802.11ac技术的测试方法研究*

朱晨，陈成新，李智，卢娟

（深圳市计量质量检测研究院，深圳 518055）

1 引言

802.11是IEEE制定的WLAN系列通信标准，包括物理层和MAC层控制协议。经过多年发展，802.11系列包含多个WLAN标准，可以满足不同的用户无线通信需求。802.11ac协议制定项目于2008年底启动。2009年9月，IEEE标准委员会正式批准了802.11n无线通信标准，同时开始转入802.11ac无线通信标准的制定，并于2013年完成并获批通过。802.11ac标准的核心技术继承自802.11n，继续工作在5 GHz的频段上，并进一步提升了通信带宽，新标准的理论传输速率将达到1 Gbit/s，有望满足未来人们对于高速移动多媒体通信业务的需求。

2 802.11ac的技术特性

在802.11系列标准中，目前得到普遍使用的是802.11b/g协议，即大部分Wi-Fi设备工作在2.4 GHz频段。除WLAN设备以外，还有诸如无线键盘、蓝牙等电子设备也使用此频段。低频段的数据传输容量上限较小，信道的拥挤导致无线设备间干扰严重，通信质量较低。随着多媒体应用业务的普及，人们对于数据速率的需求日益增高，为了解决2.4 GHz频段拥挤对数据速率的限制，802.11n在支持2.4 GHz的传统频段之外，还选择了更高频段的5 GHz为工作频段。5 GHz频段与军用雷达频段重合，因此很多国家出于安全考虑仅开放少量信道可供WLAN通信使用。即便如此，5 GHz相对于2.4 GHz频段具有高频段天然的大容量优势，而且信道间距较大，工作于此频段的设备数量较少，相互干扰较小，信号品质明显提高，数据传输速率也有了显著提升。

802.11ac的制定目标是满足VHT（Very High Throughput)的需求，即提供极高的数据吞吐能力改善Wi-Fi的用户体验，使无线网络的通信能力可与有线网络相媲美。802.11ac的主要技术指标与802.11n的对比见表1[1,2]。

表1 802.11ac与802.11n标准的主要技术指标对比

2.1 工作频段与信道带宽

802.11ac仅在5 GHz频段工作，更高的数据速率目标是其放弃2.4 G频段的主要原因。802.11ac包含强制或可选带宽来增强信道带宽。除了目前大多数802.11n设备所支持的20 MHz和40 MHz信道带宽，802.11ac支持最大80 MHz的连续信道带宽（可通过可选项扩展至160 MHz）。这一更宽信道带宽的优势在于，相比802.11n最大40 MHz的信道带宽，80 MHz信道带宽能使物理层传输速率提高一倍，而增加的成本对芯片制造商来说可以忽略不计。在连续80 MHz带宽模式下，不仅数据传输率/吞吐量更高，还提升了系统效率，很多802.11n协议不支持的新应用也随之成为可能[3]。

此外，802.11ac标准支持可选的160 MHz信道带宽功能。对于具备这一可选功能的设备，信道带宽可以是连续的160 MHz，也可以是不连续的（80＋80 MHz）。在不连续的情况下，频谱由两部分组成；每个部分使用任意两个802.11ac 80 MHz信道，频率可以彼此不相邻。与40/80 MHz传输带宽相比，160 MHz信道带宽可以在降低复杂度需求的前提下，使设备达到Gbit/s级别的无线传输吞吐量，但是值得注意的是，很多国家在5 GHz频带仅开放部分信道可供Wi-Fi设备使用，并非都能满足160 MHz信道带宽，要支持此功能的成本较高。因此，这一功能在802.11ac设备中属于可选项。

2.2 调制编码方案

802.11ac沿用802.11n的OFDM调制、交错和编码架构。具体来说，802.11ac仍然要求设备支持BPSK、QPSK、16QAM和64QAM调制。但在具体的调制编码方案中，802.11ac有两处关键不同[4]。

首先，802.11ac支持星座映射增强。在支持的调制方式中，256QAM为可选项。256QAM相比64QAM，提升了33%的吞吐量，同时也对信号传输环境提出了更为苛刻的要求。

第二个重要区别是，802.11ac定义的MCS只有10种（0!9），远远少于802.11n可支持的77种MCS。实际应用证明，802.11n支持的花样繁多的MCS方式并未带来更好的市场反馈，反而增加了设备成本，因此802.11ac放弃了过多的MCS选项。

2.3 MIMO

MIMO技术能够在同一频点上通过多重数据流的空间复用，利用独立空间路径提供的自由度，有效的成倍增加信道容量。802.11ac支持最多8×8方式的MIMO。除了单用户MIMO带来的数据吞吐能力的提升，波束成形技术也使得接入点能够利用相同频点，通过多个天线执行多个空间任务，同时与不同方向的用户通信[5]。例如，1个具有8天线的发射点可以使用4×4 MIMO与两个不同终端同时通信。

3 802.11ac的主要测试要求

3.1 测试体系

完善的测试体系能帮助工程人员尽早发现系统潜藏的隐患与弱点，及时做出修正与调整。802.11ac系统的测试体系按照具体的测试内容可以分为4个方面：功能测试、性能测试、质量测试和安全性测试。

功能测试是对系统的通信功能进行测试，一般分为发射机测试和接收机测试，测试内容包括频谱包络、输出平坦度、频率误差、调制信号质量参数等。

性能测试的目的是测试802.11ac系统实现通信功能的全面性、有效性与可靠性，主要测试系统的实际数据传输速率、传播距离、传输协议、代码协议、防碰撞机制等。

质量测试主要指设备的电磁性能方面的质量测试，如电磁兼容性与电磁照射、芯片封装质量、芯片使用寿命等。

安全测试分为两个方面，一方面指通过对设备的检查与安全性试验，保证系统运行中使用者与操作者的人身安全；另一方面是指系统通信过程中的数据安全与网络安全，针对的是系统漏洞。

在本文中，我们主要研究802.11ac系统的功能测试方法，重点介绍其中与802.11n的不同之处。除本文具体介绍的测试项目之外，802.11ac仍然需要测试频谱纯度、相位噪声、端口射频性能如插损、电压驻波比等常规项目，这些测试项目在测试方法上和802.11n系统并没有显著区别，因此不再展开论述。

图1 测试装置示意

功能测试装置由信号发生器和信号分析仪组成，设备连接方式如图1所示［6］。信号分析仪用于发射机相关测试，信号发生器用于提供接收机测试所需的下行信号。为简便起见，将测试装置表示为单端口形式，以一个 RF 端口（TX/RX）与被测设备相连。

3.2 发射机测试

3.2.1 发射频谱模板

本项目测试被测设备所发射信号的频谱特性是否符合技术标准，避免带外泄露信号对其他工作于通频段的设备造成干扰，一般在被测设备为最大发射功率的状态下进行测试。

信号频谱模板以dBr表示，测量时应采用100 kHz的分析带宽和30 kHz的观测带宽。由于802.11ac支持不连续频谱，即允许设备使用80＋80 MHz的非连续频谱组成160 MHz信道，此种情况下其模板包络门限需参照标准要求计算得出。

图2给出了一个中心频点相距160 MHz的非连续频谱示例[7]。此时的频谱模板可视为由两个对称的80MHz的频谱模板叠加而成，在带外泄露不重叠的频段区域，信号功率应符合标准规定的包络门限，即以中心频点的功率值为基准，带外40 MHz处的衰减量不小于28 dB，带外80 MHz处的衰减量不小于40 dB。而泄露信号重叠的频段区域，可以对两个包络值进行线性叠加。在本示例中，泄露信号的最大功率相比于基准点，不得高于-25 dB。

3.2.2 频谱平坦度

测量每个子载波功率相对于平均功率的偏差，测量采用BPSK调制包，技术规范的规定针对一个子载波，测量一个数据符号某一BPSK调制子载波i上的平均星座功率Ei,avg。根据相对于子载波频率所处区域的不同，可分为中心区域（带内）或外围区域（带外）两种情况，模板门限分别为±4 dB与+4/-6 dB，因此测试中建议在中心区域和外围区域分别取点，在中心区域频段可以适当增加取点密度。

3.2.3 发射中心频率允差

图2 80+80MHz非连续频谱发射功率模板

检测发射机的频率相对于所期望的载波频率的误差，一般通过对调制信号进行解调得到。测量方式选择数据平均，平均次数可以参考802.11n的测试方法取20次，合格标准为小于±20 ppm（0.002%）。

3.2.4 符号时钟频率误差

检测符号时钟频率相对于所期望符号时钟频率的偏差。合格标准为小于±20 ppm（0.002%）。该测试项检测本振源随时间迁移产生的任何频率变化。

3.2.5 发射中心频率泄漏

发射中心频率泄漏测试用于检测位于调制信号中心频率处的非期望功率。这种泄漏会引起接收机问题。泄漏是根据载波所在位置不同，按照载波是否在带宽中心加以定义的。例如，使用80 MHz信道发射20或40 MHz带宽信号时，载波信号将不在传输带宽的中心位置。需要对20!160 MHz的各个带宽条件分别进行测试，分析带宽为312.5 kHz。

3.2.6 发射机星座误差

发射机星座误差和发射中心频率泄漏一起构成了对发射机调制精度的测试要求。需要对20!160 MHz的各个带宽条件分别进行测试，有效载荷数据为随机数据流，长度至少为16个OFDM数据符号，捕获帧数应不少于20个。802.11ac相比于802.11n增加了256QAM的可选调制方式，在编码率为3/4时，EVM应小于-30 dB；在编码率为5/6时，EVM应小于-32 dB。

需要注意的是，被测空间信号流数量应等于天线数量，同时测试设备输入端口数也应与此一致。

3.3 接收机测试

3.3.1 下行信号设置

测试装置提供合适的下行信号为基准，根据被测设备对信号的测量结果来判断被测设备的接收机是否满足要求。典型的下行信号配置如表2所示[8]。

表2 典型802.11ac下行信号配置

每一个OFDM符号所包含的字节长度是由MCS决定的。如表2的示例，对于保护间隔为800ns的MCS 7数据流，每一个OFDM符号包含1 170 bit，即146.25 byte，则400个OFDM符号共包含58 500 byte。

3.3.2 接收机最小输入灵敏度

最小输入灵敏度测试是检验接收机成功解调802.11ac信号能力的重要验证测试项目，是指接收设备为了满足误码率门限所需要的最小输入电平。由于在一些测试场景中，较难测得具体的误码率，在不需要精确误码率数据的测试中可以用分组错误率代替。分组错误率是单位时间内未能正确接收的分组数据的个数与总传输数据包个数的比值。在定性测试中，可以认为误码率与分组错误率近似相等，门限值均为10%［9］。

标准中规定本项目的最小测试数据长度为4 096 byte。以MCS 7为例，数据长度应当不小于28个OFDM符号；对于MCS 9，则应不小于21个OFDM符号。

3.3.3 接收机最大输入电平

这项测试用于保证被测设备在天线馈入较高功率电平时依然能实现正确接收。标准允许该测试可以使用任意的MCS编码方式，最小测试数据长度为4 096 byte，测试要求在输入电平大于-30 dBm的情况下，误码率门限不大于10%。

4 结论及未来工作

随着人们对于高清多媒体应用的需求增长，支持高吞吐量的802.11ac标准的设备正在逐步走向市场，得到普及。因此802.11ac相关设备的检测与测试需求也与日俱增。本文分别从发射机性能测试与接收机性能测试两个方面，较为全面的介绍了802.11ac的主要功能测试项目和测试方法，对关键性的测试指标进行了总结，是全面开展802.11ac技术的检测与测试工作的必要前提，具有一定的参考价值。

性能测试是802.11ac的测试体系的另一个重要组成部分。随着支持高数据速率的网络设备与终端的普及，相关的中间件与应用软件也将很快面世，面向用户体验的网络性能测试则将成为后续研究的重点。未来我们将深入研究性能测试的主要测试项目和测试方法，进一步完善802.11ac的测试体系，为挖掘网络传输潜力，提升网络实际性能提供测试依据。

[1]IEEE.IEEE Std 802.11ac[S/OL], 2013.http://standards.ieee.org/findstds/standard/802.11ac-2013.html

[2]IEEE.IEEE Std 802.11n[S/OL], 2009.http://standards.ieee.org/findstds/standard/802.11n-2009.html

[3]AEROFLEX.IEEE 802.11ac 技术概述与生产测试面临的挑战[EB/OL].2014.http://www.aeroflex.cn/ats/upload/brochures/802_11ac-white-paper_v3_C.pdf

[4]Lite Point.IEEE 802.11ac What Does it Mean for Test? [EB/OL].2014.http://www.litepoint.com/whitepaper/80211ac_Whitepaper.pdf

[5]Bejarano O, Knightly E, Park M.The IEEE 802.11ac: Dynamic Bandwidth Channel Access[C].Proceedings of IEEE International Conference on Communications （ICC).2011.Kyoto.

[6]Irwin R.802.11ac: production and test requirements[EB/OL], 2014.http://www.aeroflex.cn/ats/upload/brochures/802_11ac-article_v10_C.pdf

[7]Stelter A.Dynamic 20/40/60/80 MHz Channel Access for 80 MHz 802.11ac[J].Wireless Personal Communications.2014, 79（1):235-248.

[8]Dianu M，Riihijarvi J，Petrova M.Measurement-based study of the performance of IEEE 802.11ac in an indoor environment[C].IEEE International Conference on Communications （ICC).2014.