朱晨，陳成新，李智，盧娟

（深圳市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院，深圳 518055）

1 引言

802.11是IEEE制定的WLAN系列通信標(biāo)準(zhǔn)，包括物理層和MAC層控制協(xié)議。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，802.11系列包含多個(gè)WLAN標(biāo)準(zhǔn)，可以滿(mǎn)足不同的用戶(hù)無(wú)線(xiàn)通信需求。802.11ac協(xié)議制定項(xiàng)目于2008年底啟動(dòng)。2009年9月，IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)正式批準(zhǔn)了802.11n無(wú)線(xiàn)通信標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)入802.11ac無(wú)線(xiàn)通信標(biāo)準(zhǔn)的制定，并于2013年完成并獲批通過(guò)。802.11ac標(biāo)準(zhǔn)的核心技術(shù)繼承自802.11n，繼續(xù)工作在5 GHz的頻段上，并進(jìn)一步提升了通信帶寬，新標(biāo)準(zhǔn)的理論傳輸速率將達(dá)到1 Gbit/s，有望滿(mǎn)足未來(lái)人們對(duì)于高速移動(dòng)多媒體通信業(yè)務(wù)的需求。

2 802.11ac的技術(shù)特性

在802.11系列標(biāo)準(zhǔn)中，目前得到普遍使用的是802.11b/g協(xié)議，即大部分Wi-Fi設(shè)備工作在2.4 GHz頻段。除WLAN設(shè)備以外，還有諸如無(wú)線(xiàn)鍵盤(pán)、藍(lán)牙等電子設(shè)備也使用此頻段。低頻段的數(shù)據(jù)傳輸容量上限較小，信道的擁擠導(dǎo)致無(wú)線(xiàn)設(shè)備間干擾嚴(yán)重，通信質(zhì)量較低。隨著多媒體應(yīng)用業(yè)務(wù)的普及，人們對(duì)于數(shù)據(jù)速率的需求日益增高，為了解決2.4 GHz頻段擁擠對(duì)數(shù)據(jù)速率的限制，802.11n在支持2.4 GHz的傳統(tǒng)頻段之外，還選擇了更高頻段的5 GHz為工作頻段。5 GHz頻段與軍用雷達(dá)頻段重合，因此很多國(guó)家出于安全考慮僅開(kāi)放少量信道可供WLAN通信使用。即便如此，5 GHz相對(duì)于2.4 GHz頻段具有高頻段天然的大容量?jī)?yōu)勢(shì)，而且信道間距較大，工作于此頻段的設(shè)備數(shù)量較少，相互干擾較小，信號(hào)品質(zhì)明顯提高，數(shù)據(jù)傳輸速率也有了顯著提升。

802.11ac的制定目標(biāo)是滿(mǎn)足VHT（Very High Throughput)的需求，即提供極高的數(shù)據(jù)吞吐能力改善Wi-Fi的用戶(hù)體驗(yàn)，使無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的通信能力可與有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)相媲美。802.11ac的主要技術(shù)指標(biāo)與802.11n的對(duì)比見(jiàn)表1[1,2]。

表1 802.11ac與802.11n標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

2.1 工作頻段與信道帶寬

802.11ac僅在5 GHz頻段工作，更高的數(shù)據(jù)速率目標(biāo)是其放棄2.4 G頻段的主要原因。802.11ac包含強(qiáng)制或可選帶寬來(lái)增強(qiáng)信道帶寬。除了目前大多數(shù)802.11n設(shè)備所支持的20 MHz和40 MHz信道帶寬，802.11ac支持最大80 MHz的連續(xù)信道帶寬（可通過(guò)可選項(xiàng)擴(kuò)展至160 MHz）。這一更寬信道帶寬的優(yōu)勢(shì)在于，相比802.11n最大40 MHz的信道帶寬，80 MHz信道帶寬能使物理層傳輸速率提高一倍，而增加的成本對(duì)芯片制造商來(lái)說(shuō)可以忽略不計(jì)。在連續(xù)80 MHz帶寬模式下，不僅數(shù)據(jù)傳輸率/吞吐量更高，還提升了系統(tǒng)效率，很多802.11n協(xié)議不支持的新應(yīng)用也隨之成為可能[3]。

此外，802.11ac標(biāo)準(zhǔn)支持可選的160 MHz信道帶寬功能。對(duì)于具備這一可選功能的設(shè)備，信道帶寬可以是連續(xù)的160 MHz，也可以是不連續(xù)的（80＋80 MHz）。在不連續(xù)的情況下，頻譜由兩部分組成；每個(gè)部分使用任意兩個(gè)802.11ac 80 MHz信道，頻率可以彼此不相鄰。與40/80 MHz傳輸帶寬相比，160 MHz信道帶寬可以在降低復(fù)雜度需求的前提下，使設(shè)備達(dá)到Gbit/s級(jí)別的無(wú)線(xiàn)傳輸吞吐量，但是值得注意的是，很多國(guó)家在5 GHz頻帶僅開(kāi)放部分信道可供Wi-Fi設(shè)備使用，并非都能滿(mǎn)足160 MHz信道帶寬，要支持此功能的成本較高。因此，這一功能在802.11ac設(shè)備中屬于可選項(xiàng)。

2.2 調(diào)制編碼方案

802.11ac沿用802.11n的OFDM調(diào)制、交錯(cuò)和編碼架構(gòu)。具體來(lái)說(shuō)，802.11ac仍然要求設(shè)備支持BPSK、QPSK、16QAM和64QAM調(diào)制。但在具體的調(diào)制編碼方案中，802.11ac有兩處關(guān)鍵不同[4]。

首先，802.11ac支持星座映射增強(qiáng)。在支持的調(diào)制方式中，256QAM為可選項(xiàng)。256QAM相比64QAM，提升了33%的吞吐量，同時(shí)也對(duì)信號(hào)傳輸環(huán)境提出了更為苛刻的要求。

第二個(gè)重要區(qū)別是，802.11ac定義的MCS只有10種（0!9），遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于802.11n可支持的77種MCS。實(shí)際應(yīng)用證明，802.11n支持的花樣繁多的MCS方式并未帶來(lái)更好的市場(chǎng)反饋，反而增加了設(shè)備成本，因此802.11ac放棄了過(guò)多的MCS選項(xiàng)。

2.3 MIMO

MIMO技術(shù)能夠在同一頻點(diǎn)上通過(guò)多重?cái)?shù)據(jù)流的空間復(fù)用，利用獨(dú)立空間路徑提供的自由度，有效的成倍增加信道容量。802.11ac支持最多8×8方式的MIMO。除了單用戶(hù)MIMO帶來(lái)的數(shù)據(jù)吞吐能力的提升，波束成形技術(shù)也使得接入點(diǎn)能夠利用相同頻點(diǎn)，通過(guò)多個(gè)天線(xiàn)執(zhí)行多個(gè)空間任務(wù)，同時(shí)與不同方向的用戶(hù)通信[5]。例如，1個(gè)具有8天線(xiàn)的發(fā)射點(diǎn)可以使用4×4 MIMO與兩個(gè)不同終端同時(shí)通信。

3 802.11ac的主要測(cè)試要求

3.1 測(cè)試體系

完善的測(cè)試體系能幫助工程人員盡早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)潛藏的隱患與弱點(diǎn)，及時(shí)做出修正與調(diào)整。802.11ac系統(tǒng)的測(cè)試體系按照具體的測(cè)試內(nèi)容可以分為4個(gè)方面：功能測(cè)試、性能測(cè)試、質(zhì)量測(cè)試和安全性測(cè)試。

功能測(cè)試是對(duì)系統(tǒng)的通信功能進(jìn)行測(cè)試，一般分為發(fā)射機(jī)測(cè)試和接收機(jī)測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容包括頻譜包絡(luò)、輸出平坦度、頻率誤差、調(diào)制信號(hào)質(zhì)量參數(shù)等。

性能測(cè)試的目的是測(cè)試802.11ac系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信功能的全面性、有效性與可靠性，主要測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速率、傳播距離、傳輸協(xié)議、代碼協(xié)議、防碰撞機(jī)制等。

質(zhì)量測(cè)試主要指設(shè)備的電磁性能方面的質(zhì)量測(cè)試，如電磁兼容性與電磁照射、芯片封裝質(zhì)量、芯片使用壽命等。

安全測(cè)試分為兩個(gè)方面，一方面指通過(guò)對(duì)設(shè)備的檢查與安全性試驗(yàn)，保證系統(tǒng)運(yùn)行中使用者與操作者的人身安全；另一方面是指系統(tǒng)通信過(guò)程中的數(shù)據(jù)安全與網(wǎng)絡(luò)安全，針對(duì)的是系統(tǒng)漏洞。

在本文中，我們主要研究802.11ac系統(tǒng)的功能測(cè)試方法，重點(diǎn)介紹其中與802.11n的不同之處。除本文具體介紹的測(cè)試項(xiàng)目之外，802.11ac仍然需要測(cè)試頻譜純度、相位噪聲、端口射頻性能如插損、電壓駐波比等常規(guī)項(xiàng)目，這些測(cè)試項(xiàng)目在測(cè)試方法上和802.11n系統(tǒng)并沒(méi)有顯著區(qū)別，因此不再展開(kāi)論述。

圖1 測(cè)試裝置示意

功能測(cè)試裝置由信號(hào)發(fā)生器和信號(hào)分析儀組成，設(shè)備連接方式如圖1所示［6］。信號(hào)分析儀用于發(fā)射機(jī)相關(guān)測(cè)試，信號(hào)發(fā)生器用于提供接收機(jī)測(cè)試所需的下行信號(hào)。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，將測(cè)試裝置表示為單端口形式，以一個(gè) RF 端口（TX/RX）與被測(cè)設(shè)備相連。

3.2 發(fā)射機(jī)測(cè)試

3.2.1 發(fā)射頻譜模板

本項(xiàng)目測(cè)試被測(cè)設(shè)備所發(fā)射信號(hào)的頻譜特性是否符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，避免帶外泄露信號(hào)對(duì)其他工作于通頻段的設(shè)備造成干擾，一般在被測(cè)設(shè)備為最大發(fā)射功率的狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試。

信號(hào)頻譜模板以dBr表示，測(cè)量時(shí)應(yīng)采用100 kHz的分析帶寬和30 kHz的觀測(cè)帶寬。由于802.11ac支持不連續(xù)頻譜，即允許設(shè)備使用80＋80 MHz的非連續(xù)頻譜組成160 MHz信道，此種情況下其模板包絡(luò)門(mén)限需參照標(biāo)準(zhǔn)要求計(jì)算得出。

圖2給出了一個(gè)中心頻點(diǎn)相距160 MHz的非連續(xù)頻譜示例[7]。此時(shí)的頻譜模板可視為由兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的80MHz的頻譜模板疊加而成，在帶外泄露不重疊的頻段區(qū)域，信號(hào)功率應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的包絡(luò)門(mén)限，即以中心頻點(diǎn)的功率值為基準(zhǔn)，帶外40 MHz處的衰減量不小于28 dB，帶外80 MHz處的衰減量不小于40 dB。而泄露信號(hào)重疊的頻段區(qū)域，可以對(duì)兩個(gè)包絡(luò)值進(jìn)行線(xiàn)性疊加。在本示例中，泄露信號(hào)的最大功率相比于基準(zhǔn)點(diǎn)，不得高于-25 dB。

3.2.2 頻譜平坦度

測(cè)量每個(gè)子載波功率相對(duì)于平均功率的偏差，測(cè)量采用BPSK調(diào)制包，技術(shù)規(guī)范的規(guī)定針對(duì)一個(gè)子載波，測(cè)量一個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)某一BPSK調(diào)制子載波i上的平均星座功率Ei,avg。根據(jù)相對(duì)于子載波頻率所處區(qū)域的不同，可分為中心區(qū)域（帶內(nèi)）或外圍區(qū)域（帶外）兩種情況，模板門(mén)限分別為±4 dB與+4/-6 dB，因此測(cè)試中建議在中心區(qū)域和外圍區(qū)域分別取點(diǎn)，在中心區(qū)域頻段可以適當(dāng)增加取點(diǎn)密度。

3.2.3 發(fā)射中心頻率允差

圖2 80+80MHz非連續(xù)頻譜發(fā)射功率模板

檢測(cè)發(fā)射機(jī)的頻率相對(duì)于所期望的載波頻率的誤差，一般通過(guò)對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)得到。測(cè)量方式選擇數(shù)據(jù)平均，平均次數(shù)可以參考802.11n的測(cè)試方法取20次，合格標(biāo)準(zhǔn)為小于±20 ppm（0.002%）。

3.2.4 符號(hào)時(shí)鐘頻率誤差

檢測(cè)符號(hào)時(shí)鐘頻率相對(duì)于所期望符號(hào)時(shí)鐘頻率的偏差。合格標(biāo)準(zhǔn)為小于±20 ppm（0.002%）。該測(cè)試項(xiàng)檢測(cè)本振源隨時(shí)間遷移產(chǎn)生的任何頻率變化。

3.2.5 發(fā)射中心頻率泄漏

發(fā)射中心頻率泄漏測(cè)試用于檢測(cè)位于調(diào)制信號(hào)中心頻率處的非期望功率。這種泄漏會(huì)引起接收機(jī)問(wèn)題。泄漏是根據(jù)載波所在位置不同，按照載波是否在帶寬中心加以定義的。例如，使用80 MHz信道發(fā)射20或40 MHz帶寬信號(hào)時(shí)，載波信號(hào)將不在傳輸帶寬的中心位置。需要對(duì)20!160 MHz的各個(gè)帶寬條件分別進(jìn)行測(cè)試，分析帶寬為312.5 kHz。

3.2.6 發(fā)射機(jī)星座誤差

發(fā)射機(jī)星座誤差和發(fā)射中心頻率泄漏一起構(gòu)成了對(duì)發(fā)射機(jī)調(diào)制精度的測(cè)試要求。需要對(duì)20!160 MHz的各個(gè)帶寬條件分別進(jìn)行測(cè)試，有效載荷數(shù)據(jù)為隨機(jī)數(shù)據(jù)流，長(zhǎng)度至少為16個(gè)OFDM數(shù)據(jù)符號(hào)，捕獲幀數(shù)應(yīng)不少于20個(gè)。802.11ac相比于802.11n增加了256QAM的可選調(diào)制方式，在編碼率為3/4時(shí)，EVM應(yīng)小于-30 dB；在編碼率為5/6時(shí)，EVM應(yīng)小于-32 dB。

需要注意的是，被測(cè)空間信號(hào)流數(shù)量應(yīng)等于天線(xiàn)數(shù)量，同時(shí)測(cè)試設(shè)備輸入端口數(shù)也應(yīng)與此一致。

3.3 接收機(jī)測(cè)試

3.3.1 下行信號(hào)設(shè)置

測(cè)試裝置提供合適的下行信號(hào)為基準(zhǔn)，根據(jù)被測(cè)設(shè)備對(duì)信號(hào)的測(cè)量結(jié)果來(lái)判斷被測(cè)設(shè)備的接收機(jī)是否滿(mǎn)足要求。典型的下行信號(hào)配置如表2所示[8]。

表2 典型802.11ac下行信號(hào)配置

每一個(gè)OFDM符號(hào)所包含的字節(jié)長(zhǎng)度是由MCS決定的。如表2的示例，對(duì)于保護(hù)間隔為800ns的MCS 7數(shù)據(jù)流，每一個(gè)OFDM符號(hào)包含1 170 bit，即146.25 byte，則400個(gè)OFDM符號(hào)共包含58 500 byte。

3.3.2 接收機(jī)最小輸入靈敏度

最小輸入靈敏度測(cè)試是檢驗(yàn)接收機(jī)成功解調(diào)802.11ac信號(hào)能力的重要驗(yàn)證測(cè)試項(xiàng)目，是指接收設(shè)備為了滿(mǎn)足誤碼率門(mén)限所需要的最小輸入電平。由于在一些測(cè)試場(chǎng)景中，較難測(cè)得具體的誤碼率，在不需要精確誤碼率數(shù)據(jù)的測(cè)試中可以用分組錯(cuò)誤率代替。分組錯(cuò)誤率是單位時(shí)間內(nèi)未能正確接收的分組數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)與總傳輸數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)的比值。在定性測(cè)試中，可以認(rèn)為誤碼率與分組錯(cuò)誤率近似相等，門(mén)限值均為10%［9］。

標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定本項(xiàng)目的最小測(cè)試數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為4 096 byte。以MCS 7為例，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)不小于28個(gè)OFDM符號(hào)；對(duì)于MCS 9，則應(yīng)不小于21個(gè)OFDM符號(hào)。

3.3.3 接收機(jī)最大輸入電平

這項(xiàng)測(cè)試用于保證被測(cè)設(shè)備在天線(xiàn)饋入較高功率電平時(shí)依然能實(shí)現(xiàn)正確接收。標(biāo)準(zhǔn)允許該測(cè)試可以使用任意的MCS編碼方式，最小測(cè)試數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為4 096 byte，測(cè)試要求在輸入電平大于-30 dBm的情況下，誤碼率門(mén)限不大于10%。

4 結(jié)論及未來(lái)工作

隨著人們對(duì)于高清多媒體應(yīng)用的需求增長(zhǎng)，支持高吞吐量的802.11ac標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備正在逐步走向市場(chǎng)，得到普及。因此802.11ac相關(guān)設(shè)備的檢測(cè)與測(cè)試需求也與日俱增。本文分別從發(fā)射機(jī)性能測(cè)試與接收機(jī)性能測(cè)試兩個(gè)方面，較為全面的介紹了802.11ac的主要功能測(cè)試項(xiàng)目和測(cè)試方法，對(duì)關(guān)鍵性的測(cè)試指標(biāo)進(jìn)行了總結(jié)，是全面開(kāi)展802.11ac技術(shù)的檢測(cè)與測(cè)試工作的必要前提，具有一定的參考價(jià)值。

性能測(cè)試是802.11ac的測(cè)試體系的另一個(gè)重要組成部分。隨著支持高數(shù)據(jù)速率的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與終端的普及，相關(guān)的中間件與應(yīng)用軟件也將很快面世，面向用戶(hù)體驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試則將成為后續(xù)研究的重點(diǎn)。未來(lái)我們將深入研究性能測(cè)試的主要測(cè)試項(xiàng)目和測(cè)試方法，進(jìn)一步完善802.11ac的測(cè)試體系，為挖掘網(wǎng)絡(luò)傳輸潛力，提升網(wǎng)絡(luò)實(shí)際性能提供測(cè)試依據(jù)。

[1]IEEE.IEEE Std 802.11ac[S/OL], 2013.http://standards.ieee.org/findstds/standard/802.11ac-2013.html

[2]IEEE.IEEE Std 802.11n[S/OL], 2009.http://standards.ieee.org/findstds/standard/802.11n-2009.html

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