Refined Test Approaches for Verifying Wi-Fi 6 Designs

Craig Hendricks, Anritsu Company, Morgan Hill, Calif.

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IEEE 802.11ax 标准（通常称为Wi-Fi 6）旨在支持不断变化的 Wi-Fi 流量。为了在有限的频率资源中获得更高的通信效率，它被设计用来处理与一个接入点（AP）的多个同步连接，扩大带宽以解决更多的视频应用——特别是4K视频流，以及由于运营商清频而大幅增加的语音流量。由于802.11ax可在密集场景中实现更好的共存方案、流量调度和更高的性能，Wi-Fi 6的部署将带来更高的频谱效率和对新的6GHz频段（即Wi-Fi 6E）的支持。然而，却给工程师带来了设计上的挑战，且会对验证性能的测试环境产生影响。

Wi-Fi 6的部署影响深远。图1显示了该技术在手机、消费产品和其他网络元素中的预计增长趋势。对于大多数高端手机型号，特别是支持5G的手机，已经嵌入了Wi-Fi 6，它与5G的共存解决方案是Wi-Fi 6有望快速崛起的原因之一。实际上，Wi-Fi 6是一个局域网范畴，而5G是广域网范畴。Wi-Fi 6可以通过释放5G的频谱资源来使用。

图1 Wi-Fi 6 IC出货量预测。资料来源：Omdia。

Wi-Fi 6增强功能

为了理解Wi-Fi 6增加的测试要求，我们将首先描述802.11ax标准中那些改进的部分。

调度

Wi-Fi 6经过优化，可将密集和拥挤环境中的用户的平均吞吐量提高4倍。为了实现这一更高的吞吐量，Wi-Fi 6可以调度低至2兆赫的带宽切片，与以前的20兆赫带宽切片相比，调度能力提高了10倍。更窄的切片可以使本底噪声大幅下降8dB，从而使信号测量范围更大，这样可以将噪声和干扰的容忍度提高8分贝。同时将子载波频率间隔从312.5kHz缩小到78.125kHz，从而提高调度效率。

2MHz的切片调度可以延长电池寿命，Wi-Fi 6的目标唤醒时间（TWT）功能也是如此。TWT使Wi-Fi 6接入点能够触发客户端设备的唤醒，并仅在需要时使用电池。Wi-Fi 6还能更好地利用时间和频率资源、调制、编码和空间流，以尽量减少频域资源竞争并提高容量。

OFDMA/QAM整合

Wi-Fi 6使用正交频分多址（OFDMA），类似于5G和LTE中使用的调制方式。OFDMA能够同时为多个站点提供服务，从而改善密集信号环境中的容量、延迟和效率。相比较于前几代的256QAM调制，Wi-Fi 6使用1024QAM调制，单个用户的峰值数据率增加了25%，却给设备的设计带来了挑战。更好的调制精度和更大的动态范围常用于空口（OTA）测试。

OFDMA是对多用户MIMO（MU-MIMO）的新扩展，以提高Wi-Fi 6的速度。MU-MIMO结合了来自不同天线和空间路径的信号，以提供多达12个空间流（8个在5或6GHz频段，4个在2.4GHz频段），比Wi-Fi 5提供的4个空间流有相当大的升级。在波束赋形模式下，AP可以将信号定向到所需的客户端，并将有效接收(Rx)信号功率远离其他设备。

新的PPDU格式

在PHY层，区别于传统的帧格式，802.11ax提供了四种新的分组协议数据单元（PPDU）格式：高效率、单用户（HE SU）、HE扩展范围（HE_EXT_SU）、多用户（HE MU）和基于HE触发（HE_Trig）。

多用户上行链路（UL）传输通常需要对设备进行仔细校准，以满足严格的功率和测量精度要求。然而，802.11规范允许设备实现更广泛的功能。虽然每个设备对所支持的PPDU格式的要求还没有确定，但每个设备都必须能处理所有传输模式的前导部分。

三频架构

图2 Wi-Fi 6三频架构。

Wi-Fi 6设计中使用了一种新的三频架构（图2），该设计需要先进的滤波来分割5GHz和2.4GHz的数据流，这些数据流被分成三组。为了重用天线的高级功能以支持2.4和5GHz传输，双工是必要的。新架构使用热隔离来补偿PCB上有源和无源元件的紧密间距，需要先进的封装来最大限度地提高导热性和最小化尺寸。

Wi-Fi 6E的扩展

随着Wi-Fi 6E（扩展）标准的采用，Wi-Fi联盟将频谱扩展到7.125GHz，使6GHz频段也可用于免授权Wi-Fi。结合三频架构，Wi-Fi 6E建立了专用的客户端通信和回程频谱。正因为如此，不再需要分割5GHz频谱。6GHz频段可以专门用于回程，创造了一个几乎是“绿地”的环境；也就是说，它不需要与传统的标准兼容。

测试要求

Wi-Fi 6的技术改进不仅仅是提高了性能；它们改变了产品的验证方式和测试系统的配置。仪器必须采用OTA测试方式测量更严格的参数。IEEE 802.11ax标准中添加了新的测试项目和复杂的测量方法，天线是6GHz频段的关键评估元素，因为天线的性能要求随频率变化而变化。

欧洲电信标准协会（ETSI）最初规定使用频谱分析仪来进行关键的性能测量，如输出功率、杂散和占用带宽。新的规范（2.4GHz的ETSI EN 300.238和5GHz的ETSI EN 301.893）要求在测试系统中使用Wi-Fi呼叫盒进行合规测试，以支持接收器阻塞测试。这种测试配置优于使用非信令测试仪或AP来控制最小数据速率。较早的方法使得将设计有多个芯片组的设备控制到最低数据速率变得更加复杂，因为每个芯片组都需要专有软件。

图3 由过高的Tx功率引起的呼叫断开。

除了合规测试外，移动运营商还要求在呼叫连接期间进行功率电平测试，以确保没有过度的输出功率导致断开连接。由于在某些情况下会出现这种情况，一种有用的能力是在呼叫连接前测量发射（Tx）功率，以发现IEEE程序没有发现的输出功率过大的设备（图3）。

802.11ax标准规定了Tx和Rx测试。其中包括使用OFDMA方法的HE TB PPDU格式Tx测试和1024 QAM调制的评估。Tx功率、接收信号强度指示（RSSI）测量精度和载波频率偏移误差测试也很重要。还需要进行Rx测试，因为性能随频率和调制方法等条件而变化。这些测试包括：

调制精度——用户设备的性能会随着每个数据速率下调制方法的改变而受到影响。有两种测量方法可用于描述调制精度。Tx本地振荡器（LO）泄漏和误差矢量幅度（EVM）。Tx本地振荡器泄露测量在射频LO频率上泄漏和出现的能量多少。太多的功率泄漏可能导致解调器性能不佳。此外，如果功率电平太高，接收器可能会错误地触发信号。对于802.11ax，规范要求使用78.125kHz的分辨率带宽，在射频LO的位置测量功率。测量的功率不应超过-20dBm或每根天线的Tx功率（以dBm为单位，减去32dB）两者中的较大者。

因为Wi-Fi 6使用1024QAM，所以EVM要求更严格。对于调制和编码方案（MCS）0至9的HE SU、HE_EXT_SU和HE MU PPDU的要求与802.11ac相同。对于新的MCS 10和11，如果在测试设备中启用振幅漂移补偿，EVM要求为-35dB，如果禁用振幅漂移补偿，则为-32dB。802.11ax的EVM计算使用估计频率偏移和采样偏移漂移的补偿；这与802.11ac不同，后者只补偿频率偏移。这种不同的要求是由于802.11ax的符号时间更长，这可能导致更大的时间漂移和载波间干扰（ICI）。对于HE TB PPDU，EVM要求必须考虑到多站（STA）同时传输的情况。AP将把来自多个来源的噪声整合为总的累积噪声，如果噪声太大，网络性能将下降。此外，一个STA无意中在其分配的资源单位（RU）之外发射功率，将降低其他STA的EVM。

图4 测量的Tx功率、EVM、信号星座图、频谱模板和功率曲线。

功率调整——被称为预校正，该测量测试RSSI和绝对Tx功率测量精度的各自总值，通过显示用户设置的TargetRSSI和测试装置接收的实际被测设备（DUT）信号之间的差异来执行。

图4显示了Tx功率、EVM、星座、频谱模板和功率曲线的测量。

OTA测试

802.11ax标准中对6GHz频段的支持需要使用OTA测试进行天线性能评估。在进行Wi-Fi 6 OTA测量时，测试系统必须有很宽的动态范围，以保持辐射连接的连通性，即足以克服大的路径损耗——这很容易达到50dB——从Wi-Fi设备通过暗室、天线和电缆，回到测试系统中。由于OTA测量天线方向图中的零点，连接可能会中断，如果没有足够的动态范围，则无法测量零点。

随着时间的推移，Wi-Fi测试系统的动态范围已经增长。对于802.11a/b/g，最大信道带宽为20MHz。对于802.11n，带宽增加了一倍，达到40MHz，提高了接收机的噪声底限，动态范围减少了3dB。对于802.11ac和802.11ax，最大信道带宽增加到160MHz，与20MHz的信道相比，本底噪声增加了9dB。

对于较新的Wi-Fi标准，最大的数据率是通过更复杂的调制方式实现的。较低的数据率和编码方案，如MCS0 BPSK，只需要4dB信噪比（SNR）来解调信号。然而，对于Wi-Fi 6，MCS9 256QAM调制需要29dB的信噪比来解调信号，增加了测试系统的动态范围。

图5 TRP/TIS测量配置。

蜂窝通信/Wi-Fi设备供应商要求按照CTIA/WFA融合无线组的要求，在暗室进行OTA测试。2.1版规定了OTA环境测试项目，如Wi-Fi总辐射测量，包括总辐射功率和总各向同性灵敏度，这需要为每个频段设置多个数据速率，以分析DUT在所有方向上接收的无线电波的功率（图5）。还必须通过OTA进行蜂窝和Wi-Fi灵敏度降低测量。Wi-Fi灵敏度降低测量可评估DUT执行蜂窝通信时Wi-Fi接收的任何恶化。相应地，在Wi-Fi发射器开启的情况下进行蜂窝衰减测量，以确定蜂窝接收性能的降低程度。

还进行了OTA测试以验证用例性能。这些测试模拟了现场的行为，并使用混响室来考虑包含衰减和多径的真实环境的影响。模拟人的手、头或身体对智能手机天线的屏蔽作用就是一个例子。另一个例子是测试AP天线的连接，尽管有干扰信号或在连接过程中数据速率发生变化。

EMC测试

Wi-Fi 6的设计需要满足802.11ax规定的EMC参数。这是一个挑战，因为很难控制一个接入点的数据速率。使用具有连接保持功能的数据速率控制的测试解决方案，可以实现更有效、更准确和可重复的测试。连接保留使测试装置可以更改数据速率而不会断开连接。

帧捕捉

最好是，测试装置将捕获与DUT通信的数据包，这比将嗅探器工具集成到测量环境中的方法提供更有把握的结果。数据包经常被嗅探器遗漏，导致不适当的分析和增加测试的时间。捕获数据包可以更容易地调试连接问题。

频谱平坦度

频谱平坦度通过确定子载波范围的平均能量并验证没有单个子载波的能量超过指定值来测量子载波是否具有类似的功率。802.11ax频谱平坦度测量使用BPSK调制的OFDM子载波，测试信号包含至少20个PPDU，每个至少有16个数据符号。在测试和平均过程中忽略未占用的子载波。此外，测试期间未使用RU功率提升和波束赋形。

Rx输入灵敏度

最小输入灵敏度测试验证了接收器在最小输入电平下成功解调信号，且数据包错误率低于10%。对于802.11ax，最小输入灵敏度取决于调制、编码率和带宽。对于这项测试，802.11ax数据包应该是HE SU PPDU，长度为4096字节，有800ns的防护间隔。如果PPDU带宽为20MHz，则使用二进制卷积编码，当带宽大于20MHz时，则使用低密度奇偶校验。

小结

IEEE 802.11ax旨在支持Wi-Fi流量（尤其是流视频）的整体增长，是对5G的有力补充。Wi-Fi 6/6E设备的测试需要能够以更严格的参数进行测量并能够进行OTA测试的解决方案。