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802.11ax(Wi-Fi 6)技术简介和射频测试

发布时间:2022-10-14 点击数:1520

技术支持详情

1. 802.11ax关键技术简介

802.11ax协议(也称Wi-Fi 6,Wi-Fi 5指802.11ac)是为了满足高密度场景下用户速率和体验需求而提出的。类似于3GPP 5G NR中的eMBB应用场景,其目的是提升高密集场景的用户速率,从而获得更好的用户峰值数据体验。2013年3月TG(Task Group)工作组成立,2014年开始研究802.11ax标准,2016年提出802.11ax的初始草案,并于2019年正式发布标准。

表1. 802.11ax的物理层参数相对于前两代技术的主要不同点

 IEEE802.11nIEEE802.11acIEEE802.11ax
信道带宽(MHz)20,4020,40,80,80+80,16020,40,80,80+80,160
子载波间隔(kHz)312.5312.578.125
符号时间(µs)3.23.212.8
循环前缀长度(us)0.80.8,0.40.8,1.6,3.2
MU-MIMO下行上、下行
调制方式OFDMOFDMOFDM,OFDMA
用户数据调制方式BPSK,QPSK,
16QAM,64QAM
BPSK,QPSK,16QAM,
64QAM,256QAM
BPSK,QPSK,16QAM,
64QAM,256QAM,
1024QAM
信道编码BCC(必选),
LDPC(可选)
BCC(必选),
LDPC(可选)
BCC(必选),
LDPC(必选)

相对于前几代的技术,802.11ax的新增功能特点主要有如下:

(1). 扩展了信号的覆盖范围。由于802.11ax标准每符号持续时间从原来的3.2us提升到12.8us,更长的发送时间可降低终端丢包率和抗多径衰落;此外802.11ax最小可仅使用2MHz频宽进行窄带传输,有效降低频段噪声干扰,提升了终端接受灵敏度,增加了覆盖距离。

(2). 调制方式增加1024QAM,提出MCS10和MCS11这两种高阶编码组合,单流空口吞吐量提升。802.11ac采用的256QAM,每个符号传输8bit数据(28=256)。802.11ax采用1024QAM,每个符号位传输10bit数据(210=1024)。从8到10的提升是25%,也就是相对于802.11ac来说,802.11ax的单条空间流数据吞吐量又提高了25%。空口吞吐量=1/(符号+保护)时间×编码效率×调制阶数×有效子载波数量=1/(12.8us+0.8us)×5/6×10×980≈600Mbit/s

(3). 最大空间流数量8,同时引入上行MU-MIMO。相比于802.11ac协议,上行不一定再需要独立对单个节点的数据进行传输,上下行都可以使用MU-MIMO模式。

图1. 下行MU-MIMO                            上行MU-MIMO

(4). 效仿3GPP LTE,11ax引入了OFDMA多址技术,将最小的子信道称为“资源单位(Resource Unit,简称RU)”。不同的用户使用不同的RU进行数据通信,从总的时频资源上来看,每一个时间片上,有多个用户同时发送,信道的利用率得到了提高。

图2.OFDM和OFDMA实现多用户接入示意图

(5). 802.11协议是采用载波侦听冲突检测(CSMA/CA)作为MAC层的协议,这表示在同一个时间只有一个无线电设备可以在网络上进行传输。如果一个802.11终端检测到另外一个802.11终端的传输信号(即PHY层的Header),其会推迟传输。

类似于WCDMA中区分基站的扰码,802.11ax中引入了一种新的同频传输识别机制,叫BSS Coloring着色机制,在PHY报文头中添加BSS color字段对来自不同BSS的数据进行“染色”,为每个通道分配一种颜色,该颜色标识一组不互相干扰的基本服务集(BSS),接收端可以及早识别同频传输干扰信号并停止接收,避免浪费收发机时间。如果颜色相同,则认为是同一BSS内的干扰信号,发送将推迟;如果颜色不同,则认为两者之间无干扰,两个Wi-Fi6设备可同信道同频并行传输。以这种方式设计的网络,那些具有相同颜色的信道彼此相距很远,它们之间也不太可能会相互干扰。

图3. 同信道干扰拥塞              同信道在颜色相同时才干扰拥塞

(6). 协议兼容性:802.11ax要求与以往的802.11a/b/h/n/ac都进行兼容。802.11ax协议向前兼容802.11n和802.11a,因此其帧格式里面,除了数据之外的前导,包含兼容802.11n的常规前导和11ax的高效前导。常规前导包含L-STF(短训练字段)、L-LTF(长训练字段)和L-sig字:

1) L-STF主要用于数据同步;

2) L-LTF主要用于粗频偏估计;

3) L-sig里面则包含一些用户和帧的数据。L-sig一个很重要的作用就是区分常规帧和802.11ax帧,L-sig重复则表示802.11ax帧,反之则是常规帧,它还有一个重要的作用就是告诉基站发射机的编码方式和帧长。

2. 802.11ax时域帧格式

802.11ax根据不同的用途,时域可以分为4种帧格式。这四种HE PPDU(Presentation Protocol Data Unit,表示协议数据单元)包括HE SU-PPDU(单用户)、HE MU-PPDU(多用户)、HE Extended Range SU-PPDU(扩展的单用户协议)以及基于Trigger的HE PPDU。高效的前导则包含HE-SIG-A、HE-SIG-B(可选)、HE-STF和HE-LTF。其中HE-LTF主要是用来做信道估计和MIMO检测。

单用户的HE PPDU帧格式定义如图4所示,与扩展的HE Extended Range SU-PPDU不同的是该格式的HE-SIG-A不会重复。

图4. HE SU-PPDU帧格式

多用户的HE PPDU帧格式定义如图5所示,该PPDU格式不是Trigger帧的响应,而且还应该包括一个HE-SIG-B字段。

图5. HE MU-PPDU帧格式

HE Extended Range SU-PPDU帧格式如图6所示,作为HE SU-PPDU的扩展版本,它的HE-SIG-A长度变成了以前的两倍为16us,实际上是对HE-SIG-A做了重复。

图6. HE Extended Range SU-PPDU帧格式

基于Trigger的HE PPDU帧格式如图7所示,这种格式主要作为Trigger帧的相应,与HE SU-PPDU不同的是它的HE-STF的持续时间变成了8us而非4us。

图7. 基于Trigger的HE PPDU帧格式

总结各字段具体的功能见表2。

表2 帧格式各字段含义和功能

字段名含义功能
L-STFLegacy部分短训练序列接收机数据同步和粗频偏估计
L-LTFLegacy部分长训练序列细频偏估计和前导的信道估计
L-SIGLegacy部分信令字段承载编码速率和长度信息
RL-SIGLegacy部分信令重复字段区分是否是802.11ax帧
HE-SIG-AHE部分信令A字段承载用来说明PPDU的信息
HE-SIG-BHE部分信令B字段承载多用户信息
HE-STFHE部分短训练序列MIMO传输中提升自动增益控制估计
HE-LTFHE部分长训练序列信道估计和相位跟踪
Data承载PSDU的数据承载用户数据信息
PE数据包扩展字段争取更多的处理时间

3. 802.11ax频域资源单位

OFDMA频率资源分配是资源单位(RU),可以包含26、52、106、242、484或996数量的子载波。因此802.11ax中最小RU为包含26个子载波的2MHz带宽。除了信道中央位置的直流载波,资源单位是相邻和连续的。26,52,106,242,484和996 RU的位置依赖于信道带宽的资源单位,如图8所示(20MHz和40MHz)。其中蓝色部分是有效子载波,其它颜色是导频(橙黄色)、直流(DC)和无效子载波(edge)。资源单位虽然本身是固定的,但可以有不同大小的RU的混合组合。

8. RU20MHz40MHz带宽信号中的位置示意图

表3. 不同带宽信号包含的RU数量

RU 类型20MHz带宽40MHz带宽80MHz带宽160MHz
80+80带宽
26子载波RU9183774
52子载波RU481632
106子载波RU24816
242子载波RU1248
484子载波RU-124
996子载波RU--12
2×996子载波RU---1

4. 下一代EHTWi-Fi 7)热点技术介绍

随着4k和8k视频等更先进技术的出现,吞吐量需求将持续增长到几十Gbps。同时,要求高吞吐量和低延迟的新应用程序也在大量涌现。其中,AR(Augmented Reality)/VR(Virtual Reality)、游戏、远程办公和云计算等传输场景对吞吐量和延时的要求最为严格。2018年5月,IEEE成立了极高吞吐量(Extremely High Throughput,简称EHT)无线局域网WLAN课题兴趣小组(Topic Interest Group,TIG),开启下一代Wi-Fi 7的研究工作,主要针对峰值吞吐量提升和时延改进。目前EHT的研究趋势主要有以下关键技术:

(1). 320M带宽和更高效的非连续频谱利用率

802.11ax已经覆盖了6GHz频段,利用6GHz频段传输是提升峰值吞吐量的途径之一。6GHz频段在5.925GHz和7.125GHz之间,可用带宽是5GHz的两倍,320M大带宽被引入为AP在6GHz上的可选特性,160M为6GHz上的必选特性。虽然6GHz的引入能够明显提升系统吞吐量。

(2). 16空间流和增强的MIMO技术

802.11ax使多天线AP能够通过多用户MIMO在空间上复用最多8个下行和上行设备。业界认为有必要进一步提高AP的空间复用能力,容纳最多16个空间流。空间流数提升至原来的两倍可使EHT频谱效率提升两倍。这种空间复用增益会受到信道探测开销的影响,而信道探测过程对于获取准确的信道状态信息(channel state information,CSI)至关重要。

(3). 更高阶的调制方式

802.11ax中最高调制等级为1024QAM,EHT可能采用更高阶的调制等级,如4096QAM,它可以在11ax的基础上增加20%左右的最大吞吐量,只能应用于波束形成的情况下。为了获得更好的性能,可以考虑非均匀星座,但接收机复杂度较高。

5. 802.11ax发射测量项目

5.1 发射平均功率

该测试项很好理解,主要测试11ax设备发送信号的最大功率。由于最大容许功率是由国家和地区的法规规定,因此必须参考目的地的相关法规。此外,有些11ax设备在首次尝试与对应产品连接时会输出最大功率,因此需要从连接尝试开始时测量发射功率。11ax信号在时域上通常是突发信号。因此,在使用信号与频谱分析仪进行测量时,需要使用触发和时间门。本文使用R&S的FSW进行测量,测量结果如下图9中mean power所示的平均功率。

9. 平均功率和载波泄漏测试结果

5.2 频谱发射模版

802.11ax设备需要满足不同频率偏离发射信号的中心频率时允许的输出电平,称为频谱发射模版,用x轴上的频率和y轴上的功率表示。频谱仪测量802.11ax频谱发射模板需要使用100kHz分辨率带宽(RBW)和7.5kHz视频带宽(VBW)。20MHz、40MHz、80MHz、160MHz的频谱发射模版要求如图10所示。频率轴上的相对于载波的位置A、B、C、D的值如表中所示。模版幅度以相对值dBr或dB为单位,即相对于信号的最大谱密度。使用R&S的FSW进行测量,测量结果如下图10所示。

信号带宽ABCD
20 MHz9.75 MHz10.25 MHz20 MHz30 MHz
40 MHz19.5 MHz20.5 MHz40 MHz60 MHz
80 MHz39.5 MHz40.5 MHz80 MHz120 MHz
160 MHz79.5 MHz80.5 MHz160 MHz240 MHz
 
10. 频谱发射模板测试要求和结果

5.3 发射载波频率误差、符号时钟频率误差

载波频率误差主要评估发射中心频率(载波频率)误差是否超出了标准所确定的误差范围。当中心频率超过误差时,可能超过接收信号的容忍能力,并且可能因为邻道重叠而出现信号互扰。

符号调制周期的倒数值称为符号时钟频率。随着此误差增大,发送和接收端之间的时序会错开,从而使接收变得困难。频率误差都以ppm(百万分之一)为单位表示。使用R&S的FSW进行测量,测量结果如下图11中center frequency error和symbol clock error所示。

11. 载波频率误差、符号时钟频率误差测试结果

5.4 发射机本振泄漏

由于低成本的发射机几乎都采用直接上变频的方式,该测试项测量发射机的本振泄漏。如果本振泄漏功率太高,接收设备内接收器部分中的LNA(低噪声放大器)或接收器元件可能会出现饱和,从而可能影响接收性能。802.11ax规范要求测量本振泄漏采用的分辨率带宽为78.125kHz,本振泄漏的功率不应超过-20dbm或每天线发射功率减去32 dB中的最大值。图12中的给出了该测试项的要求。测试结果如图9中的IQ offset结果所示。

12. 载波频率误差、符号时钟频率误差测试结果

5.5 发射机频谱平坦度

该项测量OFDM子载波的平均功率,以保证功率偏差在规定的范围内。频谱平坦度测试通过测量一个子载波范围的平均能量,来验证在这个范围内没有任何子载波的能量偏离超过指定的值。

下图13给出了不同带宽频谱平坦度规范。例如测量20MHz带宽的频谱平坦度,子载波从2到84和-84到-2的能量应该在+4dB的蓝色实线范围内。带外子载波能量不包括在计算中,因为传输滤波器可能在带边有很高的衰减,这将扭曲Ei,avg平均值。


信号带宽ABCD计算Ei,avg的子载波序号
20 MHz284851222 ~ 84 ,–2 ~ –84
40 MHz31681692443 ~ 168 ,–3 ~ –168
80 MHz33443455003 ~ 344 ,–3 ~ –384
 
13. 发射机频谱平坦度测试要求和结果

5.6 发射机星座误差、发射机调制精度(EVM)测试

802.11ax标准中分两部分描述了信号质量EVM(误差矢量幅度)有关的测量。“发射星座误差”描述了计算EVM的具体方法。“发射调制精度测试”描述了EVM的设备规范。

HE SU PPDU、HE extended range PPDU和HE MU PPDU的调制方式为MCS 0-9的EVM测试指标与IEEE802.11ac相同。对于新增的MCS10和11,如果幅度漂移补偿在测试设备中启用,EVM指标为<-35dB;如果幅度漂移补偿禁用,EVM指标为<-32dB。测量EVM的分析仪的残余EVM应比-35dB小10dB,能够测量理想1024 QAM小于-45dB。下图是从R&S FSW信号和频谱分析仪测量到160MHz 1024QAM的11ax信号EVM为-52.9dB。

14. EVM测试结果

6.  802.11ax接收测量项目

6.1 接收机最小输入电平灵敏度

该项评估11ax接收机是否可以接收错误率小于容差范围内的微弱信号。错误率通常用误包率(PER)表示。PER是指DUT无法接收的数据包(错误数据包)相对于发射的固定数量数据包的百分比。测量要求逐渐改变接收机的输入信号功率并绘制PER图表,以找出当PER低于某个门限值(10%)时所对应的功率,也就是最小功率(最小输入电平灵敏度)。如果此最小输入电平灵敏度低于11ax标准所规定的值,则表明11ax产品满足标准。在通信过程中,最小输入电平灵敏度由多种参数决定,例如调制方式、编码率、信道间隔等。如表4所示。

表4. 不同调制方式、编码率和带宽对应的灵敏度测试指标

调制方式编码率灵敏度dBm
20 MHz40MHz80 MHz
BPSK1/2–82–79–76
QPSK1/2–79–76–73
QPSK3/4–77–74–71
16QAM1/2–74–71–68
16QAM3/4–70–67–64
64QAM2/3–66–63–60
64QAM3/4–65–62–59
64QAM5/6–64–61–58
256QAM3/4–59–56–53
256QAM5/6–57–54–51
1024QAM3/4–54–51–48
1024QAM5/6–52–49–46

6.2 邻道抑制度

该测试评估当11ax接收机接收信号的相邻信道出现和有用信号相同带宽的干扰信号时(如图15),接收机对干扰的抑制能力。输入接收机的有用信号功率比表4中的最小灵敏度高3dB。此时干扰信号电平会在略高于最小输入电平灵敏度的基础上不断增大,当接收机的PER接近为10%时,测量接收与干扰信号电平之间的差值,即为邻道抑制度。

15. 邻道抑制度测试示意图

6.3 非邻道抑制度

上一节中,干扰信号处于相邻信道。此测试项中干扰信号处于非相邻信道(即相邻信道的相邻信道,也称为隔道),如图16所示。非相邻信道抑制度的测试过程是与上一节类似。

16. 非邻道抑制度测试示意图

6.4 接收机最大输入电平

该项测量评估接收机最大输入电平。与6.1节的测试最小输入灵敏度电平过程相反,输入接收机的功率会逐渐增大,接收机的射频前端电路会逐渐进入饱和,当PER增大到10%时对应的输入电平即为接收机最大输入电平。

7. 动态EVMDynamic EVM

802.11ax发射电路功率的很大一部分是功率放大器(Power Amplifier,PA)所消耗的,因此采用多种技术以减少PA的功耗、提高效率很有必要。

为了最大化功放效率,PA必须能工作在快速的开启与关闭模式下。通过一个ON–OFF开关信号来控制直流电源对PA进行供电和断电,即可快速开启或关闭PA。当这个信号处于开启时PA就工作,当这个信号关闭时PA就关闭。这个信号称为PA“使能信号”,它其实是控制PA直流供电的一个控制信号。

图17显示了在50%占空比的使能信号下,PA使能(PA EN)相关时序与RF信号的关系。图中PA EN方波与RF信号之间的时间相对延迟为2.0μs。

17. PA使能(PA EN)信号与RF信号的关系

由于PA的供电、断电过程会造成暂态及热效应,从而降低发射机性能,因此需要测量动态EVM的指标。动态EVM通过矩形波施加于PA EN以模仿发射功放开关动态工作来测量EVM。为了评估PA在节能模式下的工作能力,通常使用矢量信号源、矢量信号分析仪配合任意波形发生器评估动态EVM。测试的组网图和实测照片如下图18所示。

18. 动态EVM的测试组网图和实物连线图

测试过程如下:

1) 使用任意波形发生器产生具有指定占空比的矩形波或方波信号,输出给PA的作为供电和断电的控制信号。

2) 任意波形发生器同时输出给矢量信号源的trigger端口,触发信号源输出射频激励信号,使11ax激励信号的时间与PA的工作时间同步。

3) PA输入连接矢量信号源,输出连接到信号分析仪,并使用信号分析仪测量EVM。

4) 绘制Power vs. EVM关系图,如下图19所示。动态EVM导致EVM性能降低是由于PA的瞬态响应影响了射频信号的起始时刻包络和终止时刻包络,并影响了信道估计。经实测表明,具有50%占空比方波的动态EVM比静态EVM会较差0.2%左右。

19. 动态EVM的测试结果和静态EVM测试结果对比

作者:射频问问  Altair Tang

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