802.11ac技術(shù)的測試方法研究*

朱晨，陳成新，李智，盧娟

（深圳市計量質(zhì)量檢測研究院，深圳 518055）

1 引言

802.11是IEEE制定的WLAN系列通信標(biāo)準(zhǔn)，包括物理層和MAC層控制協(xié)議。經(jīng)過多年發(fā)展，802.11系列包含多個WLAN標(biāo)準(zhǔn)，可以滿足不同的用戶無線通信需求。802.11ac協(xié)議制定項(xiàng)目于2008年底啟動。2009年9月，IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會正式批準(zhǔn)了802.11n無線通信標(biāo)準(zhǔn)，同時開始轉(zhuǎn)入802.11ac無線通信標(biāo)準(zhǔn)的制定，并于2013年完成并獲批通過。802.11ac標(biāo)準(zhǔn)的核心技術(shù)繼承自802.11n，繼續(xù)工作在5 GHz的頻段上，并進(jìn)一步提升了通信帶寬，新標(biāo)準(zhǔn)的理論傳輸速率將達(dá)到1 Gbit/s，有望滿足未來人們對于高速移動多媒體通信業(yè)務(wù)的需求。

2 802.11ac的技術(shù)特性

在802.11系列標(biāo)準(zhǔn)中，目前得到普遍使用的是802.11b/g協(xié)議，即大部分Wi-Fi設(shè)備工作在2.4 GHz頻段。除WLAN設(shè)備以外，還有諸如無線鍵盤、藍(lán)牙等電子設(shè)備也使用此頻段。低頻段的數(shù)據(jù)傳輸容量上限較小，信道的擁擠導(dǎo)致無線設(shè)備間干擾嚴(yán)重，通信質(zhì)量較低。隨著多媒體應(yīng)用業(yè)務(wù)的普及，人們對于數(shù)據(jù)速率的需求日益增高，為了解決2.4 GHz頻段擁擠對數(shù)據(jù)速率的限制，802.11n在支持2.4 GHz的傳統(tǒng)頻段之外，還選擇了更高頻段的5 GHz為工作頻段。5 GHz頻段與軍用雷達(dá)頻段重合，因此很多國家出于安全考慮僅開放少量信道可供WLAN通信使用。即便如此，5 GHz相對于2.4 GHz頻段具有高頻段天然的大容量優(yōu)勢，而且信道間距較大，工作于此頻段的設(shè)備數(shù)量較少，相互干擾較小，信號品質(zhì)明顯提高，數(shù)據(jù)傳輸速率也有了顯著提升。

802.11ac的制定目標(biāo)是滿足VHT（Very High Throughput)的需求，即提供極高的數(shù)據(jù)吞吐能力改善Wi-Fi的用戶體驗(yàn)，使無線網(wǎng)絡(luò)的通信能力可與有線網(wǎng)絡(luò)相媲美。802.11ac的主要技術(shù)指標(biāo)與802.11n的對比見表1[1,2]。

表1 802.11ac與802.11n標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)指標(biāo)對比

2.1 工作頻段與信道帶寬

802.11ac僅在5 GHz頻段工作，更高的數(shù)據(jù)速率目標(biāo)是其放棄2.4 G頻段的主要原因。802.11ac包含強(qiáng)制或可選帶寬來增強(qiáng)信道帶寬。除了目前大多數(shù)802.11n設(shè)備所支持的20 MHz和40 MHz信道帶寬，802.11ac支持最大80 MHz的連續(xù)信道帶寬（可通過可選項(xiàng)擴(kuò)展至160 MHz）。這一更寬信道帶寬的優(yōu)勢在于，相比802.11n最大40 MHz的信道帶寬，80 MHz信道帶寬能使物理層傳輸速率提高一倍，而增加的成本對芯片制造商來說可以忽略不計。在連續(xù)80 MHz帶寬模式下，不僅數(shù)據(jù)傳輸率/吞吐量更高，還提升了系統(tǒng)效率，很多802.11n協(xié)議不支持的新應(yīng)用也隨之成為可能[3]。

此外，802.11ac標(biāo)準(zhǔn)支持可選的160 MHz信道帶寬功能。對于具備這一可選功能的設(shè)備，信道帶寬可以是連續(xù)的160 MHz，也可以是不連續(xù)的（80＋80 MHz）。在不連續(xù)的情況下，頻譜由兩部分組成；每個部分使用任意兩個802.11ac 80 MHz信道，頻率可以彼此不相鄰。與40/80 MHz傳輸帶寬相比，160 MHz信道帶寬可以在降低復(fù)雜度需求的前提下，使設(shè)備達(dá)到Gbit/s級別的無線傳輸吞吐量，但是值得注意的是，很多國家在5 GHz頻帶僅開放部分信道可供Wi-Fi設(shè)備使用，并非都能滿足160 MHz信道帶寬，要支持此功能的成本較高。因此，這一功能在802.11ac設(shè)備中屬于可選項(xiàng)。

2.2 調(diào)制編碼方案

802.11ac沿用802.11n的OFDM調(diào)制、交錯和編碼架構(gòu)。具體來說，802.11ac仍然要求設(shè)備支持BPSK、QPSK、16QAM和64QAM調(diào)制。但在具體的調(diào)制編碼方案中，802.11ac有兩處關(guān)鍵不同[4]。

首先，802.11ac支持星座映射增強(qiáng)。在支持的調(diào)制方式中，256QAM為可選項(xiàng)。256QAM相比64QAM，提升了33%的吞吐量，同時也對信號傳輸環(huán)境提出了更為苛刻的要求。

第二個重要區(qū)別是，802.11ac定義的MCS只有10種（0!9），遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于802.11n可支持的77種MCS。實(shí)際應(yīng)用證明，802.11n支持的花樣繁多的MCS方式并未帶來更好的市場反饋，反而增加了設(shè)備成本，因此802.11ac放棄了過多的MCS選項(xiàng)。

2.3 MIMO

MIMO技術(shù)能夠在同一頻點(diǎn)上通過多重數(shù)據(jù)流的空間復(fù)用，利用獨(dú)立空間路徑提供的自由度，有效的成倍增加信道容量。802.11ac支持最多8×8方式的MIMO。除了單用戶MIMO帶來的數(shù)據(jù)吞吐能力的提升，波束成形技術(shù)也使得接入點(diǎn)能夠利用相同頻點(diǎn)，通過多個天線執(zhí)行多個空間任務(wù)，同時與不同方向的用戶通信[5]。例如，1個具有8天線的發(fā)射點(diǎn)可以使用4×4 MIMO與兩個不同終端同時通信。

3 802.11ac的主要測試要求

3.1 測試體系

完善的測試體系能幫助工程人員盡早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)潛藏的隱患與弱點(diǎn)，及時做出修正與調(diào)整。802.11ac系統(tǒng)的測試體系按照具體的測試內(nèi)容可以分為4個方面：功能測試、性能測試、質(zhì)量測試和安全性測試。

功能測試是對系統(tǒng)的通信功能進(jìn)行測試，一般分為發(fā)射機(jī)測試和接收機(jī)測試，測試內(nèi)容包括頻譜包絡(luò)、輸出平坦度、頻率誤差、調(diào)制信號質(zhì)量參數(shù)等。

性能測試的目的是測試802.11ac系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信功能的全面性、有效性與可靠性，主要測試系統(tǒng)的實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速率、傳播距離、傳輸協(xié)議、代碼協(xié)議、防碰撞機(jī)制等。

質(zhì)量測試主要指設(shè)備的電磁性能方面的質(zhì)量測試，如電磁兼容性與電磁照射、芯片封裝質(zhì)量、芯片使用壽命等。

安全測試分為兩個方面，一方面指通過對設(shè)備的檢查與安全性試驗(yàn)，保證系統(tǒng)運(yùn)行中使用者與操作者的人身安全；另一方面是指系統(tǒng)通信過程中的數(shù)據(jù)安全與網(wǎng)絡(luò)安全，針對的是系統(tǒng)漏洞。

在本文中，我們主要研究802.11ac系統(tǒng)的功能測試方法，重點(diǎn)介紹其中與802.11n的不同之處。除本文具體介紹的測試項(xiàng)目之外，802.11ac仍然需要測試頻譜純度、相位噪聲、端口射頻性能如插損、電壓駐波比等常規(guī)項(xiàng)目，這些測試項(xiàng)目在測試方法上和802.11n系統(tǒng)并沒有顯著區(qū)別，因此不再展開論述。

圖1 測試裝置示意

功能測試裝置由信號發(fā)生器和信號分析儀組成，設(shè)備連接方式如圖1所示［6］。信號分析儀用于發(fā)射機(jī)相關(guān)測試，信號發(fā)生器用于提供接收機(jī)測試所需的下行信號。為簡便起見，將測試裝置表示為單端口形式，以一個 RF 端口（TX/RX）與被測設(shè)備相連。

3.2 發(fā)射機(jī)測試

3.2.1 發(fā)射頻譜模板

本項(xiàng)目測試被測設(shè)備所發(fā)射信號的頻譜特性是否符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，避免帶外泄露信號對其他工作于通頻段的設(shè)備造成干擾，一般在被測設(shè)備為最大發(fā)射功率的狀態(tài)下進(jìn)行測試。

信號頻譜模板以dBr表示，測量時應(yīng)采用100 kHz的分析帶寬和30 kHz的觀測帶寬。由于802.11ac支持不連續(xù)頻譜，即允許設(shè)備使用80＋80 MHz的非連續(xù)頻譜組成160 MHz信道，此種情況下其模板包絡(luò)門限需參照標(biāo)準(zhǔn)要求計算得出。

圖2給出了一個中心頻點(diǎn)相距160 MHz的非連續(xù)頻譜示例[7]。此時的頻譜模板可視為由兩個對稱的80MHz的頻譜模板疊加而成，在帶外泄露不重疊的頻段區(qū)域，信號功率應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的包絡(luò)門限，即以中心頻點(diǎn)的功率值為基準(zhǔn)，帶外40 MHz處的衰減量不小于28 dB，帶外80 MHz處的衰減量不小于40 dB。而泄露信號重疊的頻段區(qū)域，可以對兩個包絡(luò)值進(jìn)行線性疊加。在本示例中，泄露信號的最大功率相比于基準(zhǔn)點(diǎn)，不得高于-25 dB。

3.2.2 頻譜平坦度

測量每個子載波功率相對于平均功率的偏差，測量采用BPSK調(diào)制包，技術(shù)規(guī)范的規(guī)定針對一個子載波，測量一個數(shù)據(jù)符號某一BPSK調(diào)制子載波i上的平均星座功率Ei,avg。根據(jù)相對于子載波頻率所處區(qū)域的不同，可分為中心區(qū)域（帶內(nèi)）或外圍區(qū)域（帶外）兩種情況，模板門限分別為±4 dB與+4/-6 dB，因此測試中建議在中心區(qū)域和外圍區(qū)域分別取點(diǎn)，在中心區(qū)域頻段可以適當(dāng)增加取點(diǎn)密度。

3.2.3 發(fā)射中心頻率允差

圖2 80+80MHz非連續(xù)頻譜發(fā)射功率模板

檢測發(fā)射機(jī)的頻率相對于所期望的載波頻率的誤差，一般通過對調(diào)制信號進(jìn)行解調(diào)得到。測量方式選擇數(shù)據(jù)平均，平均次數(shù)可以參考802.11n的測試方法取20次，合格標(biāo)準(zhǔn)為小于±20 ppm（0.002%）。

3.2.4 符號時鐘頻率誤差

檢測符號時鐘頻率相對于所期望符號時鐘頻率的偏差。合格標(biāo)準(zhǔn)為小于±20 ppm（0.002%）。該測試項(xiàng)檢測本振源隨時間遷移產(chǎn)生的任何頻率變化。

3.2.5 發(fā)射中心頻率泄漏

發(fā)射中心頻率泄漏測試用于檢測位于調(diào)制信號中心頻率處的非期望功率。這種泄漏會引起接收機(jī)問題。泄漏是根據(jù)載波所在位置不同，按照載波是否在帶寬中心加以定義的。例如，使用80 MHz信道發(fā)射20或40 MHz帶寬信號時，載波信號將不在傳輸帶寬的中心位置。需要對20!160 MHz的各個帶寬條件分別進(jìn)行測試，分析帶寬為312.5 kHz。

3.2.6 發(fā)射機(jī)星座誤差

發(fā)射機(jī)星座誤差和發(fā)射中心頻率泄漏一起構(gòu)成了對發(fā)射機(jī)調(diào)制精度的測試要求。需要對20!160 MHz的各個帶寬條件分別進(jìn)行測試，有效載荷數(shù)據(jù)為隨機(jī)數(shù)據(jù)流，長度至少為16個OFDM數(shù)據(jù)符號，捕獲幀數(shù)應(yīng)不少于20個。802.11ac相比于802.11n增加了256QAM的可選調(diào)制方式，在編碼率為3/4時，EVM應(yīng)小于-30 dB；在編碼率為5/6時，EVM應(yīng)小于-32 dB。

需要注意的是，被測空間信號流數(shù)量應(yīng)等于天線數(shù)量，同時測試設(shè)備輸入端口數(shù)也應(yīng)與此一致。

3.3 接收機(jī)測試

3.3.1 下行信號設(shè)置

測試裝置提供合適的下行信號為基準(zhǔn)，根據(jù)被測設(shè)備對信號的測量結(jié)果來判斷被測設(shè)備的接收機(jī)是否滿足要求。典型的下行信號配置如表2所示[8]。

表2 典型802.11ac下行信號配置

每一個OFDM符號所包含的字節(jié)長度是由MCS決定的。如表2的示例，對于保護(hù)間隔為800ns的MCS 7數(shù)據(jù)流，每一個OFDM符號包含1 170 bit，即146.25 byte，則400個OFDM符號共包含58 500 byte。

3.3.2 接收機(jī)最小輸入靈敏度

最小輸入靈敏度測試是檢驗(yàn)接收機(jī)成功解調(diào)802.11ac信號能力的重要驗(yàn)證測試項(xiàng)目，是指接收設(shè)備為了滿足誤碼率門限所需要的最小輸入電平。由于在一些測試場景中，較難測得具體的誤碼率，在不需要精確誤碼率數(shù)據(jù)的測試中可以用分組錯誤率代替。分組錯誤率是單位時間內(nèi)未能正確接收的分組數(shù)據(jù)的個數(shù)與總傳輸數(shù)據(jù)包個數(shù)的比值。在定性測試中，可以認(rèn)為誤碼率與分組錯誤率近似相等，門限值均為10%［9］。

標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定本項(xiàng)目的最小測試數(shù)據(jù)長度為4 096 byte。以MCS 7為例，數(shù)據(jù)長度應(yīng)當(dāng)不小于28個OFDM符號；對于MCS 9，則應(yīng)不小于21個OFDM符號。

3.3.3 接收機(jī)最大輸入電平

這項(xiàng)測試用于保證被測設(shè)備在天線饋入較高功率電平時依然能實(shí)現(xiàn)正確接收。標(biāo)準(zhǔn)允許該測試可以使用任意的MCS編碼方式，最小測試數(shù)據(jù)長度為4 096 byte，測試要求在輸入電平大于-30 dBm的情況下，誤碼率門限不大于10%。

4 結(jié)論及未來工作

隨著人們對于高清多媒體應(yīng)用的需求增長，支持高吞吐量的802.11ac標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備正在逐步走向市場，得到普及。因此802.11ac相關(guān)設(shè)備的檢測與測試需求也與日俱增。本文分別從發(fā)射機(jī)性能測試與接收機(jī)性能測試兩個方面，較為全面的介紹了802.11ac的主要功能測試項(xiàng)目和測試方法，對關(guān)鍵性的測試指標(biāo)進(jìn)行了總結(jié)，是全面開展802.11ac技術(shù)的檢測與測試工作的必要前提，具有一定的參考價值。

性能測試是802.11ac的測試體系的另一個重要組成部分。隨著支持高數(shù)據(jù)速率的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與終端的普及，相關(guān)的中間件與應(yīng)用軟件也將很快面世，面向用戶體驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)性能測試則將成為后續(xù)研究的重點(diǎn)。未來我們將深入研究性能測試的主要測試項(xiàng)目和測試方法，進(jìn)一步完善802.11ac的測試體系，為挖掘網(wǎng)絡(luò)傳輸潛力，提升網(wǎng)絡(luò)實(shí)際性能提供測試依據(jù)。

[1]IEEE.IEEE Std 802.11ac[S/OL], 2013.http://standards.ieee.org/findstds/standard/802.11ac-2013.html

[2]IEEE.IEEE Std 802.11n[S/OL], 2009.http://standards.ieee.org/findstds/standard/802.11n-2009.html

[3]AEROFLEX.IEEE 802.11ac 技術(shù)概述與生產(chǎn)測試面臨的挑戰(zhàn)[EB/OL].2014.http://www.aeroflex.cn/ats/upload/brochures/802_11ac-white-paper_v3_C.pdf

[4]Lite Point.IEEE 802.11ac What Does it Mean for Test? [EB/OL].2014.http://www.litepoint.com/whitepaper/80211ac_Whitepaper.pdf

[5]Bejarano O, Knightly E, Park M.The IEEE 802.11ac: Dynamic Bandwidth Channel Access[C].Proceedings of IEEE International Conference on Communications （ICC).2011.Kyoto.

[6]Irwin R.802.11ac: production and test requirements[EB/OL], 2014.http://www.aeroflex.cn/ats/upload/brochures/802_11ac-article_v10_C.pdf

[7]Stelter A.Dynamic 20/40/60/80 MHz Channel Access for 80 MHz 802.11ac[J].Wireless Personal Communications.2014, 79（1):235-248.

[8]Dianu M，Riihijarvi J，Petrova M.Measurement-based study of the performance of IEEE 802.11ac in an indoor environment[C].IEEE International Conference on Communications （ICC).2014.