目前市场上最新的WLAN/WiFi设备是基于802.11ac协议。几年前这个协议在推出时,曾被认为是市场上最快的连接协议——相较于1999年发布的802.11b,它的速度增进了80倍。然而,在有多个用户同时访问AP时,它的性能就达不到那么好了。

为此,IEEE协会开发了新的802.11ax协议。这个协议采用了三项关键技术来解决多用户访问的问题。然而,协议虽好,却也带来了不小的测试挑战。

日前,测试测量大厂——美国国家仪器(NI)在EDI CON和PXI TAC大会上,分别针对802.11ax标准草案1.1发布了用于研发测试和生产测试用的软件工具包。在媒体见面会和本刊的专访上,该公司为我们详细解读了802.11ax当中采用的关键技术,并透露了5G原型化设计和测试的最新进展。

WLAN测试工具包17.0:让802.11ax测试可以利用既有VST硬件实现

熟悉NI的工程师应该知道,该公司的优势是以软件为核心。WLAN测试采用的是矢量信号收发器(VST)。NI通过发布软件工具包的方式,来使既有的VST硬件可以进行802.11ax协议测试。

NI射频技术市场工程师屠方泽告诉记者,NI的矢量信号收发仪是一款明星产品——如果把NI销售的第一代VST的高度叠加起来,比世界最高的高楼迪拜塔还要高。该公司在2016年推出了第二代矢量信号收发仪PXIe-5840。这款产品在一个双插槽PXI Express模块中结合了一个6.5GHz RF矢量信号发生器、6.5GHz矢量信号分析仪、高性能用户可编程FPGA以及高速串行和并行数字接口。它具有1GHz带宽,覆盖范围为9kHz至6.5GHz,应用范围非常广,包括802.11ac/802.11ax设备测试、移动/物联网设备测试、5G设计和测试、RFIC测试和雷达原型等各种应用。

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对于802.11ax测试,NI发布了可支持IEEE 802.11ax标准草案1.1的WLAN测试工具包17.0。这款工具包的发布,使该公司客户能够利用既有的矢量信号收发仪硬件进行802.11ax测试。

802.11ax开脑洞:交通拥堵可以架设立交桥,网络拥堵也可以采用此办法

NI把802.11b和802.11ac协议形象地比作摩拜单车和法拉利跑车。然而,即便是法拉利跑车,也会遇到一些瓶颈和困难——如果有很多用户在同一时间去访问网络时,问题就产生了。

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“即便你有一辆法拉利跑车,但如果你把它开在像上海深圳这样交通非常拥堵的情况下,它也发挥不了它的性能。因此,802.11ac如果处在用户比较拥堵的情况下,整体性能就不会太好。”美国国家仪器(NI)产品市场总监Jason White打比喻说,“新的802.11ax协议,市场上又将其称为高效率的WLAN。它强调的是效率高,特别是在网络比较拥堵的时候,允许更多的用户去访问网络资源。”

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802.11ax当中导入了三项关键技术。比如在调制上,它采用了更高端的1024QAM。它针对上下行采用跟LTE中同样的OFDMA(正交频分多址接入)技术,来允许多个用户在同一时间访问。此外,它加入了MU-MIMO(多用户多输入多输出)天线技术,目的在于提升整体功率使用。

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具体来说,从802.11ac到802.11ax所做的改善,它使用了波束调整(beam steering),并在空间中允许更多使用者访问。“802.11ac侧重于给单一使用者最高的速度,就好像给专人开专道一样。而802.11ax则是让大家都能有相当好的体验,获得应有的带宽和网络资源。” Jason White表示。

802.11ax的改变也带来了几个新的测试挑战。首先,它使用1024QAM,造成子载波与子载波之间的间隔变得更小——无论是在芯片组本身需要有非常好的相位噪声或是相位线性度,还是在测试仪器方面需要相位噪声更好。同时,802.11ax 8x8多天线输入输出,要求8个通道之间要有更好的同步,因此矢量信号收发仪也要在多通道之间有更好的同步机制。

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802.11ax协议的测试项目有一部分继承了802.11ac,但是802.11ax协议在整体上更加复杂,因此也带来了一些更复杂的测试细节。此外,它也导入了一些新的测试项目,如Unused Tones Error。因为有多用户的机制,所以即便不是旁边的使用者,它也需要针对临近子载波去进行测试。另外,它也增加了一些新的子站测试项目。

高通利用NI VST+WLAN测试套件,将WiFi芯片测试速度提升200倍

在问答环节,Jason White告诉记者,WLAN测试工具包17.0不仅支持802.11ax,而且支持以前的802.11a/b/g/n/ac/af/ah/p。除了这个工具包以外,NI同时还有其他工具包,比如蜂窝工具包,支持2G、3G、4G等不同代的通信协议。

对于降低成本或提升测试速度的具体案例,他表示,最显著的是WiFi芯片大厂——高通。该公司使用NI矢量信号收发仪,搭配这款WLAN测试套件,成功地将WiFi芯片的测试速度提升了200倍。同时,因为NI平台的灵活性,他们进一步缩短了上市时间。

另外,现在的设备需要有更大的带宽,这对芯片商和测试仪器商都面临相同的挑战。因此NI在设计第二代VST时,在上面设置了1GHz带宽。这是为了针对现在WiFi以及未来5G的测试需求。“虽然现在标准的协议并未要求用到1GHz带宽,但是在诸如DPD(数字预失真)的测试情况下,即便本身信号只有200MHz,但是它需要更多旁边的带宽去做预失真处理测量。因此现在所关注的不仅是带宽内的信号,对于很多的信号处理,带宽以外的信号也需要进行测量。因此不管是在软硬件还是平台方面,NI都确保其用户可以满足未来的测试需求。” Jason White表示。

另外对于草案的升级,他指出,802.11ax虽然目前还在草案阶段,没有进入终版阶段,但这不是很复杂的问题。因为过去802.11ac也是一样。在IEEE协会定到最终版协议之前,市场上的终端产品,比如AP、路由器或dongle上,其实就已宣称提供草案版支持。

WTS 1.3结合WLAN测试工具包17.0,形成802.11ax研发到生产完整流程

在PXI TAC大会,NI针对802.11ax生产测试也推出了WTS 1.3工具包。屠方泽在专访时告诉记者,WTS 1.3版本和WLAN测试工具包17.0正好是一个完整的流程。WLAN测试工具包17.0更针对于前期的实验室验证,WTS IS 1.3+WTS则更适合于产线测试。“虽然目前新型的adapter还没有出来,但是今年很快将迎来802.11ax的元年。为了为未来产线测试做好准备,NI发布了WTS 1.3。”屠方泽表示。

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“NI在EDI CON上发布的WLAN测试工具包17.0用于研发端的设计、验证、测试,有灵活的软面板可以看结果。同样的IP和仪器控制也放在产线测试上,WTS中也同样是PXI设备。NI发布WTS去支持产线测试的需求。现在从研发端到测试端完全覆盖。”他补充说。

WTS是封装在PXI机箱里的,其原因是这样的封装对于射频接口,比如天线接口,更适合产线工人使用。而且WTS里也集成了adapter control,可以控制每个芯片去产生相应的功能,更快地写完测试程序。配合WTS硬件使用的软件是WTS IS,不仅包括802.11ax,还包括GSM、CDMA2000、蓝牙、ZigBee等等不同测试协议,都可以使用同一款WTS测试硬件去实现整体测试。

它具有不同的端口配置,包括8端口和16端口,去实现多adapter的测试需求。

NI自动化测试中国区技术市场经理陈宇睿补充道:“今天的发布是软件发布,去支持最新的802.11ax。这其实是我们的优势。新的协议出来,用户不用去买新的测试仪。它在硬件上没有太多的变化,内部可能有小小提升,比如处理器、带宽等等,但本质上是通过软件来兼容最新的协议。比如我们以前的WTS,802.11ac项是ready的。现在我们相当于在软件上将功能扩展到了802.11ax。这样,比如做AP的厂商——例如早上讲的Ruckus Wireless的案例,在成本上就会有相当大的节省。另外,它不只是支持WLAN,像蓝牙、ZigBee和Z-Wave等也都可以用它来进行测试。”

“对于802.11ax性能的提升,有一个比较好的例子,比如我们去看演唱会,要么你手机收不到WiFi信号,要么边上有个通信车,专门给你供WiFi信号。比如Ruckus Wireless的案例,他们在里约世界杯的场馆布置WiFi,专门为了解决这个问题。今后有了802.11ax,这个问题会更容易解决。”

未来5G低于6GHz的部分可用VST测试,而毫米波部分困难重重

此外,对于5G的进展,NI也接受了本刊的专访。Jason White告诉记者,5G目前有两个侧重点,一个是低于6GHz的带宽上,我们要针对频谱的使用做到更优化更有效使用。在这其中,Massive MIMO系统带来了更好的在多通道之间同步的机制。针对这个设计,DSP厂商面临一些挑战,例如在Beamsteering(波束控制)或者在Beamforming(波束赋形)上,过去是针对8个天线去做,前段时间University of Bristol跟NI合作,实现了128个通道同步。

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另外在毫米波的部分,即5G大于6GHz的平台上,它目前细分为两块。第一块是大家对毫米波了解得还不多,所以还在做很多通道模型的建立,做信道测量,同时针对在开放空间、密闭空间各种情形下的衰减状况。另外,毫米波上需要在成本、体积和功率这三者之间取得比较好的平衡。现在的IC工艺,毫米波因为其波长比较短,所以可以把天线集成在IC上,相应就产生了一些功率上的问题。因此,3GPP对5G的实施分为两个阶段。第一个阶段还是侧重在小于6GHz的平台上。

031ednc20170515 图:毫米波系统原型设计平台

另外,NI在耕耘5G用户上不只是针对学术研究单位,同时也针对一些商业公司,比如NOKIA、NTT DOCOMO、SK等等,以及院校和科研单位、design house或是电信运营商进行紧密合作,以确保其平台的扩展性,在未来能够满足各式测试需求。

NI BD经理马国华补充说,5G现在还处在一个纯标准制定的阶段,所以它带给大家最有趣的部分是带来的更多的业务模型。比如毫米波,这是以前从来没有的。另外,它在低于6GHz并不是带来很大的带宽,而是通过Massive MIMO等技术,来支撑新的业务模式。所以对于5G标准的预研,如果从物理层来讲,譬如一些最领先的公司,他们会着重研究怎么把无线信道,即Massive MIMO、Beamforming(波束赋形)、Channel Sounding(信道测量)等运用起来。NI在其中提供了一个很好的硬件平台——SDR平台,让他们可以做Channel Sounding,无论是在低于6GHz,还是毫米波频段。

另外,5G的落实最开始是在RF IC——没有芯片就没有任何设备。NI对应于此就有一些非原型、非SDR的平台,去支撑客户RF IC生产测试。另外就是还有一些为以后产业化RF IC的射频硬件等方案做配合。

对于未来5G测试解决方案,Jason White表示,NI针对小于6GHz的部分提供第二代矢量信号收发仪VST2.0(即上述亦可测试802.11ax的产品)。在大于6GHz,也就是毫米波的部分,目前大部分测试使用的是台式仪器。大部分台式仪器最大只有40GHz,这些既有仪器当初是为了军工国防测量设计的,对于未来5G上较大的带宽不见得适合。另外这类仪器还面临成本很高的问题。NI跟前期的使用者合作下一代毫米波测试仪的时候,目标是要提供给使用者很好的测量精度,同时在灵活性以外,还要提供使用者可负担的成本。

另外,针对Verizon联合爱立信、三星、诺基亚等开发的Verizon 5G标准,NI在目前既有的硬件套件上也可以搭载其基于Verizon 5G spec的参考架构。Verizon可能想要先行去影响3GPP,但是这之中应该还是会有一些差异。但是Verizon定下标准的时候,他们假定是在未来等到3GPP new radio的N2定下来之后,通过软件升级的方式实现达成。

因此,NI作为测试厂商来说,不论是Verizon 5G或者是未来3GPP new radio的N2部分,需要确保我们有一个高灵活性的平台。它具备几种能力。一是在频率上有灵活性,因为5G未来工作的频段不一定。二是带宽。目前市场上,Verizon 5G提出的是800M的带宽,NOKIA先前提的是2G的带宽。3GPP也分第一阶段和第二阶段。NI是在硬件上一次满足到3GPP第二阶段上2GHz带宽的需求,同时确保其设备上处理算法的计算能力。PXI平台上有高速的FPGA,也使用到多核心Intel Xeon处理器等等,就是为了确保在未来5G的协议里面不管变得多复杂,其都能够使用CPU的通用运算,或者是运用FPGA硬件的电路等级运算达成。另外在软件上,未来很多的升级都会通过软件实现,而不是再对硬件进行修改,从而避免重复性投资。

马国华补充说,传统的仪表公司注重的价值是怎么能够测得非常准确。而NI是在搭建一个SDR平台,基于这个平台,客户再去做它的Channel Sounding,再去做衍生出来的测试测量。现在在任何新标准的制定过程中,实际需要的是一个通用的软件无线电平台。大的5G玩家基于NI的平台收集数据,研究之后可以制定它的标准。NI平台在标准制定过程中,强调的是其SDR。

另外,Jason White指出,5G测试需求的演进并不是革命性的,而是逐步演进的。5G的过渡前面有4.5G,像载波聚合这样的技术其实4G就已采用了,未来5G会聚合更多的载波。比如,Verizon 5G的spec上面就聚合了8个100MHz的载波,所以显然载波聚合会需要越来越多的大频宽测试需求。另外在毫米波的部分,虽然其整体测试还不知道怎样,但是在无线通信的演进过程中不变的是EVM或邻近通道Power ACP等等,这些测量项不管用什么样的协议几乎都要测试。其中一个可以借鉴的是,802.11ad中已经使用毫米波频段。另外,毫米波上会有比较大的测试项变革:目前很多测试是有连接线的,未来会有更多的over the air,可能是要在一个chamber中,然后用一个hole antenna去对着待测物进行测试。原因在于毫米波之后,有很多天线在半导体工艺上已经被集成上去,我们已经没有任何节点可以直接去做有线连接测试。

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