802.11ax：不只是下一個更高的資料速率

分類＼科技
時間＼2017-07-07

與以前的Wi-Fi標準相比，下一代無線局域網(WLAN)標準802.11ax的容量更大，資料傳輸性能更強。它體現了自802.11n（802.11n於2004年首次出現在產品中，資料傳輸速率可達到100兆比特每秒）以來Wi-Fi工作方式的最根本變化。

設計802.11ax的首要目的是解決網路容量問題，因為網路容量問題已成為機場、體育賽事和校園等密集環境中的一個大問題。

802.11ax極大的借助了長期演進技術(LTE)並採用了已經過實踐證明的、在蜂窩網路中將同一頻譜的系統使用者容量提高十倍的技術。因此，802.11ax增加了許多新的系統內容和層面，這些新的內容和層面需要得到驗證並且在Wi-Fi領域一直未被認知。

OFDM 向 OFDMA的演變

802.11ax與以前的無線局域網(WLAN)系統相比最大的變化在於其是採用了“正交頻分多址接入”(orthogonal frequency division multiple access, OFDMA)。

“正交頻分多址接入”(OFDMA)系統由中央資源（AP）分配時間塊和頻率塊——稱為資源單元(RUs)。在OFDM系統中，使用者佔用了整個通道。隨著更多使用者加入，每個使用者的資料請求通過載波偵聽多路訪問/衝突避免(CSMA/CA)來爭奪媒體接入。過多的使用者會造成瓶頸，從而導致當這些使用者在請求資料（特別是在流式視頻等高頻寬應用中）時，

服務品質(QoS)較差。

圖1比較了OFDM和OFDMA的頻譜使用率。在OFDM中，每次資料請求下使用者一直佔用所有子載波（射頻頻譜）；而在OFDMA中，用戶僅在規定時間內佔用子載波的一個子集。OFDMA要求所有用戶同時傳輸，因此每個使用者都需要將其資料包緩衝為相同的規定比特數，這樣無論資料量有多少所有使用者都能在時間上保持一致。此外， OFDMA AP可根據使用者對頻寬的需求來動態地改變使用者所佔用頻譜的數量。

例如，相比較對即時性能要求不高的電子郵件，流媒體視頻使用者需要更多子載波（頻譜）

圖1：使用者在ODFM中佔據整個通道，而在“正交頻分多址接入”(OFDMA)中不是。

OFDMA所需的對頻譜的動態分配顯著地提高了Wi-Fi頻譜的複雜度並以一種前所未見的方式對射頻硬體帶來了壓力。

時序同步、頻率對齊以及回應時間等特性變得很重要。因此需要新的測試方法以確保系統正確運行。糟糕或平庸的回應時間或許不會導致整個系統失效，但是會降低系統容量，從而使802.11ax最關鍵的性能優勢受到損害，進而導致產品得到負面評價。

功率控制

OFDM系統為一個使用者分配了一段時間內的整個頻譜（所有子載波）（圖1左側）。後續的用戶基於CSMA/CA機制在下一段時間獲得所有子載波。

而OFDMA系統讓多個使用者即時共用頻譜（圖1右側）。

因此，需要用功率控制來確保靠近AP的用戶不會蓋過距離接入點較遠的另一位用戶。AP端接收到不同用戶功率的過大差異，會導致載波間干擾(ICI)，接收機壓縮、功率洩露以及由於不同Wi-Fi用戶/Station間的時序不同步導致的載波頻率偏移(CFO)。在802.11ax中，AP命令STA根據AP側的目標接收信號強度指示(RSSI)提高或降低功率。 STA首先將AP發射功率（編碼在資料包中）減去在STA處測得的RSSI來估計出路徑損耗。接下來STA將目標RSSI加上估計得到的路徑損耗算出所需的發射功率並發送信號。靠近接入點的設備發射較低的功率，而稍遠些的設備發射更高的功率來克服更大的路徑損耗。圖2說明這一過程。

圖2：由於多個使用者共用同一頻譜，因此需要控制功率。

802.11ax標準根據設備對功率控制的準確程度定義了設備等級。A類設備可以將發射功率控制在±3dB以內而B類設備可以將其功率控制在±9dB以內。在早一些的802.11系統（在802.11ax之前）中，STA設備僅發射其最大設計/允許功率。當然，A類設備將有助於改善系統容量同時售價更高，因此廠家有動力來確保A類產品的性能，這需要更嚴格的測試和校準。802.11ax對動態功率控制的新要求需要測試以驗證系統運行正確，並且不會因為其中一個STA發射不恰當的功率而導致容量惡化。

為了測試STA設備的功率控制功能，測試系統需要類比AP的即時回應（圖3）。在功率控制測試中，被測設備(DUT)將根據來自測試儀（類比AP）的下行信號中編碼的資訊來調整其發射功率。DUT(STA)將發射對應的功率給測試儀：測試儀測量來自被測設備的發射功率之後發回相應命令以提高或降低功率。整個過程要求即時延遲為幾百微秒。下圖顯示這一過程如何發生。

圖3：在功率控制測試中，802.11AX測試儀模擬一個接入點，調整受測設備的功率。

動態功率控制會給802.11ax系統帶來功率穩定時間問題。隨著功率變化，功率放大器的回應時間或功率控制回路導致的功率穩定延遲可能成為一個問題。這個過程需要加以驗證以確保功率穩定時間足夠快，並且不會有不必要的過沖情況出現（圖4）。

圖4：功率控制穩定回應時間是測試802.11ax STA設備時需要的其中一項測量指標。

若要開展這些測試，您需要逐一測量資料包的功率並以時間為基準報告每個資料包的功率，以驗證STA對功率控制命令的回應是否準確。因為這些測量是功率控制測試的一部分，所以不需要增加測試時間。

時序很重要

802.11ax用戶在同一時間共用頻譜。因此，必須儘量減少同一時間用戶之間的干擾以實現最高的系統容量。需要不同使用者間的準確時序以最小化干擾並最大化系統容量。

802.11ax標準要求所有STA設備間的傳輸間隔在400納秒內。802.11ax系統中的同步參考由AP發送的觸發幀（Trigger Frame）提供。所有STA設備均和AP同步，而AP在802.11ax系統中扮演“主設備”。觸發幀包含由AP發出的資訊，這些資訊包括哪些STA可在指定時間傳輸以及使用OFDMA子載波中的哪部分子集。觸發幀類似於賽艇隊中控制賽艇方向和船員節奏的舵手。

在802.11ax中，這種精確的用戶間同步很重要，因為由剩餘載波頻率偏移(CFO)和採樣頻率偏移(SFO)引起的更大定時誤差會產生載波間干擾(ICI)和符號間干擾(ISI)（這些干擾均會降低系統容量）。即便是在802.11ac系統OFDM中，頻率誤差也是需要控制的重要參數。因為單用戶在同一時間佔有所有子載波，所以只有這個使用者頻率誤差重要。當多個STA設備同時傳輸時，每個使用者的頻率誤差都很重要。圖5說明時域中的載波頻率偏移(CFO)和定時誤差如何導致頻域干擾並降低接收器正確解碼資訊的能力。

圖5：定時偏移會產生右邊頻譜圖中所示的頻率惡化。

測試此關鍵行為時，測試儀要扮演接入點並向STA設備DUT發出觸發幀，同時測定從發送觸發資料包到接收到被測設備(STA)資料包的時間（在幾十納秒內）。圖6說明了測試過程。

圖6：802.11ax定時測試要求被測設備對觸發幀做出準確回應。

在此測試中，您需要發送含有編碼資訊的觸發幀。被測設備隨後接收觸發幀，解碼資訊，並以資料包回應。然後，您必須測量從觸發幀資料包離開測試儀到被測設備資料包返回測試儀的時間間隔。這個時間需要為短幀間間隔(SIFS)時間±400納秒（16,000納秒±400納秒）。

載波頻率偏移(CFO)是802.11ax系統中必須驗證的另一個參數。載波頻率偏移(CFO)是STA與來自AP的觸發資料包同步後的殘餘頻率誤差。載波頻率偏移(CFO)的增加導致802.11ax系統中載波間干擾(ICI)升高以及資料解碼錯誤增多。802.11ax標準要求載波頻率偏移(CFO)小於350赫茲。

載波頻率偏移(CFO)的測定與定時誤差測試採用相同的流程。您必須先發送觸發幀資料包，被測設備（STA）解碼。被測設備根據觸發幀內的資訊調整其時鐘並以回應資料包給測試儀。然後您需要解碼資訊並計算殘餘載波頻率偏移(CFO)。

結語

與以前的Wi-Fi系統相比，採用“正交頻分多址接入”(OFDMA)的802.11ax利用幾個特性來顯著提高系統容量。定時同步、AP對用戶的中央控制以及功率控制的加入使Wi-Fi系統具有前所未有的複雜性。因此，需要採用新的測試方案以確保這些系統能夠按照預期工作。

這些參數中許多會以一種只有在一個更大的多使用者系統中才能看到的方式發生故障，這點不同于任何單一設備的硬故障。根據系統的最終運作方式，這些違規設備可能會被分配到低品質的子載波範圍，被拒絕連接或由於其糟糕性能而完全被從網路中剔除。想像當某個手機開始損害網路性能而被網路拋棄的情形。

通過採用本文所描述的測試方法，802.11ax系統的製造商可確保其產品能夠在802.11ax網路上無縫工作，在最大限度的提高網路容量的同時實現最佳性能。

STA首先將AP發射功率（編碼在資料包中）減去在STA處測得的RSSI來估計出路徑損耗。接下來STA將目標RSSI加上估計得到的路徑損耗算出所需的發射功率並發送信號。靠近接入點的設備發射較低的功率，而稍遠些的設備發射更高的功率來克服更大的路徑損耗。圖2說明這一過程。