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Wi-Fi测试为何对智能手机如此重要?

时间:2018-06-28 作者:邓敏智,LitePoint中国区产品经理 阅读:
智能手机如今在我们的生活中已不可或缺,但不同品牌手机的Wi-Fi性能表现参差不齐。手机制造商如何在生产过程中经由完整的测试提升Wi-Fi质量...

近年来,随着中国手机品牌在中国市场与国际市场强势崛起,智能手机领域的竞争进入了白热化。但由于芯片和硬件技术的成熟,手机功能越来越趋同,性能参数也越来越相似,手机品牌间的差异化越来越难。同时,新特性和跑分参数容易给消费者造成审美疲劳。因此,消费者越来越看重手机的用户体验、稳定度和耐久性。因此,能否持续提供最佳的用户体验和可靠的质量,成为手机品牌未来能否成功的关键。

今天的智能手机不再是简单的通信工具,而是一个让人们能够随时随地连网、工作和娱乐的个人运算平台——而因特网连接,是工作和娱乐的基础。目前有两大技术可在手机上提供网络连接,一是伴随着手机诞生的蜂窝移动网络,二是稍晚出现但飞速发展的IEEE 802.11无线局域网络(WLAN)——更多是以Wi-Fi这个名称被使用。802.11技术工作在免授权(unlicensed)频段,具有成本低、速率高、部署简单以及覆盖广的特点。在家庭、商场、酒店、企业内部与公共设施等场合都是用户接取至因特网的首选方式。根据统计,在手机上,用户使用Wi-Fi的数据流量远大于使用蜂窝通信技术产生的数据流量。
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移动网络和Wi-Fi流量占有率比较。固定式/Wi-Fi流量自2018年起超越固定式/有线(wired)网络流量(来源:Cisco)

由于Wi-Fi组件承载了智能手机用户最多的数据流量和使用时间,Wi-Fi组件的性能与质量很大程度地影响着用户的使用体验。然而,由于一些手机品牌对于Wi-Fi组件质量不够重视,导致手机的用户体验和品牌认可度持续降低。其中,Wi-Fi信号弱、上网速度慢、延迟高等几大问题受到了较多的用户投诉,对于这些手机品牌的形象带来了负面影响。因此,如何提高手机Wi-Fi的质量,成为各家厂商亟待重视的问题。本文尝试从技术角度,深入探讨影响手机Wi-Fi质量的原因及其因应方法,并揭示完整的Wi-Fi测试对于智能手机的重要性。

信号质量

用户透过查看手机屏幕上方的Wi-Fi图标,可以直接了解到当前Wi-Fi信号的强弱。有时候两个不同品牌的手机明明在相同的位置,显示的信号格数却不同,于是用户就会抱怨信号格数少的手机Wi-Fi信号差。这与手机Wi-Fi接收机的性能有关。Wi-Fi组件在与路由器连接状态下,射频(RF)接收机会定期测量接取点(AP)发出的广播封包,算出无线接收信号强度(RSSI),再根据RSSI值的大小,在操作系统上显示信号的强弱。正常情况下,手机距离路由器越近,RSSI值越高,表示接收到的Wi-Fi信号越强;手机距离路由器越远,RSSI越低,表示Wi-Fi信号越弱。

经过校准和测试过的手机,测量得到的RSSI值和信号格数与真实的接收信号强度一致,对下行信号的接收性能也比较好。而未经过校准测试的手机,RSSI值和信号格数与真实的接收信号不一致,对下行信号的接收性能较差。因此,未进行接收机校准测试的手机Wi-Fi不仅显示信号弱,上网速度和工作的范围都要差于经校准测试的手机,往往在正常手机能够接收到Wi-Fi信号的地方却显示没有信号,导致用户体验不佳。

另一种情况是使用者的手机有时候明明能看见一格以上的Wi-Fi信号,实际的上网速度却非常慢,甚至形同断线,用户体验受到严重影响。手机显示有信号说明接收机没有问题,那么问题出在哪儿?答案就在手机的发射机功率上。对手机来说,发射机功率非常重要——发射功率过高,会使手机耗电过快,需要频繁充电。而发射功率过低,会使上行信号经过路径衰减后无法正常抵达路由器的接收天线,从而降低了手机的实际工作范围。因此,在手机生产制造过程中,必须针对Wi-Fi发射功率进行严格的校准和测试,以确保发射功率的准确性。

由于无线通信是双向的,透过在生产制造过程中对手机Wi-Fi发射功率和接收机灵敏度进行严格的校准和测试,可以确保手机的上行链路(uplink)和下行链路(downlink)在最大工作范围内保持匹配,而不会出现其中之一拖后腿的情况。
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智能手机的发射机和接收机在进行校准测试前后比较

第三种情况,由于Wi-Fi主要工作在免授权频段,频谱比较拥挤,所以有经验的用户常常会选择将路由器切换到干扰较小的特定频率。但当用户手机使用不同频率接取路由器时,有时会发现信号强度和上网速率会有明显下降。这是因为Wi-Fi工作在两个主要频段,2.4GHz和5GHz。每个频段都细分为多个频率,如2.4GHz频段就有从2412MHz到2484MHz的14个可用频率,而5GHz频段由于带宽更宽,则有分布在5180MHz到5825MHz范围内的24个频率。对于手机Wi-Fi组件来说,不同频段范围内可用频率的RF性能表现会有很大不同。因此在生产测试过程中时,应该对这两个频段内的多个频率依次进行校准和测试,从而确保手机出厂后在2.4GHz和5GHz的所有频率都能够正常运作。

上网速度不够快?

接下来讨论上网速度。Wi-Fi作为一种无线局域网络技术,覆盖范围不如蜂窝移动通信覆盖范围,终端位置通常相对固定。所以,Wi-Fi信号所处无线信道的频率选择性和空间正交性都要优于广泛覆盖的蜂窝网络。因此,Wi-Fi可以更有效地利用高带宽和多天线技术的优势,大幅提升速率。目前市场主流的802.11ac Wave 2产品已经能支持高达160MHz带宽以及多用户-多输入多输出(MU-MIMO)技术。以高通(Qualcomm)骁龙835/836移动平台为例,它可支持802.11ac 2x2 MU-MIMO,传输速率比前代产品提升一倍以上。而未来的手机移动平台将会支持更高的带宽和更多的MIMO天线数。

然而,如果在生产制造过程中忽略了对这些新的特性进行测试,很可能导致产品在实际使用中出现上网速度慢的问题。例如,很多早期的测试仪器只支持80MHz或40MHz以下带宽信号的产生和解调,导致在生产测试中部份高速率模式未能进行测试,因此我们无法得知产品在高速率模式下是否存在质量问题,而在产品上市后将存在质量风险。虽然一些厂商采取频谱拼接的方法取得手机RF模块的发射机测试结果,但由于采用了非实时采样(分多次撷取),这样的结果无法准确地反映信号的真实特性,存在一定程度的误差。透过最新一代的无线通信测试仪(如LitePoint IQXel-MW),支持160MHz的信号解调和产生,可以对这些高速率模式进行完整的测试。

而对MIMO的测试也存在相似的问题,由于早期的仪器大多只有一套向量信号分析仪/向量信号产生器(VSA/VSG)组合,因此同一时间只能对一条RF链路进行验证。针对支持MIMO的手机,只能采用分时切换的方式对每一条RF链路依次验证。采用这种做法的厂商无法得知待测物(DUT)工作在MIMO模式的真实性能表现。透过像IQXel-MW等新的无线通信测试仪,能够支持最多4~8路MIMO通道同步测试,实现MIMO场景下的手机RF链路性能测试。
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不同带宽和MIMO天线数的组合

实现更低延迟

因特网上有一些新的热门应用,例如在线游戏,由于其实时性和互动性,对于网络等待时间的要求很高。延迟越低,游戏体验越好,延迟越高,游戏体验越差,甚至无法正常游戏。因此,延迟是评估智能手机连网性能的一个重要指针。造成延迟的原因有很多。由于IEEE 802.11是工作在TCP/IP协议之下的媒体访问控制(MAC)层和物理层(PHY)协议,采用了“载波侦听多路存取/碰撞检测”(CSMA/CD)的冲突避免机制。因此,Wi-Fi无线网络的延迟主要是由于手机信号质量不佳或者来自其他Wi-Fi装置的干扰引起多次重传造成的。不过,手机的接收机性能不好也会导致下行的重传增多。

评估手机Wi-Fi发射信号质量的主要指针是误差向量幅度(EVM)。EVM反映了手机发射机信号IQ调变偏离理想值的程度。EVM越高,信号质量越差,再经过无线通道的衰减之后,路由器接收机就很难正常解调该信号,造成封包遗失和重传,从而延长了传输延迟。因此,我们期望在手机发射端的信号质量尽可能好,才能确保传输的稳定和低延迟。在手机生产制造过程中,我们使用VSA仪器对手机发射机发出的RF信号进行解调分析,即可计算出EVM值。

由于EVM值反映的是RF链路的噪声性能,因此如果测试仪器的噪声层(noise floor)过高,就会迭加到待测信号而影响EVM测量结果的准确度。一般来说,仪器的噪声层要低于EVM规范要求的10dB左右。例如,11ac 256QAM信号的EVM要求不能高于-32dB,VSA的噪信层需要低于-42dB才能够得到相对准确的EVM测量结果。而下一代的802.11ax标准要求支持1024QAM的调变,EVM必须达到-35dB。上述IQXel-MW的EVM可达到-48dB以下,相对于11ax的要求有13dB以上的余量,因此能够精确测量这些高阶调变信号的EVM值。除了EVM以外,频率误差和符号频率误差也是衡量手机Wi-Fi信号质量的重要指针,必须使用测试仪器对这两项指针进行测试。
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不同调变阶数的EVM指标要求

手机之间Wi-Fi信号互相干扰的一个重要原因是相邻通道之间的干扰。这项干扰主要是由于相邻通道泄露造成;相邻通道泄露比(ACLR)反映了手机发射机信号泄露到相邻信道的能量比例。这个比例越高,对其他频率工作中的手机信号干扰越大。如果手机的相邻通道抑制不佳,则对于环境造成的干扰就会很大,整个网络的重传就会因此增多,造成延迟增加和传输速率降低。802.11标准主要透过传输频谱屏蔽(Transmit Spectral Mask)对手机信号的频谱性能进行评估。透过支持传输频谱屏蔽测试功能的测试设备,针对手机的这项指标进行评估,才能确保产品在实际工作中尽可能减少对相邻通道的干扰。

手机的接收机性能对延迟来说也非常重要,一个良好的接收机能够正确接收远程发出的数据封包。如果接收失败,则会造成重传以及数据速率下降,从而产生较大延迟。评估接收机性能的方法主要是由测试仪表的VSG发出不同调变编码机制(MCS)的Wi-Fi标准信号,透过测量手机接收机的封包错误率(PER)来判断接收机的性能。对于VSG来说,要求支持较大的动态范围,并且对噪声层也有较高的要求。

结语

今天,智能手机在我们的生活中几乎不可或缺,各大智能手机品牌还在不断的进行技术革新。但无论智能手机增加什么样的新特性和新功能,其中的Wi-Fi组件依然承载着最多的网络流量。因此,Wi-Fi组件的性能和质量影响着智能手机用户的使用体验和智能手机的品牌认同度。本文从技术角度分析智能手机中常见的Wi-Fi质量问题,如信号强度、速率与延迟等的成因;同时从测试角度提供手机制造商如何在生产制造过程中实现完整准确的测试方法,从而使手机业者能够尽可能地减少这些质量问题。

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