Wi-Fi MIMO 802.11n的优势和面临的挑战 -摘自《Compendium of Wireles...

   本文章摘自《Compendium of Wireless Tesing Wisdom》 国内首发英文版无线测试技术合集。

多年来，多径接收是一项避免使用或者用来作补偿使用的技术，这是因为当电磁波以直接或间接路径到达接收天线时，它们相位不同，并且会互相干扰。在模拟电视时代，多径信号会产生图像重影；同时无线电信号也会受到信号衰落和信噪比变化的影响。

　　然而，在不增加信号带宽的前提下，依靠多径技术来提高数据流量在实际应用中确是一种可行的方案——路径越多，流量越大，被称之为多进/多出，或者 MIMO。可以这样理解：在相同的频带上，利用独立的多个发射机和多个天线同时发送不同的数据流。在接收端，利用多个接收天线接收多个通过直接或间接路径过来的复合信号。然后，采用先进的数字信号处理（DSP）技术，解调出不同的数据流上的数据（图1）。

　　理论上，如果数据以80Mbps的流量进入MIMO系统，它可以被分为两个40Mbps的数据流，或者4个20Mbps的数据流，这2个或者4个数据流通过MIMO以较低的速度并行地发送，然后在接收端DSP解码后进行复合。因而，这看起来就像是一个80Mbps的数据流在一个带宽仅适合传输 20Mbps或者40Mbps的信道中被传输。换句话说，我们在同一信道传输了更多的比特数。事实上，我们并没有传输翻番或者翻两番的数据流量，这确实增加了信道的利用率。

　　不劳而获？

　　更高的信道利用率不是平白无故的得来的，我们付出的代价是增加了复杂的MIMO设备，必须使用多个发射机，接收机和天线。此外，为了解码接收到的多径信号所组成的复合信号我们需增加DSP的功能。

　　但是 ，此项技术不只是简单的增加发射机，接收机和天线。因为每增加一个，相互之间的潜在干扰就会增加。例如：当两个或者多个发射机同时发送数据时很可能会产生一定的串扰，除非它们有很好的隔离度。同样，多个接收机也很有可能会产生本振信号相互泄漏，除非它们之间隔离得非常好。

　　因此，电路板的布局变得非常重要，不仅要减少相互之间的干扰，还要尽量避免群时延，相位不平衡等问题，同时，器件选型也变得更加复杂，因为我们必须保证发现并排除所有能引起干扰的可能。这样的话就必须投入大量时间去验证，势必会增加总的开发成本。

　　Wi-Fi MIMO-802.11n 草案2.0

　　迄今为止，Wi-Fi MIMO 还没有得到802.11n标准的认可。因此，现有的大多数Wi-Fi MIMO设备被冠以“草案n认证”，这表明它们符合802.11n草案的规范（虽然期间还有其他过渡型草案，但是认证还是基于草案2.0的）。最终认可时间预计会在2009年。然而，最终认可的标准和草案2.0相比应该不会有太大的出入，因此一些公司已经提供“草案n”的产品。

　　到目前为止，在与802.11a，b和 g的兼容性方面，还没有出现多大的问题；由于最初的一系列产品是针对消费者而非企业用户，而消费者对标准认可基本不关心，他们更希望的是Wi-Fi的覆盖范围和传输速度的改善。目前为止，这对企业来说，还是有相当风险的。

　　IEEE 802.11a和g在空中的额定速率是54Mbps，在实际使用中的速率是25Mbps（如：在MAC服务接入点的实际速率）。802.11n在空气中的额定传输速率是200Mbps，实际上大约可以达到100Mbps。4倍速率提升的预期，足以让基于802.11n标准的无线连接能够轻松应付各类应用，对边缘服务来说，最好情况下能以802.11a和g来传输（如：视频流）。

　　开发测试的挑战

　　如前所述，开发802.11n设备不是简单的复制发射机，接收机和天线。每增加一个发射机/接收机，它们相互之间的干扰就会增加。这意味着，开发测试必须能够识别在哪些地方，干扰会导致信号与802.11n标准相悖。

　　例如，如果一个天线发射的信号耦合到另一个发射机的输入端，这将使第二个发射机的发射信号恶化（图2）。

　　同样，如果相互干扰存在于接收机之间，也将使接收信号恶化（图3）。

　　如果在其它的发射机和接收机都关闭的情况下，对发射机和接收机进行单独测试，不可能得到实际的兼容性能。为了测量实际的兼容性能，一个Wi-Fi MIMO设备需要为每个发射机配备单独的VSA（例如：一个NxN测试方案——图4）。

　　同样，测试多个接收机也需要有独立的信号源同时发送不同的数据包，这是一种价格昂贵的测试方案。

　　Wi-Fi MIMO的单盒测试

　　有一种成本较低的MIMO测试的替代方案，采用单盒和创新的开关适配器（图5）。这样，可以让所有的发射机同时发射数据，同时只允许一路信号进入到一个测试装置的射频输入口和单独的VSA。这个信号由于受到来自其他发射机信号的干扰，从而测得的此信号矢量误差幅度（EVM）将会是实际值。连续依次选通每个发射机，当每一路发射信号处于可能的干扰下并工作在最大负荷下（如：所有的功放满负荷工作）时，我们就可以测量每个发射机的EVM值。

　　虽然这不是一个全面的NxN解决方案，速度也不快，但是这个测试过程可以找出不利的耦合问题，并且验证发射机是否正常工作。

　　另一种可选的发射机测试方法是使用一个单盒测试装置来抓取所有DUT发射机发出的复合信号并测量此复合信号的EVM（图6）。相对于连续测试，这种方法的分析更快捷。然而，它并不提供单发射机的EVM测量。

　　复合信号的EVM，功率谱密度和幅度随时间变化的情况可被用来判定是否所有的发射机工作正常。虽然它不能显示是哪一个发射机不正常，但是这对于快速测量和测试质量的保证，已经是绰绰有余了。

　　多端口适配器还能被用于接收机测试。这次是一个VSG信号同时传送到DUT的所有接收端口（图7）。

　　如果有偏差，这表明其中的一个或者多个存在问题；如果没有偏差，可以认为全部是好的。误包率（PER）测试在这里不起作用，因为即使一个接收机工作不正常，由于受到其他接收机的影响，PER也可能小于正常值。这个测试必须确保有相当高的灵敏度，在保证质量的前提下，是一种快速鉴别接收机是否工作的方法。

　　成本和折衷

　　随着当今无线技术的发展，无线产品的产量很大并且价格低廉。这对价值链的开发者（如：芯片厂商和ODM厂商）产生了较大的压力，他们会提出低成本但同时又能快速转量产的解决方案。开发商不会花时间用时序分析仪器对他们设计产品进行测试。他们需要的是仅捕捉少量数据就能提供快速全面分析的测试系统。

　　在确保产品质量方面，不需要去验证设计，因为验证设计是在研发阶段就做好的。这里，测试仅是去找出由于生产而非设计上的原因所产生的不合格的产品。虽然没有强制规定研发的测试架构要和生产的测试架构一样，但是如果两者有相同的平台，这将有利于对发生的问题追根溯源，说不定这是个设计错误呢？可以查看以前的测试记录，返回去寻找问题根源，而不必花很大精力在查找两个或者多个测试架构之间的差异上面。

　　毫无疑问，随着MIMO的普及和数量的增加，减少测试时间和限制生产成本将一直贯穿于MIMO的研发和生产阶段。

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