近年來,隨著中國手機品牌在中國市場與國際市場強勢崛起,智慧型手機領域的競爭進入了白熱化。但由於晶片和硬體技術的成熟,手機功能越來越趨同,性能參數也越來越相似,手機品牌間的差異化越來越難。同時,新特性和跑分參數容易給消費者造成審美疲勞。因此,消費者越來越看重手機的用戶體驗、穩定度和耐久性。因此,能否持續提供最佳的用戶體驗和可靠的品質,成為手機品牌未來能否成功的關鍵。

今天的智慧型手機不再是簡單的通訊工具,而是一個讓人們能夠隨時隨地連網、工作和娛樂的個人運算平台——而網際網路連接,是工作和娛樂的基礎。目前有兩大技術可在手機上提供網路連接,一是伴隨著手機誕生的蜂巢式行動網路,二是稍晚出現但飛速發展的IEEE 802.11無線區域網路(WLAN)——更多是以Wi-Fi這個名稱被使用。802.11技術工作在免授權(unlicensed)頻段,具有成本低、速率高、部署簡單以及覆蓋廣的特點。在家庭、商場、酒店、企業內部與公共設施等場合都是用戶接取至網際網路的首選方式。根據統計,在手機上,用戶使用Wi-Fi的資料流量遠大於使用蜂巢式通訊技術產生的資料流量。

20180614_LitePoint_TA31P1 行動網路和Wi-Fi流量佔有率比較。固定式/Wi-Fi流量自2018年起超越固定式/有線(wired)網路流量(來源:Cisco)

由於Wi-Fi元件承載了智慧型手機用戶最多的資料流量和使用時間,Wi-Fi元件的性能與品質很大程度地影響著用戶的使用體驗。然而,由於一些手機品牌對於Wi-Fi元件品質不夠重視,導致手機的用戶體驗和品牌認可度持續降低。其中,Wi-Fi訊號弱、上網速度慢、延遲高等幾大問題受到了較多的用戶投訴,對於這些手機品牌的形象帶來了負面影響。因此,如何提高手機Wi-Fi的品質,成為各家廠商亟待重視的問題。本文嘗試從技術角度,深入探討影響手機Wi-Fi品質的原因及其因應方法,並揭示完整的Wi-Fi測試對於智慧型手機的重要性。

訊號品質

使用者透過查看手機螢幕上方的Wi-Fi圖示,可以直接瞭解到當前Wi-Fi訊號的強弱。有時候兩個不同品牌的手機明明在相同的位置,顯示的訊號格數卻不同,於是使用者就會抱怨訊號格數少的手機Wi-Fi訊號差。這與手機Wi-Fi接收機的性能有關。Wi-Fi元件在與路由器連接狀態下,射頻(RF)接收機會定期測量接取點(AP)發出的廣播封包,算出無線接收訊號強度(RSSI),再根據RSSI值的大小,在作業系統上顯示訊號的強弱。正常情況下,手機距離路由器越近,RSSI值越高,表示接收到的Wi-Fi訊號越強;手機距離路由器越遠,RSSI越低,表示Wi-Fi訊號越弱。

經過校準和測試過的手機,測量得到的RSSI值和訊號格數與真實的接收訊號強度一致,對下行訊號的接收性能也比較好。而未經過校準測試的手機,RSSI值和訊號格數與真實的接收訊號不一致,對下行訊號的接收性能較差。因此,未進行接收機校準測試的手機Wi-Fi不僅顯示訊號弱,上網速度和工作的範圍都要差於經校準測試的手機,往往在正常手機能夠接收到Wi-Fi訊號的地方卻顯示沒有訊號,導致使用者體驗不佳。

另一種情況是使用者的手機有時候明明能看見一格以上的Wi-Fi訊號,實際的上網速度卻非常慢,甚至形同斷線,用戶體驗受到嚴重影響。手機顯示有訊號說明接收機沒有問題,那麼問題出在哪兒?答案就在手機的發射機功率上。對手機來說,發射機功率非常重要——發射功率過高,會使手機耗電過快,需要頻繁充電。而發射功率過低,會使上行訊號經過路徑衰減後無法正常抵達路由器的接收天線,從而降低了手機的實際工作範圍。因此,在手機生產製造過程中,必須針對Wi-Fi發射功率進行嚴格的校準和測試,以確保發射功率的準確性。

由於無線通訊是雙向的,透過在生產製造過程中對手機Wi-Fi發射功率和接收機靈敏度進行嚴格的校準和測試,可以確保手機的上行鏈路(uplink)和下行鏈路(downlink)在最大工作範圍內保持匹配,而不會出現其中之一拖後腿的情況。

20180614_LitePoint_TA31P2 智慧型手機的發射機和接收機在進行校準測試前後比較

第三種情況,由於Wi-Fi主要工作在免授權頻段,頻譜比較擁擠,所以有經驗的用戶常常會選擇將路由器切換到干擾較小的特定頻率。但當用戶手機使用不同頻率接取路由器時,有時會發現訊號強度和上網速率會有明顯下降。這是因為Wi-Fi工作在兩個主要頻段,2.4GHz和5GHz。每個頻段都細分為多個頻率,如2.4GHz頻段就有從2412MHz到2484MHz的14個可用頻率,而5GHz頻段由於頻寬更寬,則有分佈在5180MHz到5825MHz範圍內的24個頻率。對於手機Wi-Fi元件來說,不同頻段範圍內可用頻率的RF性能表現會有很大不同。因此在生產測試過程中時,應該對這兩個頻段內的多個頻率依次進行校準和測試,從而確保手機出廠後在2.4GHz和5GHz的所有頻率都能夠正常運作。

上網速度不夠快?

接下來討論上網速度。Wi-Fi作為一種無線區域網路技術,覆蓋範圍不如蜂巢式行動通訊覆蓋範圍,終端位置通常相對固定。所以,Wi-Fi訊號所處無線通道的頻率選擇性和空間正交性都要優於廣泛覆蓋的蜂巢式網路。因此,Wi-Fi可以更有效地利用高頻寬和多天線技術的優勢,大幅提升速率。目前市場主流的802.11ac Wave 2產品已經能支援高達160MHz頻寬以及多用戶-多輸入多輸出(MU-MIMO)技術。以高通(Qualcomm)驍龍835/836行動平台為例,它可支援802.11ac 2x2 MU-MIMO,傳輸速率比前代產品提升一倍以上。而未來的手機行動平台將會支援更高的頻寬和更多的MIMO天線數。

然而,如果在生產製造過程中忽略了對這些新的特性進行測試,很可能導致產品在實際使用中出現上網速度慢的問題。例如,很多早期的測試儀器只支援80MHz或40MHz以下頻寬訊號的產生和解調,導致在生產測試中部份高速率模式未能進行測試,因此我們無法得知產品在高速率模式下是否存在品質問題,而在產品上市後將存在品質風險。雖然一些廠商採取頻譜拼接的方法取得手機RF模組的發射機測試結果,但由於採用了非即時採樣(分多次擷取),這樣的結果無法準確地反映訊號的真實特性,存在一定程度的誤差。透過最新一代的無線通訊測試儀(如LitePoint IQXel-MW),支援160MHz的訊號解調和產生,可以對這些高速率模式進行完整的測試。

而對MIMO的測試也存在相似的問題,由於早期的儀器大多只有一套向量訊號分析儀/向量訊號產生器(VSA/VSG)組合,因此同一時間只能對一條RF鏈路進行驗證。針對支援MIMO的手機,只能採用分時切換的方式對每一條RF鏈路依次驗證。採用這種做法的廠商無法得知待測物(DUT)工作在MIMO模式的真實性能表現。透過像IQXel-MW等新的無線通訊測試儀,能夠支援最多4~8路MIMO通道同步測試,實現MIMO場景下的手機RF鏈路性能測試。

20180614_LitePoint_TA31P3 不同頻寬和MIMO天線數的組合

實現更低延遲

網際網路上有一些新的熱門應用,例如線上遊戲,由於其即時性和互動性,對於網路延遲的要求很高。延遲越低,遊戲體驗越好,延遲越高,遊戲體驗越差,甚至無法正常遊戲。因此,延遲是評估智慧型手機連網性能的一個重要指標。造成延遲的原因有很多。由於IEEE 802.11是工作在TCP/IP協議之下的媒體存取控制(MAC)層和實體層(PHY)協議,採用了「載波偵聽多路存取/碰撞檢測」(CSMA/CD)的衝突避免機制。因此,Wi-Fi無線網路的延遲主要是由於手機訊號品質不佳或者來自其他Wi-Fi裝置的干擾引起多次重傳造成的。不過,手機的接收機性能不好也會導致下行的重傳增多。

評估手機Wi-Fi發射訊號品質的主要指標是誤差向量幅度(EVM)。EVM反映了手機發射機訊號IQ調變偏離理想值的程度。EVM越高,訊號品質越差,再經過無線通道的衰減之後,路由器接收機就很難正常解調該訊號,造成封包遺失和重傳,從而延長了傳輸延遲。因此,我們期望在手機發射端的訊號品質盡可能好,才能確保傳輸的穩定和低延遲。在手機生產製造過程中,我們使用VSA儀器對手機發射機發出的RF訊號進行解調分析,即可計算出EVM值。

由於EVM值反映的是RF鏈路的雜訊性能,因此如果測試儀器的雜訊層(noise floor)過高,就會疊加到待測訊號而影響EVM測量結果的準確度。一般來說,儀器的雜訊層要低於EVM規範要求的10dB左右。例如,11ac 256QAM訊號的EVM要求不能高於-32dB,VSA的噪訊層需要低於-42dB才能夠得到相對準確的EVM測量結果。而下一代的802.11ax標準要求支援1024QAM的調變,EVM必須達到-35dB。上述IQXel-MW的EVM可達到-48dB以下,相對於11ax的要求有13dB以上的餘量,因此能夠精確測量這些高階調變訊號的EVM值。除了EVM以外,頻率誤差和符號時脈誤差也是衡量手機Wi-Fi訊號品質的重要指標,必須使用測試儀器對這兩項指標進行測試。

20180614_LitePoint_TA31P4 不同調變階數的EVM指標要求

手機之間Wi-Fi訊號互相干擾的一個重要原因是相鄰通道之間的干擾。這項干擾主要是由於相鄰通道洩露造成;相鄰通道洩露比(ACLR)反映了手機發射機訊號洩露到相鄰通道的能量比例。這個比例越高,對其他頻率工作中的手機訊號干擾越大。如果手機的相鄰通道抑制不佳,則對於環境造成的干擾就會很大,整個網路的重傳就會因此增多,造成延遲增加和傳輸速率降低。802.11標準主要透過傳輸頻譜遮罩(Transmit Spectral Mask)對手機訊號的頻譜性能進行評估。透過支援傳輸頻譜遮罩測試功能的測試設備,針對手機的這項指標進行評估,才能確保產品在實際工作中儘可能減少對相鄰通道的干擾。

手機的接收機性能對延遲來說也非常重要,一個良好的接收機能夠正確接收遠端發出的資料封包。如果接收失敗,則會造成重傳以及資料速率下降,從而產生較大延遲。評估接收機性能的方法主要是由測試儀錶的VSG發出不同調變編碼機制(MCS)的Wi-Fi標準訊號,透過測量手機接收機的封包錯誤率(PER)來判斷接收機的性能。對於VSG來說,要求支援較大的動態範圍,並且對雜訊層也有較高的要求。

結語

今天,智慧型手機在我們的生活中幾乎不可或缺,各大智慧型手機品牌還在不斷的進行技術革新。但無論智慧型手機增加什麼樣的新特性和新功能,其中的Wi-Fi元件依然承載著最多的網路流量。因此,Wi-Fi元件的性能和品質影響著智慧型手機用戶的使用體驗和智慧型手機的品牌認同度。本文從技術角度分析智慧型手機中常見的Wi-Fi品質問題,如訊號強度、速率與延遲等的成因;同時從測試角度提供手機製造商如何在生產製造過程中實現完整準確的測試方法,從而使手機業者能夠盡可能地減少這些品質問題。