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Wi-Fi 6硬體傳導性測試

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全面進化的Wi-Fi 6 

目前Wi-Fi市場上主流為Wi-Fi 5 (802.11ac)，近年Wi-Fi 6 (802.11ax)逐漸在旗艦級消費產品嶄露頭角，未來可預見Wi-Fi 6會逐漸成為主流。Wi-Fi 6是以Wi-Fi 5為基礎，除了速度的提升外，更著重降低同時間內多用戶狀況下資料傳輸的壅塞感，例如大眾運輸系統、演唱會與運動球場等人潮用戶眾多的區域。Wi-Fi 6其新增特點如OFDMA、1024QAM技術、資源單位（Resource Unit）等。百佳泰為Wi-Fi聯盟指定實驗室，早已跟緊腳步，率先提供Wi-Fi 6相關測試，特別也在此撰文分享相關驗證重點。

關於Wi-Fi 6與Wi-Fi 5的差異，我們可先從下圖比較表來簡單快速了解，並針對關鍵差異於稍後說明。

 

Wi-Fi 6與Wi-Fi 5的差異一覽表

Item Wi-Fi 5 (802.11ac) Wi-Fi 6 (802.11ax)
使用頻段 5GHz 2.4GHz , 5GHz
多工存取技術 TDMA OFDMA
子載波間距 312.5KHz 78.125KHz
調製編碼方案(MCS) 0~9(256QAM) 0~11(1024QAM)
空間串流

(Spatial Stream, SS

傳輸時天線使用數量)

 4SS 8SS(Max)
最高理論傳輸速度 866Mbps(1SS, BW160MHz),

最高3.46Gbps(4SS, BW160MHz)

*BW Bandwidth傳輸頻寬

 1.2Gbps(1SS, BW160MHz),

最高9.6Gbps(8SS, BW160MHz)

*BW Bandwidth傳輸頻寬

 

Wi-Fi 6使用頻段

Wi-Fi 6與Wi-Fi 5不同，Wi-Fi 6同時支援2.4GHz與5GHz頻帶。所以Wi-Fi 6進行測試需測試兩個頻帶，因此設計者在開發過程中，需考慮到測試項目增加會使開發時程變長。

 

多工存取技術

TDMA工作模式

 

TDMA模式

上圖為TDMA工作模式，將一個資料分切在多個子載波內，同一時間內，讓一個用戶使用全部的子載波，直到下一個時間區段才換另外一個用戶進行資料傳輸。

在說明OFDMA模式之前，必須先說明一個Wi-Fi 6新增加的資源叫做資源單位(Resource Unit，RU)。

Wi-Fi 6導入OFDMA資源單位，目的是能在人潮眾多的情況下，同一時間支援更多使用者。例如頻寬20MHz時可以有9個RU26（9個使用者）或者1個RU242（1個使用者），搭配不同的頻寬，RU資源單位大小與數量也會變換，一些基本的RU組合可以參考下表。

RU Type Channel Bandwidth
20MHz 40MHz 80MHz 160MHz/

80+80MHz
User Quantity
RU-26 9 18 37 74
RU-52 4 8 16 32
RU-106 2 4 8 16
RU-242 1 2 4 8
RU-484 N/A 1 2 4
RU-966 N/A N/A 1 2
2 x RU-966 N/A N/A N/A 1

 

Wi-Fi 6 RU有不同的大小，對應到不同頻寬會有不同的RU資源單位數量。而不同大小的RU資源單位可於限制頻寬內調整RU大小；例如RU26兩組可改為RU52一組，請參考下圖40MHz頻寬基本架構：

例1：40MHz頻寬內，全部排滿有18個RU26，也代表可同時服務18個使用者。

40MHz頻寬內，全部排滿有18個RU26，也代表可同時服務18個使用者。

 

例2：40MHz頻寬內，可變換為數個不同大小的RU，下圖代表可服務6個使用者。

40MHz頻寬內，可變換為數個不同大小的RU，下圖代表可服務6個使用者。

 

回到多工存取技術說明圖，右圖OFDMA工作模式，如同OFDM將高速訊號分切進各個子載波，子載波的數量是可以增加或減少，不同數量的子載波用資源單位RU整合分類，並且在同時間內，將不同的資源單位RU分配給不同的用戶，達到同時間服務更多用戶的目的。資源單位RU可彈性調整大小，大資源單位RU可提高使用者傳輸速度使其加快完成資料傳輸；而小資源單位RU可在有限的頻寬內提供更多的使用者，在用戶密集的場所可有效減少訊號傳不出去的使用者感受，此資源單位RU的特性是Wi-Fi 6的一大特點。

 

子載波間距

最小數據承載的載波，Wi-Fi 6將子載波間距從312.5KHz縮小為78.125kHz，增加了子載波可用數量，而 256個子載波組成一個最小的RU26資源單位，Wi-Fi 6傳輸時，會因應使用者數量與傳輸資料大小，靈活調整子載波數量的多寡，可有效降低使用者傳輸資料的壅塞感。

 

調製編碼方案(MCS)

802.11ax導入1024-QAM更高階數的調變，並增加MCS 10、11(Modulation and Coding Schemes) ，從802.11ac 256-QAM的最小符元8bits提高為10bits，故其速度可以提升25%。

下圖為IQ星座圖，可得知1024QAM傳輸能量振幅越大、間隔更小，故對振盪頻率、時間誤差等因素要求更精確，對解調的EVM要求更高。

IQ星座圖，可得知1024QAM傳輸能量振幅越大、間隔更小

 

Wi-Fi 6 實測評比

我們拿市場主流品牌Intel的AX200無線網路卡做測試，此卡支援Wi-Fi 6並且向下相容其他Wi-Fi標準，有兩個天線接頭可安裝兩支天線。AX200無線網路卡透過PCIe轉接卡安裝於電腦主機PCIE插槽上做測試。測試在電波隔離室(Shielding room)內進行，內部牆壁、天花板與地板鋪滿吸波材來達到隔離室外干擾源，讓室內的我們量測到真正的產品信號品質。測試的量測設備為Rohde & Schwarz(羅德史瓦茲)的CMW500，CMW500為Wi-Fi, Bluetooth®, LTE等主流無線技術的綜合測試儀器，透過Wi-Fi信令模式功能與AX200無線網路卡進行資料傳輸與測試。

測試架構如下圖：

Wi-Fi信令模式功能與AX200無線網路卡進行資料傳輸與測試

 

測試條件：

Channel 挑選中間頻帶2.4GHz Channel 6、5GHz Channel 100做為代表，而Data Rate挑選最低速MCS0與最高速MCS11兩種搭配，因為MCS0是所有Wi-Fi最基礎的傳輸速度，MCS11則是使用Wi-Fi 6最新的1024QAM技術，所以有確認的必要性。

TX 測試項目 RX測試項目
  • Burst Power (dBm)
  • EVM (dB)
  • Center Frequency Error (Hz)
  • Symbol Clock Error (ppm)
  • Timing Error (us)
  • Carrier Frequency Offset，CFO (Hz)
  • Sensitivity (dBm)

 

TX 測試項目

  • Burst Power (dBm)

 

Burst Power即為Wi-Fi模組輸出端的功率，功率越大，傳輸狀況越佳。從以上Burst Power發現不同MCS (Data Rate)的Power很穩定，但在不同的RU大小會有不同的變化，小RU的Power會較低；而大RU的Power會較高。

當使用小RU的Power設計產品，後續進行法規認證可能因為大RU使Power升高，而可能產生法規認證不符規格的風險，設計時建議將大與小RU的Power值進行確認是否符合設計需求。

Burst Power是可以調整的，透過常見的功率放大器(PA)及內部增益自動控制(Automatic Gain Control)，Power的調整會使電源消耗會隨著變化。產品如果電池容量有限制或者對於消耗電量有較嚴苛要求，可透過軟體或硬體電路進行Power調整，例如降低一些Power性能，換取電源消耗降低，開發者可與模組或晶片供應商討論，從中取得平衡設計。

 

  • EVM (dB)

EVM誤差向量幅度，信號品質與解調越好，EVM會越低，規格需小於35dB。從EVM測試結果得出，MCS11易發生超出規格狀況，此現象可能因為MCS11是使用1024QAM而對振盪頻率要求較高而超出規格，而較低速的MCS0則是非常穩定。

 

  • Center Frequency Error (Hz)

Center Frequency Error指的是發射端的載波中心頻率誤差，規格需小於±100KHz，從測試結果得出，在高低MCS與不同大小RU allocation皆符合規格，Wi-Fi Channel頻率與本地振盪器誤差皆可能造成Center Frequency Error變化，如果Center Frequency Error不符合規格，有可檢查硬體的振盪器與軟韌體可調頻率的設定，並且可與WLAN供應商討論設計方式。

 

  • Symbol Clock Error (ppm)

Center Frequency Error數值會被發射端的振盪器誤差影響，其規格需小於±20ppm，從Symbol Clock Error測試結果得出數據穩定符合規格，代表選擇的振盪器的精度足夠穩定。

 

  • Timing Error (us)

AP端傳輸信號給STA端(客戶端)，STA端需在時間內回覆，時間規格為±400ns以內。因為每個開放給用戶使用傳輸資料的時間是被限制的，用戶端若不在時間內回傳，需等待至下次AP端訊號詢問才能傳輸，若是發生多次無回傳，用戶端會感受到傳輸速度下降。

從Timing Error測試結果得出數據穩定符合規格，代表使用者傳輸速度較不容易產生延遲。

 

  • Carrier Frequency Offset (Hz)

 

Wi-Fi 6因為子載波間距從的312.5kHz縮小為78.125kHz，故更要求STA端本地振盪器頻率誤差，規格為±350Hz以內，從Carrier Frequency Offset測試結果得出，在小的RU allocation容易超出規格。若本地振盪器頻率偏移，會造成信號傳輸頻率不同步或對其他頻帶用戶造成干擾，故需量測此頻率誤差並預先做補償以得到更為精確的頻率。

 

RX 測試項目

  • Sensitivity (dBm)

 

Sensitivity為接收端靈敏度，靈敏度值越低，代表能接收到能量越低的信號。測試的MCS0規格為-82dBm、MCS11規格為-52dBm，代表此模組對於弱的Wi-Fi信號會有較佳的接收能力以及較遠的傳輸距離。

優化Sensitivity的方式是降低產品內部的雜訊（Noise），雜訊一般分為輻射（radiation）與傳導性（conductive），輻射雜訊透過空氣介質做傳導，可用金屬遮罩做屏蔽阻絕輻射雜訊。

而傳導性雜訊是透過電路板的零件與線路傳導，可使用磁珠（Bead）、共模濾波器（CMC，Common mode choke）、電容等零件濾除雜訊，以及電路板布局（Layout）做接地面與貫孔強化設計等。

 

綜合以上說明，可以了解到在硬體設計上有諸多方式可避免惡化Sensitivity的設計，百佳泰除了標準Wi-Fi量測設備外，也具備雜訊量測等相關經驗，能與客戶討論與協助Wireless產品設計驗證。

無線產品中，RF端系統最基本的組合主要為天線與RF電路模組，其整合的性能測試即為OTA；當產品發生問題需要釐清，可將系統中的天線與RF電路模組端分別獨立進行測試，目的是隔離每個設計區塊，讓各個區塊的問題不互相影響，即可釐清是那一個系統各區塊是造成問題。

 

總結

綜合以上介紹，若將所有Channel , 2.4GHz/5GHz Band , Data Rate , Bandwidth等測試條件展開測試至少多達2000個測試項目，至少花費數個月測試時間，這樣的測試時間是很難配合專案開發進度的；百佳泰以Intel AX200 WLAM Card測試結果為例，部分測試項目超出規格（EVM、Carrier Frequency Offset），客戶可規劃較有風險的測試項目進行優先量測，將測試時間縮短到2週內，大幅提高效率，並且較能配合產品專案開發時程。

隨著近年Wi-Fi電子產品逐步導入Wi-Fi 6，可預見Wi-Fi 6能見度越高，其測試需求自然也會增加，開發者會需要更了解Wi-Fi 6技術與量測。百佳泰提供「無線測試與設計諮詢服務」可協助客戶訂定合理有效的測試計畫，並協助測試與除錯，提高您的Wi-Fi 6或其它無線產品競爭力！

 

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