定的誤差范圍。當(dāng)中心頻率超過誤差時(shí)，可能超過接收信號(hào)的容忍能力，并且可能因?yàn)猷彽乐丿B而出現(xiàn)信號(hào)互擾。

符號(hào)調(diào)制周期的倒數(shù)值稱為符號(hào)時(shí)鐘頻率。隨著此誤差增大，發(fā)送和接收端之間的時(shí)序會(huì)錯(cuò)開，從而使接收變得困難。頻率誤差都以ppm（百萬分之一）為單位表示。使用R&S的FSW進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如下圖11中center frequency error和symbol clock error所示。

圖11.載波頻率誤差、符號(hào)時(shí)鐘頻率誤差測(cè)試結(jié)果

5.4 發(fā)射機(jī)本振泄漏

由于低成本的發(fā)射機(jī)幾乎都采用直接上變頻的方式，該測(cè)試項(xiàng)測(cè)量發(fā)射機(jī)的本振泄漏。如果本振泄漏功率太高，接收設(shè)備內(nèi)接收器部分中的LNA（低噪聲放大器）或接收器元件可能會(huì)出現(xiàn)飽和，從而可能影響接收性能。802.11ax規(guī)范要求測(cè)量本振泄漏采用的分辨率帶寬為78.125kHz，本振泄漏的功率不應(yīng)超過-20dbm或每天線發(fā)射功率減去32 dB中的最大值。圖12中的給出了該測(cè)試項(xiàng)的要求。測(cè)試結(jié)果如圖9中的IQ offset結(jié)果所示。

圖12.載波頻率誤差、符號(hào)時(shí)鐘頻率誤差測(cè)試結(jié)果

5.5 發(fā)射機(jī)頻譜平坦度

該項(xiàng)測(cè)量OFDM子載波的平均功率，以保證功率偏差在規(guī)定的范圍內(nèi)。頻譜平坦度測(cè)試通過測(cè)量一個(gè)子載波范圍的平均能量，來驗(yàn)證在這個(gè)范圍內(nèi)沒有任何子載波的能量偏離超過指定的值。

下圖13給出了不同帶寬頻譜平坦度規(guī)范。例如測(cè)量20MHz帶寬的頻譜平坦度，子載波從2到84和-84到-2的能量應(yīng)該在+4dB的藍(lán)色實(shí)線范圍內(nèi)。帶外子載波能量不包括在計(jì)算中，因?yàn)閭鬏?a href="http://ttokpm.com/tags/濾波器/" target="_blank">濾波器可能在帶邊有很高的衰減，這將扭曲Ei,avg平均值。

圖13.發(fā)射機(jī)頻譜平坦度測(cè)試要求和結(jié)果

5.6 發(fā)射機(jī)星座誤差、發(fā)射機(jī)調(diào)制精度（EVM）測(cè)試

802.11ax標(biāo)準(zhǔn)中分兩部分描述了信號(hào)質(zhì)量EVM（誤差矢量幅度）有關(guān)的測(cè)量?！鞍l(fā)射星座誤差”描述了計(jì)算EVM的具體方法?！鞍l(fā)射調(diào)制精度測(cè)試”描述了EVM的設(shè)備規(guī)范。

HE SU PPDU、HE extended range PPDU和HE MU PPDU的調(diào)制方式為MCS 0-9的EVM測(cè)試指標(biāo)與IEEE802.11ac相同。對(duì)于新增的MCS10和11,如果幅度漂移補(bǔ)償在測(cè)試設(shè)備中啟用，EVM指標(biāo)為<-35dB；如果幅度漂移補(bǔ)償禁用，EVM指標(biāo)為<-32dB。測(cè)量EVM的分析儀的殘余EVM應(yīng)比-35dB小10dB，能夠測(cè)量理想1024 QAM小于-45dB。下圖是從R&S FSW信號(hào)和頻譜分析儀測(cè)量到160MHz 1024QAM的11ax信號(hào)EVM為-52.9dB。

圖14. EVM測(cè)試結(jié)果

6. 802.11ax接收測(cè)量項(xiàng)目

6.1 接收機(jī)最小輸入電平靈敏度

該項(xiàng)評(píng)估11ax接收機(jī)是否可以接收錯(cuò)誤率小于容差范圍內(nèi)的微弱信號(hào)。錯(cuò)誤率通常用誤包率（PER）表示。PER是指DUT無法接收的數(shù)據(jù)包（錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包）相對(duì)于發(fā)射的固定數(shù)量數(shù)據(jù)包的百分比。測(cè)量要求逐漸改變接收機(jī)的輸入信號(hào)功率并繪制PER圖表，以找出當(dāng)PER低于某個(gè)門限值（10%）時(shí)所對(duì)應(yīng)的功率，也就是最小功率（最小輸入電平靈敏度）。如果此最小輸入電平靈敏度低于11ax標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的值，則表明11ax產(chǎn)品滿足標(biāo)準(zhǔn)。在通信過程中，最小輸入電平靈敏度由多種參數(shù)決定，例如調(diào)制方式、編碼率、信道間隔等。如表4所示。

表4. 不同調(diào)制方式、編碼率和帶寬對(duì)應(yīng)的靈敏度測(cè)試指標(biāo)

6.2 鄰道抑制度

該測(cè)試評(píng)估當(dāng)11ax接收機(jī)接收信號(hào)的相鄰信道出現(xiàn)和有用信號(hào)相同帶寬的干擾信號(hào)時(shí)（如圖15），接收機(jī)對(duì)干擾的抑制能力。輸入接收機(jī)的有用信號(hào)功率比表4中的最小靈敏度高3dB。此時(shí)干擾信號(hào)電平會(huì)在略高于最小輸入電平靈敏度的基礎(chǔ)上不斷增大，當(dāng)接收機(jī)的PER接近為10%時(shí)，測(cè)量接收與干擾信號(hào)電平之間的差值，即為鄰道抑制度。

圖15.鄰道抑制度測(cè)試示意圖

6.3 非鄰道抑制度

上一節(jié)中，干擾信號(hào)處于相鄰信道。此測(cè)試項(xiàng)中干擾信號(hào)處于非相鄰信道（即相鄰信道的相鄰信道，也稱為隔道），如圖16所示。非相鄰信道抑制度的測(cè)試過程是與上一節(jié)類似。

圖16.非鄰道抑制度測(cè)試示意圖

6.4 接收機(jī)最大輸入電平

該項(xiàng)測(cè)量評(píng)估接收機(jī)最大輸入電平。與6.1節(jié)的測(cè)試最小輸入靈敏度電平過程相反，輸入接收機(jī)的功率會(huì)逐漸增大，接收機(jī)的射頻前端電路會(huì)逐漸進(jìn)入飽和，當(dāng)PER增大到10%時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電平即為接收機(jī)最大輸入電平。

7.動(dòng)態(tài)EVM（Dynamic EVM）

802.11ax發(fā)射電路功率的很大一部分是功率放大器（Power Amplifier，PA）所消耗的，因此采用多種技術(shù)以減少PA的功耗、提高效率很有必要。

為了最大化功放效率，PA必須能工作在快速的開啟與關(guān)閉模式下。通過一個(gè)ON–OFF開關(guān)信號(hào)來控制直流電源對(duì)PA進(jìn)行供電和斷電，即可快速開啟或關(guān)閉PA。當(dāng)這個(gè)信號(hào)處于開啟時(shí)PA就工作，當(dāng)這個(gè)信號(hào)關(guān)閉時(shí)PA就關(guān)閉。這個(gè)信號(hào)稱為PA“使能信號(hào)”，它其實(shí)是控制PA直流供電的一個(gè)控制信號(hào)。

圖17顯示了在50%占空比的使能信號(hào)下，PA使能（PA EN）相關(guān)時(shí)序與RF信號(hào)的關(guān)系。圖中PA EN方波與RF信號(hào)之間的時(shí)間相對(duì)延遲為2.0μs。

圖17. PA使能（PA EN）信號(hào)與RF信號(hào)的關(guān)系

由于PA的供電、斷電過程會(huì)造成暫態(tài)及熱效應(yīng)，從而降低發(fā)射機(jī)性能，因此需要測(cè)量動(dòng)態(tài)EVM的指標(biāo)。動(dòng)態(tài)EVM通過矩形波施加于PA EN以模仿發(fā)射功放開關(guān)動(dòng)態(tài)工作來測(cè)量EVM。為了評(píng)估PA在節(jié)能模式下的工作能力，通常使用矢量信號(hào)源、矢量信號(hào)分析儀配合任意波形發(fā)生器評(píng)估動(dòng)態(tài)EVM。測(cè)試的組網(wǎng)圖和實(shí)測(cè)照片如下圖18所示。

圖18.動(dòng)態(tài)EVM的測(cè)試組網(wǎng)圖和實(shí)物連線圖

測(cè)試過程如下：

1) 使用任意波形發(fā)生器產(chǎn)生具有指定占空比的矩形波或方波信號(hào)，輸出給PA的作為供電和斷電的控制信號(hào)。

2) 任意波形發(fā)生器同時(shí)輸出給矢量信號(hào)源的trigger端口，觸發(fā)信號(hào)源輸出射頻激勵(lì)信號(hào)，使11ax激勵(lì)信號(hào)的時(shí)間與PA的工作時(shí)間同步。

3) PA輸入連接矢量信號(hào)源，輸出連接到信號(hào)分析儀，并使用信號(hào)分析儀測(cè)量EVM。

4) 繪制Power vs. EVM關(guān)系圖，如下圖19所示。動(dòng)態(tài)EVM導(dǎo)致EVM性能降低是由于PA的瞬態(tài)響應(yīng)影響了射頻信號(hào)的起始時(shí)刻包絡(luò)和終止時(shí)刻包絡(luò)，并影響了信道估計(jì)。經(jīng)實(shí)測(cè)表明，具有50%占空比方波的動(dòng)態(tài)EVM比靜態(tài)EVM會(huì)較差0.2%左右。

圖19.動(dòng)態(tài)EVM的測(cè)試結(jié)果和靜態(tài)EVM測(cè)試結(jié)果對(duì)比

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