无线局域网AP设备性能测试环境构建方法研究

钟大平

面对AP产品种类繁多、质量参差不齐的局面，选择性能优异、质量可靠的产品显得尤为重要。为准确测试AP的各项吞吐量性能指标，分析了AP设备吞吐量降低、波动较大的原因，提出采用屏蔽室金属表面附加木质栅格介质的方法来降低Q值。通过理论分析与仿真相结合的方法，获得了木质栅格的最佳尺寸。实验表明，该方法完全满足AP设备性能测试要求，且具有建设周期短、成本低的优点。

WLAN AP 性能测试环境 吞吐量 屏蔽室 木质栅格

中图分类号：TN925.93 文献标识：A 文章编号：1006-1010（2014）-06-0081-06

1 引言

随着移动互联网业务的高速增长，蜂窝网面临着巨大的流量压力，移动运营商在移动数据业务上的投入与产出严重不成比例，迫切需要更有效的技术手段缓解所面临的巨大压力。考虑到WLAN网络本身具有可移动、高带宽、低成本、简单易用和扩展性强的优点，运营商不约而同地将WLAN建设作为网络建设的重点。

WLAN网络建设规模的快速扩张，使得提升WLAN网络质量的需求日益凸显。除了不断进行网络优化外，面对AP（无线接入点）产品种类繁多、质量参差不齐的局面，选择性能优异、质量可靠的产品也是快速提升业务质量的最有效手段之一。若要准确测试出AP的各项吞吐量性能指标，必须具有稳定且适用于AP产品特性的测试环境。本文针对在实验室中如何构建AP的性能测试环境进行深入研究，提出了一种实用性强、性能优越且成本很低的环境构建方法。

2 AP性能测试环境现状

现有的AP性能测试环境主要有以下几类：

（1）采用空旷场地测试：此方法容易实施，但随着WLAN的普及，运营商、企业、家庭架设的网络越来越多，加上WLAN本身采用2.4GHz的开放频段，干扰信号（如微波炉、蓝牙等）无处不在，很难保证周边没有信号干扰。因此，在干扰源不稳定的情况下，无法准确测量设备的性能指标。

（2）采用微波暗室测试：可以有效屏蔽外部信号源的干扰，但无法体现设备的真实性能。这是因为802.11n的MIMO（多输入多输出）/SDM（空分复用）应用于衰落环境，可以有效地进行多流传输。若采用微波暗室，由于反射较少，与MIMO设备适用的衰落分布场有较大差异，不能真正体现设备的真实性能。

（3）采用光滑表面屏蔽室测试：可以有效屏蔽外部信号源的干扰，但由于屏蔽室内部表面采用光滑的金属材料，极易发生电磁波镜面反射，导致在接收天线处有较大频率选择性衰落，同样不能很好地测量出设备的真实性能。

（4）采用带有吸波材料的屏蔽室测试：可以有效屏蔽外部信号源的干扰，而且能有效控制镜面发射，但建设周期长、价格昂贵。

基于上述情况，本文提出在屏蔽室内壁附加木质栅格的方法，即对第3类测试方法进行改进，其目的是降低屏蔽室金属内壁对电磁波的反射，构造一种既能改善频率选择性衰落，又能适用于MIMO机制的无线电磁环境，从而可以准确地测量AP的各项吞吐量性能指标。

3 AP性能与测试环境的关

联分析

在第3类测试方法中，光滑表面屏蔽室会引起较大的频域选择性衰落，从而导致AP设备的吞吐量明显降低且波动大，与空旷环境下的性能差别很大。其原因是屏蔽室由光滑的金属板构成，发射的电磁波按照镜面反射，在接收天线处产生较大的频率选择性衰落，表现在频域上就是OFDM（正交频分复用）信道在整个频带的载波上SNR（信噪比）出现很大的频率选择性变动，从而引入较大的ISI（符号间干扰），致使吞吐量与空旷无干扰环境相差较大。这一结论可以从实测结果对比和理论分析两个方面进行验证。

3.1 反射情况的实测验证

屏蔽室金属内壁的反射情况可以通过以下方法进行验证：多信号合成可以从EVM（向量误差幅度）值来观察，较大的EVM表示较多的信号合成，即反射较为严重。

图1为AP与接收距离15cm的测试信号，为802.11g 54Mbps模式。接收天线垂直放置，在周围（1m内）没有平整金属面，可以看到EVM值为-21dB。

图2配置与上述相同，只是在近处（30cm内）放置一块20cm×20cm的金属挡板，此时反射更加严重，EVM下降至-17dB左右。其原因为到达接收天线的强度相当的信号增加，引起信号合成误差。

金属挡板引起的吞吐率变化也可以很好地验证前面的分析结论。在接收天线附近（30cm内）没有放置金属挡板的情况下，整个频道各个子载波的SNR基本一致；而一旦放置金属挡板，不同子载波的SNR是不同的。

针对上述两种情况做AP吞吐量的对比测试发现，在没有放置金属挡板时，上行吞吐量在84Mbps、下行吞吐量在66Mbps左右；而一旦放置金属挡板，则吞吐量明显下降，具体如图3所示。

3.2 吞吐量降低原因和理论分析

根据微波理论，内壁金属的屏蔽室包含有非常多的谐振模，尺寸越大，腔体的Q值（表征屏蔽室对电磁波的吸收率）越高，此时反射越大。为了简化分析，通过对边长为0.2m的正方形腔体进行仿真，得到其15个谐振模的分布，结果如图4所示。

对于谐振模13和14进行电场分布分析，并将其转化为功率。其中，模式13的频率为2.371 81GHz、Q为6 726，则其3dB带宽为2.371 81/6 726≈35.263kHz，功率谱分布如图5所示。

模式14的频率为2.372 03GHz、Q为6 722，则其3dB带宽为2.372 03/

6 722≈35.288kHz，功率谱分布如图6所示。

上述仿真功率谱分布意味着如果在屏蔽室内加入一个激励（AP发射信号），则其信号强度在空间的分布如图5和图6所示。对于上述空间中的A点，在模式13下（主谐振频率2.371 81GHz），可以接收到很强的信号；而在模式14下（主谐振频率2.372 03GHz），信号强度则很弱。endprint

由以上分析可以看出，屏蔽室被激励起非常多的谐振模，此时屏蔽室的Q值很高，导致接收时在OFDM子载波的带宽内发生强烈频率选择性衰落。如果调制带宽内存在频率选择性衰落，则会引起符号间干扰，降低AP设备的吞吐量性能，并且容易出现吞吐量波动的现象。

4 测试环境的改进方案

从上述分析可以看出，若要解决屏蔽室反射问题，一个的方法就是降低屏蔽室的Q值，从而减小频率选择性衰落。降低Q值的通常方法是加载，即增加可吸收电磁波的介质。

基于以上考虑，改进方案采用在屏蔽室内壁附加木质栅格（介电常数3.7，损耗角正切0.05）的方式来改善Q值。

4.1 Q值的计算

根据电磁理论，在屏蔽室中Qtotal可由以下公式获得：

其中，τrms为时延扩展均方根，表征信道多径时延的大小，通常将屏蔽室的τrms调整为接近真实环境的时延扩展即可；f为电磁信号的频率；Qtotal表征谐振强度。

IEEE组织对各种信道的时延进行了建模评估，具体参数如表1所示：

表1 各信道建模评估参数表

Model condition K/dB

（LOS/NLOS） RMS delay spread/ns

（NLOS） #of clusters

A

（optional） LOS/NLOS 0/- 0 1 tap

B LOS/NLOS 0/- 15 2

C LOS/NLOS 0/- 30 2

D LOS/NLOS 3/- 50 3

E LOS/NLOS 6/- 100 4

F LOS/NLOS 6/- 150 6

其中，Model C、D代表常规的办公室环境；Model E代表一般开发空间下的环境。因此，如果要在屏蔽室中模拟办公室环境，则选择τrms=50ns。根据式（1）计算可得，需要Qtotal=（2*π*2.4e9）* 50e-9=753.982 2。

4.2 木质栅格尺寸计算方法

设木材条的深度为h，宽度为t，木材框格的内尺寸为f×g，木材档条在屏蔽室四壁上存在，按照图7建立参考坐标系。

根据电磁场理论和微扰法计算可知，以TE10l模为例，Q值的计算公式如下：

+

（2）

其中，各参数含义如下：

Qorgin：未加载前的Q；

Qadd：加载后的Q，对于屏蔽室，Qorgin为存在金属损耗时的Q，Qadd为加载木质栅格后存在介质损耗的Q；

μ：真空磁导率；

ε：真空介电常数；

εr：木材相对介电常数；

tanδ：木材损耗角正切；

K：真空波数，；

η：真空波阻抗，377欧；

RS：屏蔽室金属壁表面电阻；

l：TE10l的标号l；

a、b、d：分别为屏蔽室的长、宽、高；

h、t、f、g：分别为木质栅格的深度、截面边长、内框长度、内框宽度。

因此，通过解方程可获得如下关系：

+

（3）

其中，f、τrms可根据实际场景并结合表1中IEEE的有关规定取值。

4.3 木质栅格尺寸的优化

因为定值，且所述Qtotal=2πf1×τrms为常数，则可确定出函数关系表达式：X（f，g，h，t）=K。其中，K为常数，即X（f，g，h，t）表示以f、g、h、t为变量的函数。

为了提高屏蔽室反射电磁波发射波的均匀性，可以将木材档条的间距设为波长附近，对于2.4GHz频率，λ=v/f=3*10e8/2.4*10e9=0.125m；对于5.8GHz频率，λ=v/f=3*10e8/5.8*10e9=0.052m。因此对于WLAN AP设备，一般同时支持2.4GHz和5.8GHz频率，f和g的取值范围为5.2～12.5cm效果较好。

将上述f和g的取值代入表达式，可获得函数表达式：Y（h，t）=J，其中J为常数。对于h和t，从成本的角度，当其面积最小时最省材料，根据表达式X（h，t）=J，当（h*t）最小时，求得h=hmin、t=tmin，因此可确定h的取值范围为h≥hmin、t的取值范围为t≥tmin。

最后，结合屏蔽室的尺寸，在上述范围内适当选择f、g、h、t值，并通过软件仿真，当电磁信号强度分布较为均匀且局部不出现过高Q值时，即可获得满足要求的木质栅格尺寸。

4.4 木质栅格的选材方法

通过对几种常见木材介电性质的分析发现，采用马尾松的指标可以有效降低屏蔽室的Q值，并且在屏蔽室内造成丰富的场空间差异。如果采用损耗角正切更大的材料，则Q值更低。但实际上加入松木后的Q值，已经可以满足相关带宽的要求。另外，木材的介电常数受含水率、密度、纹理方向和频率等多种因素的影响。

4.5 新方案的实测验证

通过上述方法改造后，测试数据获得了明显改善，从而有效证明了该方法的有效性和实用性。以AP在2.4GHz/20MHz的下行吞吐量为例，改造前为61.145Mbps，改造后为94.333Mbps，提升了54.3%。

5 结束语

本文就如何构造满足AP设备性能测试要求的实验环境进行了详细分析，对屏蔽室光滑金属表面产生镜面反射，引起AP设备吞吐量降低且波动较大的原因进行了测试对比验证和详细的理论分析，得出减小Q值可以改善频率选择性衰落的结论。而降低Q值的方法就是加载，即增加可吸收电磁波的介质。因此，本文提出采用屏蔽室金属表面附加木质栅格的方法，并通过理论推导与计算机仿真相结合，优化得到木质栅格的最佳尺寸。实验表明，该方法完全满足AP设备性能测试要求。相比同类方法如屏蔽室加吸波材料，本方案建设周期从3～6个月缩短为7天，建设成本仅为前者的1/20～1/15，具有很高的工业应用价值。

参考文献：

[1] 赵昱. 无线局域网应用介绍[J]. 当代通信， 2000（10）.

[2] 王娜，周北琦，刘先会，等. 无线局域网设备天线性能测试[J]. 现代电信科技， 2012（5）： 32-34.

[3] 郝立平. 无线局域网性能的实验研究[D]. 天津： 天津大学， 2004.

[4] 张震，辛晓泳. 无线局域网非法AP定位方案研究[A]. 广东通信2010青年论坛优秀论文集[C]. 2010.

[5] 郭德金. 应用于无线局域网的双频天线设计[D]. 西安： 西安电子科技大学， 2011.★endprint

由以上分析可以看出，屏蔽室被激励起非常多的谐振模，此时屏蔽室的Q值很高，导致接收时在OFDM子载波的带宽内发生强烈频率选择性衰落。如果调制带宽内存在频率选择性衰落，则会引起符号间干扰，降低AP设备的吞吐量性能，并且容易出现吞吐量波动的现象。

4 测试环境的改进方案

从上述分析可以看出，若要解决屏蔽室反射问题，一个的方法就是降低屏蔽室的Q值，从而减小频率选择性衰落。降低Q值的通常方法是加载，即增加可吸收电磁波的介质。

基于以上考虑，改进方案采用在屏蔽室内壁附加木质栅格（介电常数3.7，损耗角正切0.05）的方式来改善Q值。

4.1 Q值的计算

根据电磁理论，在屏蔽室中Qtotal可由以下公式获得：

其中，τrms为时延扩展均方根，表征信道多径时延的大小，通常将屏蔽室的τrms调整为接近真实环境的时延扩展即可；f为电磁信号的频率；Qtotal表征谐振强度。

IEEE组织对各种信道的时延进行了建模评估，具体参数如表1所示：

表1 各信道建模评估参数表

Model condition K/dB

（LOS/NLOS） RMS delay spread/ns

（NLOS） #of clusters

A

（optional） LOS/NLOS 0/- 0 1 tap

B LOS/NLOS 0/- 15 2

C LOS/NLOS 0/- 30 2

D LOS/NLOS 3/- 50 3

E LOS/NLOS 6/- 100 4

F LOS/NLOS 6/- 150 6

其中，Model C、D代表常规的办公室环境；Model E代表一般开发空间下的环境。因此，如果要在屏蔽室中模拟办公室环境，则选择τrms=50ns。根据式（1）计算可得，需要Qtotal=（2*π*2.4e9）* 50e-9=753.982 2。

4.2 木质栅格尺寸计算方法

设木材条的深度为h，宽度为t，木材框格的内尺寸为f×g，木材档条在屏蔽室四壁上存在，按照图7建立参考坐标系。

根据电磁场理论和微扰法计算可知，以TE10l模为例，Q值的计算公式如下：

+

（2）

其中，各参数含义如下：

Qorgin：未加载前的Q；

Qadd：加载后的Q，对于屏蔽室，Qorgin为存在金属损耗时的Q，Qadd为加载木质栅格后存在介质损耗的Q；

μ：真空磁导率；

ε：真空介电常数；

εr：木材相对介电常数；

tanδ：木材损耗角正切；

K：真空波数，；

η：真空波阻抗，377欧；

RS：屏蔽室金属壁表面电阻；

l：TE10l的标号l；

a、b、d：分别为屏蔽室的长、宽、高；

h、t、f、g：分别为木质栅格的深度、截面边长、内框长度、内框宽度。

因此，通过解方程可获得如下关系：

+

（3）

其中，f、τrms可根据实际场景并结合表1中IEEE的有关规定取值。

4.3 木质栅格尺寸的优化

因为定值，且所述Qtotal=2πf1×τrms为常数，则可确定出函数关系表达式：X（f，g，h，t）=K。其中，K为常数，即X（f，g，h，t）表示以f、g、h、t为变量的函数。

为了提高屏蔽室反射电磁波发射波的均匀性，可以将木材档条的间距设为波长附近，对于2.4GHz频率，λ=v/f=3*10e8/2.4*10e9=0.125m；对于5.8GHz频率，λ=v/f=3*10e8/5.8*10e9=0.052m。因此对于WLAN AP设备，一般同时支持2.4GHz和5.8GHz频率，f和g的取值范围为5.2～12.5cm效果较好。

将上述f和g的取值代入表达式，可获得函数表达式：Y（h，t）=J，其中J为常数。对于h和t，从成本的角度，当其面积最小时最省材料，根据表达式X（h，t）=J，当（h*t）最小时，求得h=hmin、t=tmin，因此可确定h的取值范围为h≥hmin、t的取值范围为t≥tmin。

最后，结合屏蔽室的尺寸，在上述范围内适当选择f、g、h、t值，并通过软件仿真，当电磁信号强度分布较为均匀且局部不出现过高Q值时，即可获得满足要求的木质栅格尺寸。

4.4 木质栅格的选材方法

通过对几种常见木材介电性质的分析发现，采用马尾松的指标可以有效降低屏蔽室的Q值，并且在屏蔽室内造成丰富的场空间差异。如果采用损耗角正切更大的材料，则Q值更低。但实际上加入松木后的Q值，已经可以满足相关带宽的要求。另外，木材的介电常数受含水率、密度、纹理方向和频率等多种因素的影响。

4.5 新方案的实测验证

通过上述方法改造后，测试数据获得了明显改善，从而有效证明了该方法的有效性和实用性。以AP在2.4GHz/20MHz的下行吞吐量为例，改造前为61.145Mbps，改造后为94.333Mbps，提升了54.3%。

5 结束语

本文就如何构造满足AP设备性能测试要求的实验环境进行了详细分析，对屏蔽室光滑金属表面产生镜面反射，引起AP设备吞吐量降低且波动较大的原因进行了测试对比验证和详细的理论分析，得出减小Q值可以改善频率选择性衰落的结论。而降低Q值的方法就是加载，即增加可吸收电磁波的介质。因此，本文提出采用屏蔽室金属表面附加木质栅格的方法，并通过理论推导与计算机仿真相结合，优化得到木质栅格的最佳尺寸。实验表明，该方法完全满足AP设备性能测试要求。相比同类方法如屏蔽室加吸波材料，本方案建设周期从3～6个月缩短为7天，建设成本仅为前者的1/20～1/15，具有很高的工业应用价值。

参考文献：

[1] 赵昱. 无线局域网应用介绍[J]. 当代通信， 2000（10）.

[2] 王娜，周北琦，刘先会，等. 无线局域网设备天线性能测试[J]. 现代电信科技， 2012（5）： 32-34.

[3] 郝立平. 无线局域网性能的实验研究[D]. 天津： 天津大学， 2004.

[4] 张震，辛晓泳. 无线局域网非法AP定位方案研究[A]. 广东通信2010青年论坛优秀论文集[C]. 2010.

[5] 郭德金. 应用于无线局域网的双频天线设计[D]. 西安： 西安电子科技大学， 2011.★endprint

由以上分析可以看出，屏蔽室被激励起非常多的谐振模，此时屏蔽室的Q值很高，导致接收时在OFDM子载波的带宽内发生强烈频率选择性衰落。如果调制带宽内存在频率选择性衰落，则会引起符号间干扰，降低AP设备的吞吐量性能，并且容易出现吞吐量波动的现象。

4 测试环境的改进方案

从上述分析可以看出，若要解决屏蔽室反射问题，一个的方法就是降低屏蔽室的Q值，从而减小频率选择性衰落。降低Q值的通常方法是加载，即增加可吸收电磁波的介质。

基于以上考虑，改进方案采用在屏蔽室内壁附加木质栅格（介电常数3.7，损耗角正切0.05）的方式来改善Q值。

4.1 Q值的计算

根据电磁理论，在屏蔽室中Qtotal可由以下公式获得：

其中，τrms为时延扩展均方根，表征信道多径时延的大小，通常将屏蔽室的τrms调整为接近真实环境的时延扩展即可；f为电磁信号的频率；Qtotal表征谐振强度。

IEEE组织对各种信道的时延进行了建模评估，具体参数如表1所示：

表1 各信道建模评估参数表

Model condition K/dB

（LOS/NLOS） RMS delay spread/ns

（NLOS） #of clusters

A

（optional） LOS/NLOS 0/- 0 1 tap

B LOS/NLOS 0/- 15 2

C LOS/NLOS 0/- 30 2

D LOS/NLOS 3/- 50 3

E LOS/NLOS 6/- 100 4

F LOS/NLOS 6/- 150 6

其中，Model C、D代表常规的办公室环境；Model E代表一般开发空间下的环境。因此，如果要在屏蔽室中模拟办公室环境，则选择τrms=50ns。根据式（1）计算可得，需要Qtotal=（2*π*2.4e9）* 50e-9=753.982 2。

4.2 木质栅格尺寸计算方法

设木材条的深度为h，宽度为t，木材框格的内尺寸为f×g，木材档条在屏蔽室四壁上存在，按照图7建立参考坐标系。

根据电磁场理论和微扰法计算可知，以TE10l模为例，Q值的计算公式如下：

+

（2）

其中，各参数含义如下：

Qorgin：未加载前的Q；

Qadd：加载后的Q，对于屏蔽室，Qorgin为存在金属损耗时的Q，Qadd为加载木质栅格后存在介质损耗的Q；

μ：真空磁导率；

ε：真空介电常数；

εr：木材相对介电常数；

tanδ：木材损耗角正切；

K：真空波数，；

η：真空波阻抗，377欧；

RS：屏蔽室金属壁表面电阻；

l：TE10l的标号l；

a、b、d：分别为屏蔽室的长、宽、高；

h、t、f、g：分别为木质栅格的深度、截面边长、内框长度、内框宽度。

因此，通过解方程可获得如下关系：

+

（3）

其中，f、τrms可根据实际场景并结合表1中IEEE的有关规定取值。

4.3 木质栅格尺寸的优化

因为定值，且所述Qtotal=2πf1×τrms为常数，则可确定出函数关系表达式：X（f，g，h，t）=K。其中，K为常数，即X（f，g，h，t）表示以f、g、h、t为变量的函数。

为了提高屏蔽室反射电磁波发射波的均匀性，可以将木材档条的间距设为波长附近，对于2.4GHz频率，λ=v/f=3*10e8/2.4*10e9=0.125m；对于5.8GHz频率，λ=v/f=3*10e8/5.8*10e9=0.052m。因此对于WLAN AP设备，一般同时支持2.4GHz和5.8GHz频率，f和g的取值范围为5.2～12.5cm效果较好。

将上述f和g的取值代入表达式，可获得函数表达式：Y（h，t）=J，其中J为常数。对于h和t，从成本的角度，当其面积最小时最省材料，根据表达式X（h，t）=J，当（h*t）最小时，求得h=hmin、t=tmin，因此可确定h的取值范围为h≥hmin、t的取值范围为t≥tmin。

最后，结合屏蔽室的尺寸，在上述范围内适当选择f、g、h、t值，并通过软件仿真，当电磁信号强度分布较为均匀且局部不出现过高Q值时，即可获得满足要求的木质栅格尺寸。

4.4 木质栅格的选材方法

通过对几种常见木材介电性质的分析发现，采用马尾松的指标可以有效降低屏蔽室的Q值，并且在屏蔽室内造成丰富的场空间差异。如果采用损耗角正切更大的材料，则Q值更低。但实际上加入松木后的Q值，已经可以满足相关带宽的要求。另外，木材的介电常数受含水率、密度、纹理方向和频率等多种因素的影响。

4.5 新方案的实测验证

通过上述方法改造后，测试数据获得了明显改善，从而有效证明了该方法的有效性和实用性。以AP在2.4GHz/20MHz的下行吞吐量为例，改造前为61.145Mbps，改造后为94.333Mbps，提升了54.3%。

5 结束语

本文就如何构造满足AP设备性能测试要求的实验环境进行了详细分析，对屏蔽室光滑金属表面产生镜面反射，引起AP设备吞吐量降低且波动较大的原因进行了测试对比验证和详细的理论分析，得出减小Q值可以改善频率选择性衰落的结论。而降低Q值的方法就是加载，即增加可吸收电磁波的介质。因此，本文提出采用屏蔽室金属表面附加木质栅格的方法，并通过理论推导与计算机仿真相结合，优化得到木质栅格的最佳尺寸。实验表明，该方法完全满足AP设备性能测试要求。相比同类方法如屏蔽室加吸波材料，本方案建设周期从3～6个月缩短为7天，建设成本仅为前者的1/20～1/15，具有很高的工业应用价值。

参考文献：

[1] 赵昱. 无线局域网应用介绍[J]. 当代通信， 2000（10）.

[2] 王娜，周北琦，刘先会，等. 无线局域网设备天线性能测试[J]. 现代电信科技， 2012（5）： 32-34.

[3] 郝立平. 无线局域网性能的实验研究[D]. 天津： 天津大学， 2004.

[4] 张震，辛晓泳. 无线局域网非法AP定位方案研究[A]. 广东通信2010青年论坛优秀论文集[C]. 2010.

[5] 郭德金. 应用于无线局域网的双频天线设计[D]. 西安： 西安电子科技大学， 2011.★endprint