如何最好地測試無線系統(tǒng)

作者：Jeffrey Fajutagana和Kiana Khey

本文詳細(xì)討論了無線系統(tǒng)測試中要考慮的重要因素， 特別是涉及定時和同步的系統(tǒng)級測試， 并探討了在一定的誤差范圍內(nèi)在發(fā)送器和接收器塊之間無線傳輸數(shù)據(jù)的必要因素。本文中討論的因素將有助于開發(fā)測試用例，以確定功能和非功能規(guī)范、系統(tǒng)邊界和錯誤，以確保高度可靠和同步的無線系統(tǒng)。

介紹

無線技術(shù)的快速發(fā)展開啟了無線通信的新時代。它幾乎無處不在，對通信、醫(yī)療保健、汽車和太空探索行業(yè)等不同領(lǐng)域的創(chuàng)新進(jìn)步產(chǎn)生了重大影響。它的市場已經(jīng)成熟，正在見證一個動態(tài)增長的時期。預(yù)計收入將從2019年的1，4，313億美元擴(kuò)大至2024年的5，5，194億美元，復(fù)合年增長率為31%。無線技術(shù)仍在不斷發(fā)展，并通過實(shí)現(xiàn)更高的精度、更高的運(yùn)營效率、更快的決策能力、更高的數(shù)據(jù)速率和更多的成本節(jié)約，繼續(xù)開辟更多的可能性。然而，這些設(shè)備功能的增加也增加了無線系統(tǒng)級測試環(huán)境中的復(fù)雜性。

精確的定時和同步是任何無線系統(tǒng)正常工作的基本要求。這些是在確定的容差范圍內(nèi)匹配系統(tǒng)中的發(fā)射器和接收器時鐘的過程。它們可確保最大的數(shù)據(jù)包完整性和優(yōu)化的數(shù)據(jù)流，并且在任何無線系統(tǒng)測試和開發(fā)中都應(yīng)始終高度考慮它們。然而，實(shí)現(xiàn)這些要求是困難的，因為時鐘源因其漂移而臭名昭著。即使是微秒級的微小漂移也會隨著時間的推移而累積，并可能導(dǎo)致系統(tǒng)失去同步。完美同步的無線系統(tǒng)只能 當(dāng)時鐘完美匹配時實(shí)現(xiàn)。但實(shí)際上，這是非常具有挑戰(zhàn)性的。漂移是時鐘的固有特征，會導(dǎo)致時鐘計數(shù)時間的差異，并最終導(dǎo)致不同步。

同步不良的系統(tǒng)可能會導(dǎo)致傳輸降級，從而降低正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的質(zhì)量。此外，它可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)完整性的損失，并可能導(dǎo)致操作失敗，這在可能影響人員健康、安保和安全的生命和安全關(guān)鍵應(yīng)用中非常重要。在這些應(yīng)用程序中造成負(fù)面影響可能會導(dǎo)致法律責(zé)任和客戶信譽(yù)損失。

由于對同步良好的系統(tǒng)的需求很大，因此根據(jù)精度和移動性等要求使用多種同步技術(shù)。這些是：

基于發(fā)送方-接收方的同步

圖1.基于發(fā)送方-接收方的同步。

基于接收器-接收器的同步

圖2.基于接收器-接收器的同步。

延遲測量同步

圖3.基于延遲測量的同步。

基于發(fā)送方-接收方的同步是一種雙向消息交換。傳感器網(wǎng)絡(luò)的定時同步協(xié)議 （TPSN） 就是一個例子。在 TPSN 中，網(wǎng)絡(luò)同步是通過在節(jié)點(diǎn)之間發(fā)送和接收同步脈沖數(shù)據(jù)包來完成的。每次傳輸?shù)臅r間偏移都帶有時間戳并計算以確定時鐘時間差，用于同步節(jié)點(diǎn)。

基于 SFD 的同步使用單向消息交換。引用廣播同步 （RBS） 使用此類型的同步。

延遲測量同步與基于接收機(jī)-接收機(jī)的同步一樣，也是一種單向消息交換;但是，它衡量延遲。一 這方面的例子是延遲測量時間同步（DMTS）。

后續(xù)章節(jié)將詳細(xì)討論使用 TPSN 的無線系統(tǒng)中使用的不同定時和同步參數(shù)，每個參數(shù)如何影響系統(tǒng)的整體功能，以及如何配置這些參數(shù)以確保系統(tǒng)更穩(wěn)定和同步。此外，在無線系統(tǒng)級測試期間，這些參數(shù)將有助于識別與定時和同步相關(guān)的錯誤和系統(tǒng)邊界。

定時和同步參數(shù)

同步參考

無線電使軟件能夠使用同步參考點(diǎn)準(zhǔn)確安排發(fā)送和接收命令。事件以與參考點(diǎn)的正偏移來調(diào)度，以允許發(fā)射器和接收器之間的同步。以下是無線系統(tǒng)中使用的常見參考點(diǎn)：

立即同步

同步參考點(diǎn)是在處理同步命令 （set_sync_ref（NOW）） 時設(shè)置的。

圖 4 顯示了相對于 （set_sync_ref（NOW）） 命令的引用集傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包。

圖4.立即同步。

同步 SFD

同步參考點(diǎn)設(shè)置在幀的開頭 （SOF），指示 檢測到有效的同步字。

發(fā)送命令 （set_sync_ref（SFD）） 會在發(fā)送命令后首次啟動幀檢測 （SFD） 后立即設(shè)置參考點(diǎn)。在圖5中，第二個傳輸數(shù)據(jù)包相對于SFD參考點(diǎn)傳輸。

圖5.同步 SFD。

同步最新

在此同步模式下，同步參考點(diǎn)每 SOF 設(shè)置一次。如圖 6 所示，對于收到的每個后續(xù)有效數(shù)據(jù)包同步字，同步參考將更新為最新 SOF 的時間戳。

圖6.同步最新。

使用這些同步模式可在兩個節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)同步。但是，重要的是要注意，硬件時鐘以其漂移而聞名，這會導(dǎo)致其頻率隨時間變化并可能導(dǎo)致不準(zhǔn)確。因此，時鐘在任何給定時間都可能不同。定期更新發(fā)送和接收時鐘的同步基準(zhǔn)可最大限度地減少偏斜和漂移的影響。

時間偏移

時間偏移量是當(dāng)前時間與時間開始的時間差 捕獲或同步引用。發(fā)送或接收時使用此參數(shù)。

最小時間偏移開始是傳輸所需的最短時間/ 接收命令以立即執(zhí)行。此參數(shù)的計算基于 關(guān)于 API 和無線電的固有延遲。小于此值可能會導(dǎo)致 調(diào)度錯誤，導(dǎo)致發(fā)送/接收事務(wù)失敗。

圖7.時間偏移。

圖 8 顯示了所用時間偏移小于最小值的情況 允許的時間，這導(dǎo)致命令調(diào)度到具有 已經(jīng)通過了。

圖8.調(diào)度超過設(shè)置偏移量的數(shù)據(jù)包。

執(zhí)行兩個連續(xù)的發(fā)送和接收命令（Tx-Tx 或 Rx-Rx）時， 第一個數(shù)據(jù)包的大小是確定時間偏移量的重要因素 可用于在兩者都使用 單次參考。隨著第一個數(shù)據(jù)包長度的增加，時間偏移量 的第二個命令也必須增加以確保事務(wù)成功。 使用小于允許的最小時間偏移量的時間偏移量將安排 第二個數(shù)據(jù)包仍在執(zhí)行，從而導(dǎo)致故障。 如圖 9 所示。

圖9.使用時間偏移的數(shù)據(jù)包調(diào)度。

最大時間偏移

最大時間偏移量用于防止在設(shè)置時間之外調(diào)度數(shù)據(jù)包。由于 對于時鐘漂移，調(diào)度數(shù)據(jù)包離同步參考太遠(yuǎn)可能會導(dǎo)致 計劃不準(zhǔn)確，這可能會導(dǎo)致信號檢測超時或 SOF 超時。 這些超時將在超時部分中詳細(xì)討論。

周轉(zhuǎn)時間

周轉(zhuǎn)時間定義為物理 （PHY） 層所需的時間 從接收模式更改為傳輸模式，反之亦然。周轉(zhuǎn)期間 時間，模擬射頻前端中的組件上電并穩(wěn)定， 這消耗了相當(dāng)多的時間。這個時間消耗變成 對于過程控制回路等低延遲反饋應(yīng)用更為關(guān)鍵 在遠(yuǎn)程控制機(jī)械臂或其他機(jī)械的工業(yè)系統(tǒng)中 參與其中。周轉(zhuǎn)時間僅適用于半雙工收發(fā)器。

當(dāng)用戶需要盡快發(fā)送傳輸數(shù)據(jù)包時使用周轉(zhuǎn)時間 因為 PHY 層在接收包后再次準(zhǔn)備就緒（反之亦然）。

圖 10 顯示了接收和發(fā)送兩個數(shù)據(jù)包。在這種情況下，命令 sched_rx_packet（0） 使收發(fā)器準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)包。在本例中，偏移量設(shè)置為 0，這意味著一旦 PHY 準(zhǔn)備就緒，收發(fā)器將立即開始接收數(shù)據(jù)包。在數(shù)據(jù)包接收期間，發(fā)送了sched_tx_packet（0）命令，導(dǎo)致PHY層切換到周轉(zhuǎn)狀態(tài)。軟件以完成接收作為參考點(diǎn)調(diào)度傳輸數(shù)據(jù)包，然后添加周轉(zhuǎn)時間值。

圖 10.具有周轉(zhuǎn)時間的數(shù)據(jù)包調(diào)度。

圖 11 顯示了在軟件中未設(shè)置周轉(zhuǎn)時間時會發(fā)生什么情況。由于未設(shè)置周轉(zhuǎn)值，因此調(diào)度程序?qū)⑾乱粋€數(shù)據(jù)包設(shè)置為在第一個數(shù)據(jù)包之后立即傳輸。調(diào)度程序不知道 PHY 層還不能發(fā)送/接收，因為它仍然必須更改其狀態(tài)，從而導(dǎo)致下一個數(shù)據(jù)包失敗。

圖 11.無周轉(zhuǎn)時間的數(shù)據(jù)包調(diào)度。

這表明設(shè)置周轉(zhuǎn)時間的重要性。沒有它，用戶將不知道在傳輸期間調(diào)度的接收（反之亦然）是否會成功執(zhí)行。周轉(zhuǎn)時間值應(yīng)基于 PHY 層從 PHY 傳輸狀態(tài)轉(zhuǎn)換到 PHY 接收狀態(tài)的持續(xù)時間。對于RF設(shè)備頻繁從發(fā)射切換到接收的情況，反之亦然，這種情況至關(guān)重要。

數(shù)據(jù)包間間隙

數(shù)據(jù)包間間隙是從前一幀的最后一位到下一幀的第一比特（均為空中）的時間。與周轉(zhuǎn)時間一樣，數(shù)據(jù)包間間隙用作在發(fā)送/接收另一個數(shù)據(jù)包時發(fā)送數(shù)據(jù)包的參考。區(qū)別在于，在相同類型的兩個數(shù)據(jù)包（Tx-Tx或Rx-Rx）之間使用數(shù)據(jù)包間間隙。收發(fā)器需要數(shù)據(jù)包間間隙，以便為下一個數(shù)據(jù)包準(zhǔn)備 PHY。

圖 12 顯示了兩個數(shù)據(jù)包，傳輸和傳輸。在這種情況下，命令 sched_tx_packet（0） 使收發(fā)器立即開始傳輸數(shù)據(jù)包。在第一個數(shù)據(jù)包尚未完成傳輸時發(fā)送另一個 sched_tx_packet（0） 命令會導(dǎo)致調(diào)度程序?qū)⑾乱粋€數(shù)據(jù)包設(shè)置為在當(dāng)前數(shù)據(jù)包完成傳輸后立即開始傳輸。調(diào)度程序?qū)?shù)據(jù)包間間隙值用作傳輸下一個數(shù)據(jù)包的參考。其值基于 PHY 的斜坡下降和爬升時間。這可確保 PHY 已準(zhǔn)備好執(zhí)行另一個數(shù)據(jù)包傳輸/接收。

圖 12.具有數(shù)據(jù)包間間隙的數(shù)據(jù)包調(diào)度。

圖 13 顯示了未設(shè)置數(shù)據(jù)包間間隙時的錯誤。調(diào)度程序?qū)⑾乱粋€數(shù)據(jù)包設(shè)置為在第一個數(shù)據(jù)包完成傳輸/接收后立即傳輸。但是，與周轉(zhuǎn)時間相同，調(diào)度程序不知道PHY仍未準(zhǔn)備好進(jìn)行另一次傳輸/接收。

圖 13.無數(shù)據(jù)包間間隙的數(shù)據(jù)包調(diào)度。

超時

在無線系統(tǒng)中，超時用于防止設(shè)備無限等待響應(yīng)。超時設(shè)置為設(shè)備等待有效響應(yīng)的允許時間段。如果在時間范圍內(nèi)未收到有效響應(yīng)，將報告錯誤。最常見的超時類型如下：

幀超時開始

檢測到無效同步時，會發(fā)生 SOF 超時。當(dāng) SOF 計時器在接收同步字之前過期時，也會發(fā)生 SOF 超時。

圖 14 顯示了在 SOF 計時器周期內(nèi)檢測到的有效同步地址，而圖 15 顯示了由于在分配的時間內(nèi)未檢測到有效同步地址而發(fā)生 SOF 超時的情況。

圖 14.使用正確的同步地址進(jìn)行數(shù)據(jù)包檢測。

圖 15.由于同步地址無效而導(dǎo)致的 SOF 超時錯誤。

信號檢測超時

當(dāng)在SD周期內(nèi)未檢測到有效的前導(dǎo)碼或計時器在接收前導(dǎo)碼之前過期時，將發(fā)生信號檢測超時。如圖 16 和圖 17 所示。

圖 16.由于數(shù)據(jù)包延遲而導(dǎo)致的 SD 超時錯誤。

圖 17.由于未檢測到數(shù)據(jù)包而導(dǎo)致的 SD 超時錯誤。

圖 18 顯示了在計時器中檢測到有效報頭的場景 時期;因此，未檢測到超時。

圖 18.沒有 SD 超時。

設(shè)置適當(dāng)?shù)某瑫r期限非常重要。超時不能太 短或太長。使用太短的超時將導(dǎo)致虛假檢測 其中有一個有效的數(shù)據(jù)包，但由于沒有足夠的時間檢測到它 到短超時。使用更長的超時將減少雜散的數(shù)量 超時，但會導(dǎo)致設(shè)備長時間保持活動狀態(tài)，這 意味著更多的電力消耗和浪費(fèi)。

結(jié)論

時間同步是無線系統(tǒng)中的一個重要元素，尤其是在 數(shù)據(jù)完整性是關(guān)鍵要求的應(yīng)用程序。有許多 可能影響系統(tǒng)同步的因素，并具有實(shí)質(zhì)性的 了解其時序參數(shù)的相關(guān)性和特性將 幫助工程師開發(fā)和執(zhí)行無線系統(tǒng)級測試 可靠的無線系統(tǒng)。

審核編輯：郭婷