目前Wi-Fi市场上主流为Wi-Fi 5 (802.11ac),近年Wi-Fi 6 (802.11ax)逐渐在旗舰级消费产品崭露头角,未来可预见Wi-Fi 6会逐渐成为主流。Wi-Fi 6是以Wi-Fi 5为基础,除了速度的提升外,更着重降低同时间内多用户状况下数据传输的壅塞感,例如大众运输系统、演唱会与运动球场等人潮用户众多的区域。Wi-Fi 6其新增特点如OFDMA、1024QAM技术、资源单位(Resource Unit)等。百佳泰为Wi-Fi联盟指定实验室,早已跟紧脚步,率先提供Wi-Fi 6相关测试,特别也在此撰文分享相关验证重点。

关于Wi-Fi 6与Wi-Fi 5的差异,我们可先从下图比较表来简单快速了解,并针对关键差异于稍后说明。

Item Wi-Fi 5 (802.11ac) Wi-Fi 6 (802.11ax)
使用频段 5GHz 2.4GHz , 5GHz
多任务存取技术 TDMA OFDMA
子载波间距 312.5KHz 78.125KHz
调制编码方案(MCS) 0~9(256QAM) 0~11(1024QAM)
空间串流

(Spatial Stream, SS

传输时天线使用数量)

4SS 8SS(Max)
最高理论传输速度 866Mbps(1SS, BW160MHz),

最高3.46Gbps(4SS, BW160MHz)

*BW Bandwidth传输带宽

1.2Gbps(1SS, BW160MHz),

最高9.6Gbps(8SS, BW160MHz)

*BW Bandwidth传输带宽

 

使用频段

Wi-Fi 6与Wi-Fi 5不同,Wi-Fi 6同时支持2.4GHz与5GHz频带。所以Wi-Fi 6进行测试需测试两个频带,所以设计者在开发过程中,需考虑到测试项目增加会使开发时程变长。

多任务存取技术

TDMA模式

左图TDMA工作模式,将一个数据分切在多个子载波内,同一时间内,让一个用户使用全部的子载波,直到下一个时间区段才换另外一个用户进行数据传输。

在说明OFDMA模式之前,必须先说明一个Wi-Fi 6新增加的资源叫做资源单位(Resource Unit,RU)。

Wi-Fi 6导入OFDMA资源单位,目的是能在人潮众多的情况下,同一时间支持更多使用者。例如带宽20MHz时可以有9个RU26(9个使用者)或者1个RU242(1个使用者),搭配不同的带宽,RU资源单位大小与数量也会变换,一些基本的RU组合可以参考下表。

RU Type Channel Bandwidth
20MHz 40MHz 80MHz 160MHz/

80+80MHz

User Quantity
RU-26 9 18 37 74
RU-52 4 8 16 32
RU-106 2 4 8 16
RU-242 1 2 4 8
RU-484 N/A 1 2 4
RU-966 N/A N/A 1 2
2 x RU-966 N/A N/A N/A 1

Wi-Fi 6 RU有不同的大小,对应到不同带宽会有不同的RU资源单位数量。而不同大小的RU资源单位可于限制带宽内调整RU大小;例如RU26两组可改为RU52一组,请参考下图40MHz带宽基本架构:

例1:40MHz带宽内,全部排满有18个RU26,也代表可同时服务18个使用者。

例2:40MHz带宽内,可变换为数个不同大小的RU,下图代表可服务6个使用者。

回到多任务存取技术说明图,右图OFDMA工作模式,如同OFDM将高速讯号分切进各个子载波,子载波的数量是可以增加或减少,不同数量的子载波用资源单位RU整合分类,并且在同时间内,将不同的资源单位RU分配给不同的用户,达到同时间服务更多用户的目的。资源单位RU可弹性重设大小,大资源单位RU可提高用户传输速度使其加快完成数据传输;而小资源单位RU可在有限的带宽内提供更多的用户,在用户密集的场所可有效减少讯号传不出去的用户感受,此资源单位RU的特性是Wi-Fi 6的一大特点。

子载波间距

最小数据承载的载波,Wi-Fi 6将子载波间距从312.5KHz缩小为78.125kHz,增加了子载波可用数量,而 256个子载波组成一个最小的RU26资源单位,Wi-Fi 6传输时,会因应用户数量与传输数据大小,灵活调整子载波数量的多寡,可有效降低用户传输数据的壅塞感。

调制编码方案(MCS)

802.11ax导入1024-QAM更高阶数的调变,并增加MCS 10、11(Modulation and Coding Schemes) ,从802.11ac 256-QAM的最小符元8bits提高为10bits,故其速度可以提升25%。

下图为IQ星座图,可得知1024QAM传输能量振幅越大、间隔更小,故对振荡频率、时间误差等因素要求更精确,对解调的EVM要求更高。

 

Wi-Fi 6 实测评比

我们拿市场主流品牌Intel的AX200无线网络卡做测试,此卡支持Wi-Fi 6并且向下兼容其他Wi-Fi标准,有两个天线接头可安装两支天线。AX200无线网络卡透过PCIe转接卡安装于计算机主机PCIE插槽上做测试。测试在电波隔离室(Shielding room)内进行,内部墙壁、天花板与地板铺满吸波材来达到隔离室外干扰源,让室内的我们量测到真正的产品信号质量。测试的量测设备为Rohde & Schwarz(罗德史瓦兹)的CMW500,CMW500为Wi-Fi, Bluetooth, LTE等主流无线技术的综合测试仪器,透过Wi-Fi信令模式功能与AX200无线网络卡进行数据传输与测试。

测试架构如下图:

测试条件:

Channel 挑选中间频带2.4GHz Channel 6、5GHz Channel 100做为代表,而Data Rate挑选最低速MCS0与最高速MCS11两种搭配,因为MCS0是所有Wi-Fi最基础的传输速度,MCS11则是使用Wi-Fi 6最新的1024QAM技术,所以有确认的必要性。

TX 测试项目 RX测试项目
  • Burst Power (dBm)
  • EVM (dB)
  • Center Frequency Error (Hz)
  • Symbol Clock Error (ppm)
  • Timing Error (us)
  • Carrier Frequency Offset,CFO (Hz)
  • Sensitivity (dBm)

TX 测试项目

  • Burst Power (dBm):

Burst Power即为Wi-Fi模块输出端的功率,功率越大,传输状况越佳。从以上Burst Power发现不同MCS (Data Rate)的Power很稳定,但在不同的RU大小会有不同的变化,小RU的Power会较低;而大RU的Power会较高。
当使用小RU的Power设计产品,后续进行法规认证可能因为大RU使Power升高,而可能产生法规认证不符规格的风险,设计时建议将大与小RU的Power值进行确认是否符合设计需求。
Burst Power是可以调整的,透过常见的功率放大器(PA)及内部增益自动控制(Automatic Gain Control),Power的调整会使电源消耗会随着变化。产品如果电池容量有限制或者对于消耗电量有较严苛要求,可透过软件或硬件电路进行Power调整,例如降低一些Power性能,换取电源消耗降低,开发者可与模块或芯片供货商讨论,从中取得平衡设计。

  • EVM (dB):

EVM误差向量幅度,信号质量与解调越好,EVM会越低,规格需小于35dB。从EVM测试结果得出,MCS11易发生超出规格状况,此现象可能因为MCS11是使用1024QAM而对振荡频率要求较高而超出规格,而较低速的MCS0则是非常稳定。

  • Center Frequency Error (Hz):

Center Frequency Error指的是发射端的载波中心频率误差,规格需小于±100KHz,从测试结果得出,在高低MCS与不同大小RU allocation皆符合规格,Wi-Fi Channel频率与本地振荡器误差皆可能造成Center Frequency Error变化,如果Center Frequency Error不符合规格,有可检查硬件的振荡器与软韧体可调频率的设定,并且可与WLAN供货商讨论设计方式。

  • Symbol Clock Error (ppm):

Center Frequency Error数值会被发射端的振荡器误差影响,其规格需小于±20ppm,从Symbol Clock Error测试结果得出数据稳定符合规格,代表选择的振荡器的精度足够稳定。

  • Timing Error (us):

AP端传输信号给STA端(客户端),STA端需在时间内回复,时间规格为±400ns以内。因为每个开放给用户使用传输数据的时间是被限制的,客户端若不在时间内回传,需等待至下次AP端讯号询问才能传输,若是发生多次无回传,客户端会感受到传输速度下降。

从Timing Error测试结果得出数据稳定符合规格,代表用户传输速度较不容易产生延迟。

  • Carrier Frequency Offset (Hz):

Wi-Fi 6因为子载波间距从的312.5kHz缩小为78.125kHz,故更要求STA端本地振荡器频率误差,规格为±350Hz以内,从Carrier Frequency Offset测试结果得出,在小的RU allocation容易超出规格。若本地振荡器频率偏移,会造成信号传输频率不同步或对其他频带用户造成干扰,故需量测此频率误差并预先做补偿以得到更为精确的频率。

RX 测试项目

  •  Sensitivity (dBm):

Sensitivity为接收端灵敏度,灵敏度值越低,代表能接收到能量越低的信号。测试的MCS0规格为-82dBm、MCS11规格为-52dBm,代表此模块对于弱的Wi-Fi信号会有较佳的接收能力以及较远的传输距离。

优化Sensitivity的方式是降低产品内部的噪声(Noise),噪声一般分为辐射(radiation)与传导性(conductive),辐射噪声透过空气介质做传导,可用金属屏蔽做屏蔽阻绝辐射噪声。

而传导性噪声是透过电路板的零件与线路传导,可使用磁珠(Bead)、共模滤波器(CMC,Common mode choke)、电容等零件滤除噪声,以及电路板布局(Layout)做接地面与贯孔强化设计等。

综合以上说明,可以了解到在硬件设计上有诸多方式可避免恶化Sensitivity的设计,百佳泰除了标准Wi-Fi量测设备外,也具备噪声量测等相关经验,能与客户讨论与协助Wireless产品设计验证。

无线产品中,RF端系统最基本的组合主要为天线与RF电路模块,其整合的性能测试即为OTA;当产品发生问题需要厘清,可将系统中的天线与RF电路模块端分别独立进行测试,目的是隔离每个设计区块,让各个区块的问题不互相影响,即可厘清是那一个系统各区块是造成问题。

综合以上介绍,若将所有Channel , 2.4GHz/5GHz Band , Data Rate , Bandwidth等测试条件展开测试至少多达2000个测试项目,至少花费数个月测试时间,这样的测试时间是很难配合项目开发进度的;百佳泰以Intel AX200 WLAM Card测试结果为例,部分测试项目超出规格(EVM、Carrier Frequency Offset),客户可规划较有风险的测试项目进行优先量测,将测试时间缩短到2周内,大幅提高效率,并且较能配合产品项目开发时程。

随着近年Wi-Fi电子产品逐步导入Wi-Fi 6,可预见Wi-Fi 6能见度越高,其测试需求自然也会增加,开发者会需要更了解Wi-Fi 6技术与量测。百佳泰提供「无线测试与设计咨询服务」可协助客户订定合理有效的测试计划,并协助测试与除错,提高您的Wi-Fi 6或其它无线产品竞争力!