作者:艾法斯公司
簡介
802.11 是電氣和電子工程師協(xié)會 (IEEE) 制定的無線局域網(wǎng) (WLAN) 系列標準,主要用于 2.4 和 5 GHz 免牌照頻段本地無線通信。802.11 系列標準得到國際廣泛認可,并在 WiFi 聯(lián)盟支持下日益普及,該協(xié)會是促進 WLAN 技術和 802.11 標準產(chǎn)品認證的行業(yè)組織。
802.11 標準包括物理層和介質(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充和修訂,而大部分 MAC 基本功能保持不變。802.11 標準經(jīng)過多年發(fā)展,滿足各種 WLAN 要求。WLAN 設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。
由于回程 (如 xDSL、光纖) 傳輸速度提高,以及高清 (HD) 內(nèi)容流和即時文件傳輸?shù)刃枰邤?shù)據(jù)速率應用的出現(xiàn),IEEE 發(fā)布了兩個新方案 (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 物理層標準。本案重點介紹802.11ac。
表1: IEEE 802.11 物理層標準對比
802.11ac,也稱為甚高吞吐量 (VHT),是 802.11n 的繼任標準,后者稱為高吞吐量 (HT)。與 WLAN 的演進過程一樣,802.11ac 全面向后兼容以前的標準。802.11ac 任務組 TGac 于2008年成立,開始開發(fā) 802.11ac,修訂 IEEE 802.11-2009。這個標準預計2012年底完成,2013年 802.11 工作組結束審批 2013。
本文介紹最新制定的 802.11ac,分析此類設備的生產(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、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用,并隨之定義了六種使用模式。這是 802.11ac 制定的基礎。使用模式中以數(shù)字家庭為重點。事實上,由于 802.11ac 支持高數(shù)據(jù)速率,家庭環(huán)境中可以并行運行多種高帶寬應用,如高清視頻流、即時文件傳輸、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。802.11ac 芯片能效優(yōu)于基于前代標準的芯片。這是智能手機等電池供電設備的重要要求,用戶可以極大地降低 WLAN 功耗,從而支持新的應用功能和使用環(huán)境,如蜂窩 IP 數(shù)據(jù)卸載。
表2: 802.11ac 使用模式
802.11ac 性能目標
為支持新應用和未來試驗設備,Tgac 定義了 802.11ac 三種主要性能和功能要求:
A. 系統(tǒng)性能
802.11ac 可實現(xiàn)最大單站吞吐量和多站總計吞吐量,分別達到 500 Mbps 和 1 Gbps 以上。這是 MAC 數(shù)據(jù)服務接入點的測量結果,5 GHz 頻段通道帶寬不大于 80 MHz。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。
B. 向后兼容
802.11ac 修訂標準向后兼容工作在 5 GHz 頻段的 802.11a 和 802.11n 設備。
C. 共存
802.11ac 修訂標準具有 802.11ac 與 802.11a/n 設備之間共存機制。
有必要指出,802.11ac 僅需向后兼容并與 802.11a 和 802.11n 共存。這是因為 802.11ac 設備實際上僅在 5 GHz 頻段工作。
802.11ac 技術細節(jié)
為保證向后兼容和共存,802.11ac 在可能的情況下重用 802.11n 技術規(guī)格。例如,802.11ac 采用與 11n 一樣的物理層 OFDM 調(diào)制 (正交頻分多路復用),并保持相同的編碼和交錯式架構。不過,為滿足性能目標,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 主要功能
802.11ac 設備物理層規(guī)定參數(shù)為 80 MHz 帶寬、64QAM 5/6 和1個空分碼流。采用這種配置,數(shù)據(jù)速率達293 Mbps。不過,采用所有選用參數(shù)的設備 (160MHz、256QAM 5/6 和8個空分碼流),數(shù)據(jù)速率可達到 6.93 Gbps。
單 PPDU 幀格式按物理層會聚協(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設備可收接收的非 VHT 字段。前導碼中前4個字段用于非 VHT 站接收。前三個字段與 802.11n 的字段相同,第四個字段用于確定 802.11n 還是 802.11ac。前導碼中剩余字段僅用于 VHT 設備。VHT-STF 用來改善 MIMO 傳輸中的自動增益控制。VHT-LTF 是長訓練系列,為接收機提供 MIMO 信道預估。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 標準演進出現(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 帶來大量變化,其中三個方面是生產(chǎn)測試設備面臨的最為嚴峻的挑戰(zhàn):寬帶寬、多個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 5 GHz 免牌照頻段工作。與 2.4 GHz 頻段相比,具有寬可用帶寬和低干擾的優(yōu)點。美國和歐洲信道分配分別如圖3和圖4所示。因此,測試需要生成并分析 80MHz 瞬時帶寬或160MHz (可選) 帶寬,頻率達 5.835 GHz 的信號。
圖3: 美國信道分配
圖4: 歐洲信道分配
對于發(fā)射機測試,需要一次捕獲整個信號帶寬,測量信號質(zhì)量、頻率、功率和頻譜平坦度。頻譜包絡測量需要分析更寬的帶寬 (如 802.11ac 80MHz 為 240MHz)。這可以采用頻譜拼接技術,以更加經(jīng)濟的方法來實現(xiàn),這種技術可捕獲信號的多個快照,按頻域進行拼接,顯示整個帶寬。
對于接收機測試,需要生成全帶寬信號波形模擬被測設備 (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,并可生成 6 GHz 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)射機和接收機上采用多個天線,通過先進的數(shù)字信號處理提高通信性能。這種方法采用獨立發(fā)射/接收鏈,既可提高鏈路可靠性,也可提高數(shù)據(jù)速率。IEEE 在 802.11n 中引入 MIMO,將 802.11ac的支持能力擴展到8個空分碼流和多用戶 MIMO (MU-MIMO)。相對于單用戶 MIMO,MU-MIMO 可同時端接多個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
研發(fā)環(huán)境下,MIMO 開發(fā)一般需要測試設備利用多徑信道仿真,對不同 MIMO 節(jié)點的多個碼流進行編/解碼。而在生產(chǎn)環(huán)境下,由于設備設計認證已在研發(fā)階段完成,因此測試重點轉(zhuǎn)移到射頻組件校準和設備質(zhì)量確認。生產(chǎn)環(huán)境下 MIMO 測試還應優(yōu)化速度和成本。目前采用的一種方法是單獨測試 MIMO 收發(fā)器的射頻路徑。一般是通過開關矩陣依次對每個 MIMO 路徑進行測試,以進一步節(jié)省測試設備的成本,因為只需要一個測試收發(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 標準最高密度調(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,這種要求是一樣的?!?/p>
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,信號所受非線性和相位噪聲等影響會變的更加突出。
圖7: 可視 EVM
為精確測量 802.11ac 信號,測試設備的殘留 EVM 必須顯著優(yōu)于表4所示最低 EVM 要求 (即-32dB,256QAM),否則會影響產(chǎn)量。這要求相對于測試過去的 WLAN 標準,802.11ac 測試設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,可輕松滿足802.11ac 要求。如下表所示,這些數(shù)值反映了發(fā)射機和接收機未采用均衡情況下 (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。測試結果包括接收機和發(fā)射機殘留 EVM/RCE。無均衡。
3.測試速度
生產(chǎn)測試速度和產(chǎn)量是兩個最重要的生產(chǎn)指標。802.11ac 是目前增加的一種測試設備,對于生產(chǎn) WLAN 保持可接受的低價位,以及在消費電子設備中的普及具有重要意義。802.11ac 的價位必須與過去 WLAN 標準的價位相當。因此,802.11ac 測試設備在高速校準和驗證設備和組件,同時保證精度和可靠性的基礎上達到可觀的產(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性要求。這是通過產(chǎn)品大量創(chuàng)新設計實現(xiàn)的,包括快速準確的硬件切換、優(yōu)化軟件架構、流水線技術,以及測試序列化進一步提高設備利用率。表6舉例說明 802.11ac 采用 Aeroflex PXI 3000 系列的測量時間。
表6: 測量時間包括捕獲、傳輸和分析。每項測試分析16個符號。測試結果是重復25次的平均值。
結束語
802.11ac 是 IEEE 最新 WLAN 標準化工作,通過增加帶寬、空分碼流數(shù)量及采用先進的數(shù)字調(diào)制技術,數(shù)據(jù)速率提高6倍。這項工作定位于 802.11n 的推廣,2015年有望成為主流標準,預計全球設備出貨量將達到10億。這對設備測試和測量提出了嚴峻挑戰(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,為全球許多 WLAN 設備和 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準的測試需求。利用軟件選件,不僅可在同一平臺上進行 WLAN 測試,而且支持多標準測試。
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