應對5G WiFi 802.11ac生產測試挑戰

802.11標準包括物理層和介質訪問控制(MAC)協議。自首次發布以來，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標準經過多年發展，滿足各種WLAN要求，Hiert and co.在[1]中做了詳細總結。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，以及最近發布的802.11n。802.11最新版本是IEEE 802.11-2009，其中包括802.11n[3]。

由于回程(如xDSL、光纖)傳輸速度提高，以及高清(HD)內容流和即時文件傳輸等需要高數據速率應用的出現，IEEE發布了兩個新方案(802.11ac和802.11ad)提高最大數據速率，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)，它是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802.11ac，修訂IEEE 802.11-2009。這個標準預計2012年年底完成，2013年802.11工作組結束審批[7]。

本文介紹最新制定的802.11ac，分析此類設備的生產測試要求。內容分為以下幾部分：802.11ac使用模式、性能目標、物理層簡介和生產環境下面臨的測試挑戰。

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(參見[5])。這是802.11ac制定的基礎。使用模式中以數字家庭為重點。事實上，由于802.11ac支持高數據速率，家庭環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、零延遲互聯網瀏覽等，如圖1所示)。

圖1：數字家庭環境下的802.11ac應用。

由于可以更加快速地傳輸數據，802.11ac還具有能效方面的顯著優點。802.11ac芯片能效優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境，如蜂窩IP數據卸載。

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的三種主要性能和功能要求[6]：

1.系統性能：802.11ac可以實現最大單站吞吐量和多站總計吞吐量，分別達到500Mbps和1Gbps以上。這是MAC數據服務接入點的測量結果，5GHz頻段通道帶寬不大于80MHz。由于數據速率要求針對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據速率。

2.向后兼容：802.11ac修訂標準向后兼容工作在5GHz頻段的802.11a和802.11n設備。

3.共存：802.11ac修訂標準具有802.11ac與802.11a/n設備之間的共存機制。
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5GHz頻段工作。

802.11ac技術細節

為了保證向后兼容和共存，802.11ac在可能的情況下重用802.11n技術規格。例如，802.11ac采用與11n一樣的物理層OFDM調制(正交頻分多路復用)，并保持相同的編碼和交錯式架構。不過，為了滿足性能目標，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的主要功能。

802.11ac設備物理層規定參數為80MHz帶寬、64QAM 5/6和1個空分碼流。采用這種配置，數據速率達到293Mbps。不過，采用所有選用參數的設備(160MHz、256QAM 5/6和8個空分碼流)，數據速率可以達到6.93Gbps。

單PPDU幀格式按物理層會聚協議定義，如圖2所示。為保證向后兼容，專門定義了802.11a和n設備可以接收的非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據長度、調制和編碼方案(MCS)信息。

圖2：VHT PPDU格式。

生產測試面臨的挑戰

WLAN生產測試系統廣泛安裝在全球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標準演進出現的新的測試要求。不過，802.11ac的新功能對測試系統提出了更高的要求，許多現有硬件平臺需要升級。

802.11ac帶來了大量變化，其中三個方面是生產測試設備面臨的最為嚴峻的挑戰：寬帶寬、多個空分碼流和高密度調制。此外，測試速度也是生產的重要要求。

1.寬帶測量

802.11ac僅在5GHz免牌照頻段工作。與2.4GHz頻段相比，具有寬可用帶寬和低干擾的優點。美國和歐洲信道分配分別如圖3和圖4所示，參見[4]。因此，測試需要生成并分析80MHz瞬時帶寬或160MHz(可選)帶寬，以及頻率達5.835GHz的信號。

圖3：美國信道分配。

圖4：歐洲信道分配。

對于發射機測試，需要一次捕獲整個信號帶寬，測量信號質量、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802.11ac80MHz為240MHz)。這可以采用頻譜拼接技術，以更加經濟的方法來實現。這種技術可以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，并可以生成6GHz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是在發射機和接收機上采用多個天線，通過先進的數字信號處理提高通信性能。這種方法采用獨立發射/接收鏈，既可以提高鏈路可靠性，也可以提高數據速率。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可以同時端接多個用戶同一頻段往來傳輸的收/發信號，如圖5所示。

圖5：單用戶與多用戶MIMO舉例。

在研發環境下，MIMO開發一般需要測試設備利用多徑信道仿真，對不同MIMO節點的多個碼流進行編/解碼。而在生產環境下，由于設備設計認證已在研發階段完成，因此測試重點轉移到射頻組件校準和設備質量確認。生產環境下MIMO測試還應優化速度和成本。目前采用的一種方法是單獨測試MIMO收發器的射頻路徑。一般是通過開關矩陣依次對每個MIMO路徑進行測試，以進一步節省測試設備的成本，因為只需要一個測試收發器信道，如圖6所示。這種方法足以滿足MIMO生產要求，合理兼顧性能與成本。

圖6：MIMO生產測試系統實例。

3.高密度調制

802.11ac規定OFDM模式采用256QAM調制方式。256QAM調制密度是過去WLAN標準最高密度調制方式64QAM的四倍。高速率傳輸所需傳輸信號質量高于以前WLAN調制編碼方案。表4列出各種802.11ac調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，這種要求都是一樣的。

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。采用高階調制時，信號所受非線性和相位噪聲等影響會變得更加突出[8]。

圖7：可視EVM。

為了精確測量802.11ac信號，測試設備的殘留EVM必須顯著優于表4所示的最低EVM要求(即-32dB，256QAM)，否則會影響產量。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測試解決方案優異的EVM特性，可以輕松滿足802.11ac要求。如表5所示，這些數值反映了發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射機殘留EVM/RCE。無均衡。

4.測試速度

生產測試速度和產量是兩個最重要的生產指標。802.11ac是目前增加的一種測試設備，對于生產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。這是通過產品大量創新設計實現的，包括快速準確的硬件切換、優化軟件架構、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。

本文小結

802.11ac是IEEE最新的WLAN標準化工作，通過增加帶寬、空分碼流數量及采用先進的數字調制技術，數據速率提高6倍。這項工作定位于802.11n的推廣，在2015年有望成為主流標準，預計全球設備出貨量將達到10億[9]。這對設備測試和測量提出了嚴峻挑戰，特別是生產測試。目前，已確定了802.11ac生產環境面臨的四種主要測試挑戰：寬帶寬、MIMO、高密度調制和測試速度。

Aeroflex為優化生產測試提供完整的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。