作者：艾法斯公司

　　簡介

　　802.11 是電氣和電子工程師協會 （IEEE） 制定的無線局域網 （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 聯盟支持下日益普及，該協會是促進 WLAN 技術和 802.11 標準產品認證的行業組織。

　　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。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。

　　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），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。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。

　　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. 系統性能

　　802.11ac 可實現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 數據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。

　　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

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

　　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 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 802.11ac 80MHz 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，既可提高鏈路可靠性，也可提高數據速率。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

　　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 必須顯著優于表4所示最低 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，可輕松滿足802.11ac 要求。如下表所示，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。

　　3.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。

　　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，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，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。