与以前的Wi-Fi标准相比,下一代无线局域网(WLAN)标准802.11ax的容量更大,数据传输性能更强。它体现了自802.11n(802.11n于2004年首次出现在产品中,数据传输速率可达到100兆比特每秒)以来Wi-Fi工作方式的最根本变化。设计802.11ax的首要目的是解决网络容量问题,因为网络容量问题已成为机场、体育赛事和校园等密集环境中的一个大问题。

802.11ax极大的借助了长期演进技术(LTE)并采用了已经过实践证明的、在蜂窝网络中将同一频谱的系统用户容量提高十倍的技术。因此,802.11ax增加了许多新的系统内容和层面,这些新的内容和层面需要得到验证并且在Wi-Fi领域一直未被认知。

OFDM 向 OFDMA的演变

802.11ax与以前的无线局域网(WLAN)系统相比最大的变化在于其是采用了“正交频分多址接入”(orthogonal frequency division multiple access, OFDMA)。 “正交频分多址接入”(OFDMA)系统由中央资源(AP)分配时间块和频率块——称为资源单元(RUs)。在OFDM系统中,用户占用了整个信道。随着更多用户加入,每个用户的数据请求通过载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)来争夺媒体接入。过多的用户会造成瓶颈,从而导致当这些用户在请求数据(特别是在流式视频等高带宽应用中)时,服务质量(QoS)较差。

图1比较了OFDM和OFDMA的频谱使用率。 在OFDM中,每次数据请求下用户一直占用所有子载波(射频频谱);而在OFDMA中,用户仅在规定时间内占用子载波的一个子集。OFDMA要求所有用户同时传输,因此每个用户都需要将其数据包缓冲为相同的规定比特数,这样无论数据量有多少所有用户都能在时间上保持一致。此外, OFDMA AP可根据用户对带宽的需求来动态地改变用户所占用频谱的数量。例如,相比较对实时性能要求不高的电子邮件,流媒体视频用户需要更多子载波(频谱)

OFDMA17070701 图1:用户在ODFM中占据整个信道,而在“正交频分多址接入”(OFDMA)中不是。

OFDMA所需的对频谱的动态分配显著地提高了Wi-Fi频谱的复杂度并以一种前所未见的方式对射频硬件带来了压力。时序同步、频率对齐以及响应时间等特性变得很重要。因此需要新的测试方法以确保系统正确运行。糟糕或平庸的响应时间或许不会导致整个系统失效,但是会降低系统容量,从而使802.11ax最关键的性能优势受到损害,进而导致产品得到负面评价。

功率控制

OFDM系统为一个用户分配了一段时间内的整个频谱(所有子载波)(图1左侧)。后续的用户基于CSMA/CA机制在下一段时间获得所有子载波。而OFDMA系统让多个用户实时共享频谱(图1右侧)。

因此,需要用功率控制来确保靠近AP的用户不会盖过距离接入点较远的另一位用户。AP端接收到不同用户功率的过大差异,会导致载波间干扰(ICI),接收机压缩、功率泄露以及由于不同Wi-Fi用户/Station间的时序不同步导致的载波频率偏移(CFO)。在802.11ax中,AP命令STA根据AP侧的目标接收信号强度指示(RSSI)提高或降低功率。 STA首先将AP发射功率(编码在数据包中)减去在STA处测得的RSSI来估计出路径损耗。接下来STA将目标RSSI加上估计得到的路径损耗算出所需的发射功率并发送信号。靠近接入点的设备发射较低的功率,而稍远些的设备发射更高的功率来克服更大的路径损耗。图2说明这一过程。

OFDMA17070702 图2:由于多个用户共用同一频谱,因此需要控制功率。

802.11ax标准根据设备对功率控制的准确程度定义了设备等级。A类设备可以将发射功率控制在±3dB以内而B类设备可以将其功率控制在±9dB以内。在早一些的802.11系统(在802.11ax之前)中,STA设备仅发射其最大设计/允许功率。当然,A类设备将有助于改善系统容量同时售价更高,因此厂家有动力来确保A类产品的性能,这需要更严格的测试和校准。802.11ax对动态功率控制的新要求需要测试以验证系统运行正确,并且不会因为其中一个STA发射不恰当的功率而导致容量恶化。

为了测试STA设备的功率控制功能,测试系统需要模拟AP的实时响应(图3)。在功率控制测试中,被测设备(DUT)将根据来自测试仪(模拟AP)的下行信号中编码的信息来调整其发射功率。DUT(STA)将发射对应的功率给测试仪:测试仪测量来自被测设备的发射功率之后发回相应命令以提高或降低功率。整个过程要求实时延迟为几百微秒。下图显示这一过程如何发生。

OFDMA17070703 图3:在功率控制测试中,802.11AX测试仪模拟一个接入点,调整受测设备的功率。

动态功率控制会给802.11ax系统带来功率稳定时间问题。随着功率变化,功率放大器的响应时间或功率控制回路导致的功率稳定延迟可能成为一个问题。这个过程需要加以验证以确保功率稳定时间足够快,并且不会有不必要的过冲情况出现(图4)。

OFDMA17070704 图4:功率控制稳定响应时间是测试802.11ax STA设备时需要的其中一项测量指标。

若要开展这些测试,您需要逐一测量数据包的功率并以时间为基准报告每个数据包的功率,以验证STA对功率控制命令的响应是否准确。因为这些测量是功率控制测试的一部分,所以不需要增加测试时间。

时序很重要

802.11ax用户在同一时间共用频谱。 因此,必须尽量减少同一时间用户之间的干扰以实现最高的系统容量。需要不同用户间的准确时序以最小化干扰并最大化系统容量。

802.11ax标准要求所有STA设备间的传输间隔在400纳秒内。802.11ax系统中的同步参考由AP发送的触发帧(Trigger Frame)提供。所有STA设备均和AP同步,而AP在802.11ax系统中扮演“主设备”。触发帧包含由AP发出的信息,这些信息包括哪些STA可在指定时间传输以及使用OFDMA子载波中的哪部分子集 。触发帧类似于赛艇队中控制赛艇方向和船员节奏的舵手。

在802.11ax中,这种精确的用户间同步很重要,因为由剩余载波频率偏移(CFO)和采样频率偏移(SFO)引起的更大定时误差会产生载波间干扰(ICI)和符号间干扰(ISI)(这些干扰均会降低系统容量)。即便是在802.11ac系统OFDM中,频率误差也是需要控制的重要参数。因为单用户在同一时间占有所有子载波,所以只有这个用户频率误差重要。当多个STA设备同时传输时,每个用户的频率误差都很重要。图5说明时域中的载波频率偏移(CFO)和定时误差如何导致频域干扰并降低接收器正确解码信息的能力。

OFDMA17070705 图5:定时偏移会产生右边频谱图中所示的频率恶化。

测试此关键行为时,测试仪要扮演接入点并向STA设备DUT发出触发帧,同时测定从发送触发数据包到接收到被测设备(STA)数据包的时间(在几十纳秒内)。图6说明了测试过程。

OFDMA17070706 图6:802.11ax定时测试要求被测设备对触发帧做出准确响应。

在此测试中,您需要发送含有编码信息的触发帧。被测设备随后接收触发帧,解码信息,并以数据包响应。然后,您必须测量从触发帧数据包离开测试仪到被测设备数据包返回测试仪的时间间隔。这个时间需要为短帧间间隔(SIFS)时间±400纳秒(16,000纳秒±400纳秒)。

载波频率偏移(CFO)是802.11ax系统中必须验证的另一个参数。载波频率偏移(CFO)是STA与来自AP的触发数据包同步后的残余频率误差。载波频率偏移(CFO)的增加导致802.11ax系统中载波间干扰(ICI)升高以及数据解码错误增多。802.11ax标准要求载波频率偏移(CFO)小于350赫兹。

载波频率偏移(CFO)的测定与定时误差测试采用相同的流程。您必须先发送触发帧数据包,被测设备(STA)解码。被测设备根据触发帧内的信息调整其时钟并以回应数据包给测试仪。然后您需要解码信息并计算残余载波频率偏移(CFO)。

结语

与以前的Wi-Fi系统相比,采用“正交频分多址接入”(OFDMA)的802.11ax利用几个特性来显著提高系统容量。 定时同步、AP对用户的中央控制以及功率控制的加入使Wi-Fi系统具有前所未有的复杂性。因此,需要采用新的测试方案以确保这些系统能够按照预期工作。

这些参数中许多会以一种只有在一个更大的多用户系统中才能看到的方式发生故障,这点不同于任何单一设备的硬故障。根据系统的最终运作方式,这些违规设备可能会被分配到低质量的子载波范围,被拒绝连接或由于其糟糕性能而完全被从网络中剔除。想象当某个手机开始损害网络性能而被网络抛弃的情形。

通过采用本文所描述的测试方法,802.11ax系统的制造商可确保其产品能够在802.11ax网络上无缝工作,在最大限度的提高网络容量的同时实现最佳性能。