Wi-Fi MIMO 802.11n的優(yōu)勢和面臨的挑戰(zhàn) - 全文

? ? ? ? 多年來，多徑接收是一項避免使用或者用來作補償使用的技術(shù)，這是因為當(dāng)電磁波以直接或間接路徑到達接收天線時，它們相位不同，并且會互相干擾。在模擬電視時代，多徑信號會產(chǎn)生圖像重影；同時無線電信號也會受到信號衰落和信噪比變化的影響。

　　然而，在不增加信號帶寬的前提下，依靠多徑技術(shù)來提高數(shù)據(jù)流量在實際應(yīng)用中確是一種可行的方案——路徑越多，流量越大，被稱之為多進/多出，或者 MIMO。可以這樣理解：在相同的頻帶上，利用獨立的多個發(fā)射機和多個天線同時發(fā)送不同的數(shù)據(jù)流。在接收端，利用多個接收天線接收多個通過直接或間接路徑過來的復(fù)合信號。然后，采用先進的數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)，解調(diào)出不同的數(shù)據(jù)流上的數(shù)據(jù)（圖1）。

　　理論上，如果數(shù)據(jù)以80Mbps的流量進入MIMO系統(tǒng)，它可以被分為兩個40Mbps的數(shù)據(jù)流，或者4個20Mbps的數(shù)據(jù)流，這2個或者4個數(shù)據(jù)流通過MIMO以較低的速度并行地發(fā)送，然后在接收端DSP解碼后進行復(fù)合。因而，這看起來就像是一個80Mbps的數(shù)據(jù)流在一個帶寬僅適合傳輸 20Mbps或者40Mbps的信道中被傳輸。換句話說，我們在同一信道傳輸了更多的比特數(shù)。事實上，我們并沒有傳輸翻番或者翻兩番的數(shù)據(jù)流量，這確實增加了信道的利用率。

　　不勞而獲？

　　更高的信道利用率不是平白無故的得來的，我們付出的代價是增加了復(fù)雜的MIMO設(shè)備，必須使用多個發(fā)射機，接收機和天線。此外，為了解碼接收到的多徑信號所組成的復(fù)合信號我們需增加DSP的功能。

　　但是 ，此項技術(shù)不只是簡單的增加發(fā)射機，接收機和天線。因為每增加一個，相互之間的潛在干擾就會增加。例如：當(dāng)兩個或者多個發(fā)射機同時發(fā)送數(shù)據(jù)時很可能會產(chǎn)生一定的串?dāng)_，除非它們有很好的隔離度。同樣，多個接收機也很有可能會產(chǎn)生本振信號相互泄漏，除非它們之間隔離得非常好。

　　因此，電路板的布局變得非常重要，不僅要減少相互之間的干擾，還要盡量避免群時延，相位不平衡等問題，同時，器件選型也變得更加復(fù)雜，因為我們必須保證發(fā)現(xiàn)并排除所有能引起干擾的可能。這樣的話就必須投入大量時間去驗證，勢必會增加總的開發(fā)成本。

　　Wi-Fi MIMO-802.11n 草案2.0

　　迄今為止，Wi-Fi MIMO 還沒有得到802.11n標準的認可。因此，現(xiàn)有的大多數(shù)Wi-Fi MIMO設(shè)備被冠以“草案n認證”，這表明它們符合802.11n草案的規(guī)范（雖然期間還有其他過渡型草案，但是認證還是基于草案2.0的）。最終認可時間預(yù)計會在2009年。然而，最終認可的標準和草案2.0相比應(yīng)該不會有太大的出入，因此一些公司已經(jīng)提供“草案n”的產(chǎn)品。

　　到目前為止，在與802.11a，b和 g的兼容性方面，還沒有出現(xiàn)多大的問題；由于最初的一系列產(chǎn)品是針對消費者而非企業(yè)用戶，而消費者對標準認可基本不關(guān)心，他們更希望的是Wi-Fi的覆蓋范圍和傳輸速度的改善。目前為止，這對企業(yè)來說，還是有相當(dāng)風(fēng)險的。

　　IEEE 802.11a和g在空中的額定速率是54Mbps，在實際使用中的速率是25Mbps（如：在MAC服務(wù)接入點的實際速率）。802.11n在空氣中的額定傳輸速率是200Mbps，實際上大約可以達到100Mbps。4倍速率提升的預(yù)期，足以讓基于802.11n標準的無線連接能夠輕松應(yīng)付各類應(yīng)用，對邊緣服務(wù)來說，最好情況下能以802.11a和g來傳輸（如：視頻流）。

　　開發(fā)測試的挑戰(zhàn)

　　如前所述，開發(fā)802.11n設(shè)備不是簡單的復(fù)制發(fā)射機，接收機和天線。每增加一個發(fā)射機/接收機，它們相互之間的干擾就會增加。這意味著，開發(fā)測試必須能夠識別在哪些地方，干擾會導(dǎo)致信號與802.11n標準相悖。

　　例如，如果一個天線發(fā)射的信號耦合到另一個發(fā)射機的輸入端，這將使第二個發(fā)射機的發(fā)射信號惡化（圖2）。

　　同樣，如果相互干擾存在于接收機之間，也將使接收信號惡化（圖3）。

　　如果在其它的發(fā)射機和接收機都關(guān)閉的情況下，對發(fā)射機和接收機進行單獨測試，不可能得到實際的兼容性能。為了測量實際的兼容性能，一個Wi-Fi MIMO設(shè)備需要為每個發(fā)射機配備單獨的VSA（例如：一個NxN測試方案——圖4）。

　　同樣，測試多個接收機也需要有獨立的信號源同時發(fā)送不同的數(shù)據(jù)包，這是一種價格昂貴的測試方案。

　　Wi-Fi MIMO的單盒測試

　　有一種成本較低的MIMO測試的替代方案，采用單盒和創(chuàng)新的開關(guān)適配器（圖5）。這樣，可以讓所有的發(fā)射機同時發(fā)射數(shù)據(jù)，同時只允許一路信號進入到一個測試裝置的射頻輸入口和單獨的VSA。這個信號由于受到來自其他發(fā)射機信號的干擾，從而測得的此信號矢量誤差幅度（EVM）將會是實際值。連續(xù)依次選通每個發(fā)射機，當(dāng)每一路發(fā)射信號處于可能的干擾下并工作在最大負荷下（如：所有的功放滿負荷工作）時，我們就可以測量每個發(fā)射機的EVM值。

　　雖然這不是一個全面的NxN解決方案，速度也不快，但是這個測試過程可以找出不利的耦合問題，并且驗證發(fā)射機是否正常工作。

　　另一種可選的發(fā)射機測試方法是使用一個單盒測試裝置來抓取所有DUT發(fā)射機發(fā)出的復(fù)合信號并測量此復(fù)合信號的EVM（圖6）。相對于連續(xù)測試，這種方法的分析更快捷。然而，它并不提供單發(fā)射機的EVM測量。

　　復(fù)合信號的EVM，功率譜密度和幅度隨時間變化的情況可被用來判定是否所有的發(fā)射機工作正常。雖然它不能顯示是哪一個發(fā)射機不正常，但是這對于快速測量和測試質(zhì)量的保證，已經(jīng)是綽綽有余了。

　　多端口適配器還能被用于接收機測試。這次是一個VSG信號同時傳送到DUT的所有接收端口（圖7）。

　　如果有偏差，這表明其中的一個或者多個存在問題；如果沒有偏差，可以認為全部是好的。誤包率（PER）測試在這里不起作用，因為即使一個接收機工作不正常，由于受到其他接收機的影響，PER也可能小于正常值。這個測試必須確保有相當(dāng)高的靈敏度，在保證質(zhì)量的前提下，是一種快速鑒別接收機是否工作的方法。

　　成本和折衷

　　隨著當(dāng)今無線技術(shù)的發(fā)展，無線產(chǎn)品的產(chǎn)量很大并且價格低廉。這對價值鏈的開發(fā)者（如：芯片廠商和ODM廠商）產(chǎn)生了較大的壓力，他們會提出低成本但同時又能快速轉(zhuǎn)量產(chǎn)的解決方案。開發(fā)商不會花時間用時序分析儀器對他們設(shè)計產(chǎn)品進行測試。他們需要的是僅捕捉少量數(shù)據(jù)就能提供快速全面分析的測試系統(tǒng)。

　　在確保產(chǎn)品質(zhì)量方面，不需要去驗證設(shè)計，因為驗證設(shè)計是在研發(fā)階段就做好的。這里，測試僅是去找出由于生產(chǎn)而非設(shè)計上的原因所產(chǎn)生的不合格的產(chǎn)品。雖然沒有強制規(guī)定研發(fā)的測試架構(gòu)要和生產(chǎn)的測試架構(gòu)一樣，但是如果兩者有相同的平臺，這將有利于對發(fā)生的問題追根溯源，說不定這是個設(shè)計錯誤呢？可以查看以前的測試記錄，返回去尋找問題根源，而不必花很大精力在查找兩個或者多個測試架構(gòu)之間的差異上面。

　　毫無疑問，隨著MIMO的普及和數(shù)量的增加，減少測試時間和限制生產(chǎn)成本將一直貫穿于MIMO的研發(fā)和生產(chǎn)階段。