深入分析802.11ac技术及生产测试面临的挑战

简介

　　802.11 是电气和电子工程师协会 （IEEE） 制定的无线局域网 （WLAN） 系列标准，主要用于 2.4 和 5 GHz 免牌照频段本地无线通信。802.11 系列标准得到国际广泛认可，并在 WiFi 联盟支持下日益普及，该协会是促进 WLAN 技术和 802.11 标准产品认证的行业组织。

　　802.11 标准包括物理层和介质访问控制 （MAC） 协议。自首次发布以来，物理层做了大量重要补充和修订，而大部分 MAC 基本功能保持不变。802.11 标准经过多年发展，满足各种 WLAN 要求。WLAN 设备往往基于采用的物理层版本说明其功能。常见版本包括802.11b、802.11a、802.11g，以及最近发布的 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、光纤） 传输速度提高，以及高清 （HD） 内容流和即时文件传输等需要高数据速率应用的出现，IEEE 发布了两个新方案 （802.11ac 和 802.11ad） 提高最大数据速率，显著高于 802.11n。表1 概括了 802.11 物理层标准。本案重点介绍802.11ac。

　　表1： IEEE 802.11 物理层标准对比

　　802.11ac，也称为甚高吞吐量 （VHT），是 802.11n 的继任标准，后者称为高吞吐量 （HT）。与 WLAN 的演进过程一样，802.11ac 全面向后兼容以前的标准。802.11ac 任务组 TGac 于2008年成立，开始开发 802.11ac，修订 IEEE 802.11-2009。这个标准预计2012年底完成，2013年 802.11 工作组结束审批 2013。

　　本文介绍最新制定的 802.11ac，分析此类设备的生产测试要求。内容分为以下几部分：802.11ac使用模式、性能目标、物理层简介和生产环境下面临的测试挑战。

　　802.11ac 使用模式

　　如表2所示，IEEE 确定了大量需要千兆吞吐量的应用，并随之定义了六种使用模式。这是 802.11ac 制定的基础。使用模式中以数字家庭为重点。事实上，由于 802.11ac 支持高数据速率，家庭环境中可以并行运行多种高带宽应用，如高清视频流、即时文件传输、零延迟互联网浏览等，如图1所示。

　　图1： 数字家庭环境下的 802.11ac 应用

　　由于可以更加快速地传输数据，802.11ac 还具有能效方面的显著优点。802.11ac 芯片能效优于基于前代标准的芯片。这是智能手机等电池供电设备的重要要求，用户可以极大地降低 WLAN 功耗，从而支持新的应用功能和使用环境，如蜂窝 IP 数据卸载。

　　表2： 802.11ac 使用模式

802.11ac 性能目标

　　为支持新应用和未来试验设备，Tgac 定义了 802.11ac 三种主要性能和功能要求：

　　A. 系统性能

　　802.11ac 可实现最大单站吞吐量和多站总计吞吐量，分别达到 500 Mbps 和 1 Gbps 以上。这是 MAC 数据服务接入点的测量结果，5 GHz 频段通道带宽不大于 80 MHz。由于数据速率要求针对 MAC，而不是物理层，因此必须考虑 MAC 效率，不能仅仅提高物理层数据速率。

　　B. 向后兼容

　　802.11ac 修订标准向后兼容工作在 5 GHz 频段的 802.11a 和 802.11n 设备。

　　C. 共存

　　802.11ac 修订标准具有 802.11ac 与 802.11a/n 设备之间共存机制。

　　有必要指出，802.11ac 仅需向后兼容并与 802.11a 和 802.11n 共存。这是因为 802.11ac 设备实际上仅在 5 GHz 频段工作。

　　802.11ac 技术细节

　　为保证向后兼容和共存，802.11ac 在可能的情况下重用 802.11n 技术规格。例如，802.11ac 采用与 11n 一样的物理层 OFDM 调制 （正交频分多路复用），并保持相同的编码和交错式架构。不过，为满足性能目标，做了一些必要的修改并提供新的 11ac 特性。表3所示为与 802.11n 相比，802.11ac 引入的大量新特性 （粗体突出显示）。

　　表3： 802.11ac 主要功能

　　802.11ac 设备物理层规定参数为 80 MHz 带宽、64QAM 5/6 和1个空分码流。采用这种配置，数据速率达293 Mbps。不过，采用所有选用参数的设备 （160MHz、256QAM 5/6 和8个空分码流），数据速率可达到 6.93 Gbps。

　　单 PPDU 帧格式按物理层会聚协议定义，如图2所示。为保证向后兼容，专门定义了 802.11a 和 n设备可收接收的非 VHT 字段。前导码中前4个字段用于非 VHT 站接收。前三个字段与 802.11n 的字段相同，第四个字段用于确定 802.11n 还是 802.11ac。前导码中剩余字段仅用于 VHT 设备。VHT-STF 用来改善 MIMO 传输中的自动增益控制。VHT-LTF 是长训练系列，为接收机提供 MIMO 信道预估。VHT-SIG-B 提供单用户或多用户模式数据长度、调制和编码方案 （MCS） 信息。

　　图2： VHT PPDU 格式

　　生产测试面临的挑战

　　WLAN 生产测试系统广泛安装在全球 WLAN 设备制造厂中。硬件平台长期以来没有大的变化，往往通过软件升级满足随着 WLAN 标准演进出现的新的测试要求。不过， 802.11ac 的新功能对测试系统提出了更高的要求，许多现有硬件平台需要升级。

　　802.11ac 带来大量变化，其中三个方面是生产测试设备面临的最为严峻的挑战：宽带宽、多个空分码流和高密度调制。此外，测试速度也是生产的重要要求。

　　1.宽带测量

　　802.11ac 仅在 5 GHz 免牌照频段工作。与 2.4 GHz 频段相比，具有宽可用带宽和低干扰的优点。美国和欧洲信道分配分别如图3和图4所示。因此，测试需要生成并分析 80MHz 瞬时带宽或160MHz （可选） 带宽，频率达 5.835 GHz 的信号。

　　图3： 美国信道分配

　　图4： 欧洲信道分配

　　对于发射机测试，需要一次捕获整个信号带宽，测量信号质量、频率、功率和频谱平坦度。频谱包络测量需要分析更宽的带宽 （如 802.11ac 80MHz 为 240MHz）。这可以采用频谱拼接技术，以更加经济的方法来实现，这种技术可捕获信号的多个快照，按频域进行拼接，显示整个带宽。

　　对于接收机测试，需要生成全带宽信号波形模拟被测设备 （DUT）。这种方法可以测试多种操作模式的接收灵敏度。

　　现有及今后推出的 Aeroflex PXI 3000 系列射频模块支持宽带信号分析，并可生成 6 GHz 频率，便于满足 802.11ac 带宽和频率要求。我们的 802.11ac 解决方案可通过软件升级，是 802.11ac 测试的理想平台。