Wi－Fi 6设备在信令场景下应用

01 背景介绍

IEEE 802.11ax 标准（Wi-Fi 6）旨在提高 WLAN 系统的效率，优化用户使用体验，尤其是在密集信号环境和室外环境中，保证每个用户的吞吐量。Wi-Fi 6/6E 首次允许从接入点（AP）针对多个终端（Station）节点进行调度通信，这是 Wi-Fi 技术标准引入的革命性变化。由于这个新特性引入，在 Wi-Fi 6 技术标准的物理层部分增加一些新功能，这些新功能的验证，就需要采用新的测试和认证方法来实现。

802.11ax 物理层本质上是基于 802.11ac 技术标准演进而来，802.11ax 中使用的子载波间隔减小为 78.125 kHz，这使每个符号时间增加了四倍，并且可以获得更长的保护时间，这些基础特性参数的改变，有助于提高系统的鲁棒性和效率。同时物理层将支持 1024QAM 调制和 MU-MIMO，这两种技术有助于提高峰值速率和整个系统的容量。物理层中最主要的变化是引入了 OFDMA，相对于传统模式的每个时刻只调度一个终端的业务，它可以调度多个终端同时进行业务，实现改善密集信号环境中的整体容量，减少延迟和提升效率。在 OFDMA 中，通过资源单元（RU）的概念，将可用频谱分成较小的部分，确保每个终端占用一部分的频谱资源来保证最低吞吐速率。另外，针对多终端时延的方面需求，采用使用触发帧（TB）的调度过程可确保 OFDMA 和 MU-MIMO 方案中的同步上行链路通信。

图一：Wi-Fi 6 特性列表

在 Wi-Fi 6 产品开发过程中，为了全面有效地验证设备的工作性能，建议采用信令测试方案，测试终端在正常工作状态下的信号质量。此时 R&S®CMW 宽带无线通信测试仪可以模拟成一个接入点（AP）或者终端（station），与待测件进行信令交互，然后进行相应的射频指标或者吞吐率测试。这种方案中，测试仪表和待测件之间的信令交互是符合协议流程，建立的连接是类似于真实环境中使用的通信方式，无论哪种芯片都可以直接测试。用户也不需要特殊的软件来控制 Wi-Fi 芯片，不需要外部电脑安装芯片的驱动，大大简化测试操作。结合罗德与施瓦茨提供的 R&S®CMWrun 自动化测试软件，可以提高测试效率，降低测试复杂度。
 
02R&S®CMW 模拟 AP 场景

接下来就介绍几种使用 R&S®CMW 来模拟 AP 的信令场景，测试 Wi-Fi 6 某些特性，测试组网如下：终端直接和仪器建立射频信号连接，无需任何外部控制。

图二：测试连接组网

一：TWT（target wake time）性能测试

TWT（目标时间唤醒）是一种的新节能功能，适用于那些不需要大量数据通信的设备，尤其类似于用电池供电的物联网设备。TWT 的参数可以设定终端的睡眠和唤醒时间，终端（station）可以确定何时以及多长时间唤醒一次来发送或接收数据。

现有 WLAN 设备的节能机制，即传送流量信息指示（DTIM），允许终端（station）以接收少量信标方式，间隔进入睡眠状态。通常，终端必须每隔一段时间才读取接入点（AP）在信标中广播的 DTIM 信息。节约功耗的时候，接入点（AP）可以缓存下行数据，当需要传输到特定终端时，它可以通过在信标中添加适当的信息来通知这些终端。这种方式既不灵活，同时节省功耗的效率又比较低。

Wi-Fi 6 中的新 TWT 机制允许更灵活参数配置，可以设定长期甚至多终端的休眠模式。接入点和终端之间约定的唤醒和通信活动时间可以是一个较长的多信标周期，时间可以长达数分钟，数小时甚至数天。协议规范中也允许接入点在不同的 TWT ID 之间配置独立的参数，来对应不同的应用场景。

图三：R&S®CMW 设置 TWT 参数

二：BSS color 场景测试

基本服务集（BSS）是完成基本业务的 WLAN 网络结构，包含接入点及其相关的终端。每个终端仅连接到一个 BSS，多个 BSS 网络可以彼此紧邻存在，实现不同业务的覆盖。如下图中终端 2（STA2）不仅接收到自己的接入点（AP1）的信号，也来自相邻的接入点（AP2）的信号。传统模式下，AP1 和 AP2 无法相互识别，它们彼此独立，并且可能同时传输导致数据包，对于终端 2 来说就会引起冲突和干扰。最终导致终端 2 接收的测试数据包出错，必须重新传输数据，这会给网络造成额外的负担。因此，IEEE 802.11ax 将 BSS color ID 的概念，引入到提高组网中，提升网络的效率。协议将 Wi-Fi 信号的前导同步码，根据每个 AP 分配不同 BSS color ID，终端可以根据这个 color ID 区分来自其自己的 BSS（intra-BSS）的数据包以及来自相邻 BSS（inter-BSS）的数据。结果是，STA2 可以忽略不属于自己的 BSS 网络的信号，只和自己的 BSS 通讯，这样最大程度减少了干扰。在 R&S®CMW 中，仪器可以直接设置不同的 BSS color id 来模拟不同的 AP。

图四：不同 BSS color AP 的组网

三：Trigger Burst 发射机测

在 OFDMA 上行链路中，当触发上行业务时，终端将承载数据包的上行信号发送到接入点（AP）。为确保多个 DUT 此过程无冲突，需要接入点（AP）定义消息，将哪个 RU 分配给哪个终端，发送多少数据，以及每个终端发射功率，这个调度的信息至关重要。来自不同终端的信号必须同时并以相近的电平到达接入点（AP）侧接收机，避免相互之间产生干扰。因此，在 OFDMA 中，终端发射信号前，接入点首先向终端发送触发帧，也就是我们所说的 trigger burst。该帧包含相应的配置参数，包括有效负载长度，带宽，RU 分配和调制模式。用户必须在称为短帧间隔（SIFS）的预定义时间间隔之后，开始发送上行数据包信号。

图五：trigger burst 示意图

R&S®CMW 中 Wi-Fi 信令方式可以实现简单 trigger burst 参数配置，并且实时生效，方便灵活的快速验证不同带宽、不同 RU 和 MCS 下的射频性能。

图六：trigger burst 测试效果示意图

在 trigger burst 上行信号测试中，终端用户的 时间误差和频率误差会对信号质量产生直接影响，在测试中必须覆盖这两个项目。尤其是时间误差，为了确保不同终端并行传输时互相之间不会相互干扰，上行发射信号必须同时到达接入点接收机端。否则，不同信号之间的定时偏移将导致符号间干扰，影响信号的解调。所以协议规定，终端收到触发帧结束与响应帧开始之间的延迟必须尽可能短，要求是±0.4μs 以内。

以上几种是 Wi-Fi 6 中典型的信令测试场景，当然还有一些特性，也需要类似的信令场景模拟，比如 NDP sounding 的流程，MU 接收机测试，这些都可以在 R&S®CMW 中来实现，这里不一一列举。

03R&S®CMW 模拟终端场景

针对某些 AP 的产品，R&S®CMW 的信令功能，可以反过来模拟终端（station）。仪器模拟的终端，可以接入需要测试的接入点（AP）设备，然后进行相应的发射机和接收机测试。

一：接收机测试

仪器作为 station 接入 AP 侧以后，可以配置发送数据包到被测试的 AP，通过配置发送不同的带宽，MCS 和数据内容等参数以后，仪器模拟的终端实时产生数据包，并且直接发送。然后仪器会统计 AP 返回的 ACK/NACK 数目，直接显示 PER 的比率，非常方便进行接收机测试的操作。如果通过搭配自动化软件，可以快速实现各个参数，各个信道下的接收机性能遍历。

图七：接收机测试结果图

二：下行的 OFDMA 信号测试

由于 AP 侧在 Wi-Fi 6 协议中，规定下行可以发送 OFDMA 信号，同时承载多个用户（station）的数据内容，提高路由器工作的吞吐率。这种情况下，AP 输出的信号可能并不是满带宽的，与传统 WLAN 信号之间差异较大，那么相应的 OFDMA 信号的指标测试，也必须包含在仪器的测试功能中。

图八：OFDMA 信号测试图


图九：不同 RU 的测试结果 

如上两图，就是 R&S®CMW 实测的 AP 发射出来的 OFDMA 的信号，里面可以很直观的得出各个不同用户信号的质量和功率的结果。

04 总结

由于 802.11ax （Wi-Fi 6）技术相对于传统 Wi-Fi 有比较多的变化，在物理层部分也增加新的特性，在测试内容和项目上也相应的提高了要求。R&S®CMW 的信令测试功能针对 Wi-Fi 6 测试专门研发，可以模拟路由器（AP）和终端（station），实现 Wi-Fi 6 产品在类似日常连接使用状态下的射频指标和性能测试，可以全面和有效的保证产品的质量。