802.11ax作為下一代Wi-Fi標準可望大幅提升整體網路容量,尤其是在校園、機場、咖啡廳、公寓大樓和體育館等人員密集的城市環境。

802.11ax的側重點並不一定是提升各個Wi-Fi設備的速度,而是最佳化所有設備的資料輸送量。在2018年,正有越來越多的802.11ax晶片組開始投入市場,Wi-Fi設備製造商需要迅速採用這種晶片組並對其新的802.11ax設備進行驗證。

從802.11n和802.11ac等以往的802.11標準向802.11ax過渡的過程中,新增了多項需要全面測試的新技術和性能要求。但是,在設計此類測試方案時,將面臨諸多挑戰。

難題1:802.11ac和802.11ax間的重大變化

設計驗證測試(DVT)第一個常見難題是低估802.11ac和802.11ax之間的巨大變化。802.11ax將正交頻分多址接取(OFDMA)技術引入了Wi-Fi。雖然OFDMA基於正交頻分複用(OFDM)技術構建,但OFDMA及其後續技術層帶來了一組全新的測試要求,這些要求與OFDM不相容,而OFDM恰好又是先前Wi-Fi標準的基礎。

20181012TA31P1 圖1 802.11ax技術層和主要測試覆蓋範圍。

對於OFDM技術而言,特定的時間段內所有子載波共用一個通道,因此接取點(AP)在某一時刻只為一個用戶(也稱為基地台,STA)服務。OFDMA支援在相同的通道頻寬中複用多個用戶,最小的子通道稱為資源單元(RU),而AP可以動態分配RU,從而高效地為其網路中的所有使用者服務。例如,與正在流覽靜態網頁的使用者相比,正在傳輸高畫質視訊的使用者可以佔用更多子通道,從而獲得更大的RU,這種高效的頻譜使用方式能夠提升整體網路容量。

誤差向量幅度(EVM)是測試Wi-Fi設備時用於檢測各種傳輸品質缺陷的關鍵指標。1,024QAM調變現已成為802.11ax的要求之一,與802.11ac中-32dB的EVM要求相比,該標準針對最高資料傳輸速率指定的EVM要求為-35dB。為滿足這種新的、更為嚴格的EVM要求,測試儀器的相位雜訊必須低於802.11ac測試所用儀器的相位雜訊。

為使OFDMA無縫工作,使用者需要能夠同時共用同一通道,而不會過分干擾其他用戶。面臨的挑戰之一是,用戶與AP的距離各不相同,因此基地台接收的功率水準可能存在明顯差異。

因此,AP必須能夠提高或降低子通道的功率,為多位元使用者補償不同的路徑損耗。同樣,各用戶或基地台必須能夠調節自己的功率,從而保證不會將共用同一通道的其他使用者淹沒。

若要精確控制功率從而最大程度地提高覆蓋範圍與輸送量,接收訊號強度指示(RSSI)精準度也至關重要。根據精準度,可將基地台設備分為A類或B類,精準度較高的設備(A類)可以在AP分配通道時獲得優先權。

測試各RU的EVM是802.11ax中的一項新要求。對於上行鏈路訊號,各RU的EVM必須足夠小,以便AP能夠正確地解調訊號。訊號衰減也會干擾其他使用者,導致資料輸送量降低。

對於下行鏈路訊號,必須對各基地台專用子通道的EVM進行測量。根據AP和基地台之間的距離,各子通道的功率水準可能存在明顯差異,若要將AP作為待測物(DUT)在DVT測試中進行全面測試,必須在基地台距離不同的多種情況下測量子通道EVM。

由於數位預失真技術將得以廣泛應用,描述EVM相對於功率的特性在802.11ax中也十分重要。若要確保性能適當,務必要在某一功率範圍內測量EVM,而不僅僅在某一功率水準測量。

多個基地台同時共用來自相同AP的子通道時,AP的作用需要與基地台或管弦樂團的指揮類似,負責協調來自基地台的上行鏈路傳輸。為此,AP會向其所有用戶傳輸一個下行鏈路控制幀(稱為觸發幀),觸發幀向各用戶請求上行鏈路回應,這稱為高效觸發PLCP協定資料單元(HE-TRIG PPDU)。

AP接收到用戶回應後,會將確認(ACK)封包發回用戶。為確保基地台發出的封包可以同時到達AP,AP要求各基地台的時脈與AP時脈同步,載波頻率偏移(CFO)和時序誤差較大時會造成用戶之間相互干擾,進而降低網路容量。

基於觸發的測試可以對基地台或AP進行測試。測試儀可以模擬任一機制,即在測試基地台時可以用作AP,而在測試AP時可以用作基地台。用作AP時,測試儀需要類比與基地台DUT的即時通訊,驗證可以在400ns的短幀間間隔(SIFS)內傳輸,並在350Hz範圍內與AP時脈同步。

20181012TA31P2 圖2 TBT(基於觸發的測試示例)——測試AP。

測試AP時,測試儀必須能夠類比接近於技術規範臨界值的基地台。透過導入減損,測試工程師可以對AP DUT進行壓力測試,以驗證其實際性能,測試工程師可以更改頻率偏移,和/或多個基地台之間的時序與功率差異,從而對AP執行嚴格測試,並找出減損與AP行為之間的關聯。

難題2:802.11ax設備需要更多測試組合

與前幾代Wi-Fi測試相比,802.11ax DVT測試需要更多的測試組合。DVT試驗需要覆蓋2.4GHz和5GHz頻率範圍,為研究減損產生的影響,需要使各個使用者的頻率偏移、功率水準和時序偏移多樣化。將這些排列與數百種RU尺寸與分配組合相結合,再加上多達八個MIMO串流,可以預見,與802.11ac DVT測試相比,測試計畫資源與測試時間都會大幅增加。

20181012TA31P3 圖3 多使用者OFDMA訊號示例。

802.11ax是一項嶄新的技術,各種可用功能仍在不斷演化。晶片組業者正持續更新其韌體以實現和改進802.11ax功能,而設備公司需要迅速適應這些變化並對其設備執行回歸測試。這有助於在早期階段發現偏差,從而降低總體風險。

由於測試的計畫和執行日益頻繁,並且大量的測試用例排列引入802.11ax,DVT測試工程師目前正在開發規模更大、更加複雜的測試試驗。802.11ax DVT的另一個難題是,在時間有限的情況下構建這些試驗相當複雜。

現在,DVT測試需要更佳系統的方法而不是簡單的手動測試。需要採用相同的測試方法重複進行試驗,並且必須以相同的方式對結果進行對比。無論測試工程師自己編寫自動測試程式還是依賴協力廠商軟體,都必須使用自動化測試軟體方案來建構測試試驗,從而簡化大型DVT試驗的建置工作。

20181012TA31P4 圖4 802.11ax測試排列和測試時間成指數增長。

難題3:802.11ax測試產生大量資料

在使用無數測試參數組合多次執行大量測試時,測試工程師最終必然會獲得大量原始資料。研究大量資料時,以有意義的圖表形式對資料進行視覺化是最清晰的一種方式,因此大多數測試工程師都會使用能夠透過原始資料創建圖表的工具。

圖表可以協助測試工程師深入瞭解設備性能,從而有助於他們對設計進行調整,並在下一個DVT試驗週期中做出微調。但是,使用一般試算表分析802.11ax資料時,資料管理和資料操作往往會消耗更多的時間和精力,留給實際測試工程設計的時間就會變短。

考慮到測試次數、測試週期不斷增加,以及要求不斷變化,測試工程師需要快速整理大量資料並建立圖表,揭示富有意義的發展趨勢和硬體或軟體中存在的嚴重問題。

為高效分析802.11ax資料,需要採用更高階的資料分析工具,而不是一般的試算表,無論測試工程師自己編寫資料分析工具還是依賴協力廠商分析工具,在選擇資料分析工具時,務必遵從以下三項標準:

  1. 快速實現資料視覺化。

  2. 利用實現週期性任務(例如創建報告)的自動化充分利用工程設計資源。

  3. 靈活適應不斷變化的測試配置和參數。

借助適當的分析工具,測試工程師將能夠快速實現資料視覺化並深入瞭解設備性能。

避開802.11ax DVT測試難題

本文探討了802.11ax DVT測試中常見的三個難題。全新測試方案與802.11ac相比更加複雜,測試用例排列組合增多和測試時間增加,以及需要更高階的測試分析工具。若要確實準備好迎接新一代Wi-Fi標準,設備製造商必須瞭解並採用適合其802.11ax設備的全新測試方法,使用自動化測試軟體快速、高效地建立測試流程,並提前選擇智慧資料分析工具來提高工程設計生產力。

802.11ax可望在用戶密集環境中大幅提升整體網路容量,並帶來備受期待的最佳化資料輸送量。人們對802.11ax寄予厚望,因此將產品快速推向市場的壓力也非常大,但是,若針對這些變化提前做好計畫,設備製造商就可以確保802.11ax設備性能能夠滿足客戶的預期。