目前市场上最新的WLAN/WiFi设备是基于802.11ac协议。几年前这个协议在推出时，曾被认为是市场上最快的连接协议——相较于1999年发布的802.11b，它的速度增进了80倍。然而，在有多个用户同时访问AP时，它的性能就达不到那么好了。
为此，IEEE协会开发了新的802.11ax协议。这个协议采用了三项关键技术来解决多用户访问的问题。然而，协议虽好，却也带来了不小的测试挑战。
日前，测试测量大厂——美国国家仪器（NI）在EDI CON和PXI TAC大会上，分别针对802.11ax标准草案1.1发布了用于研发测试和生产测试用的软件工具包。在媒体见面会和本刊的专访上，该公司为我们详细解读了802.11ax当中采用的关键技术，并透露了5G原型化设计和测试的最新进展。
WLAN测试工具包17.0：让802.11ax测试可以利用既有VST硬件实现
熟悉NI的工程师应该知道，该公司的优势是以软件为核心。WLAN测试采用的是矢量信号收发器（VST）。NI通过发布软件工具包的方式，来使既有的VST硬件可以进行802.11ax协议测试。
NI射频技术市场工程师屠方泽告诉记者，NI的矢量信号收发仪是一款明星产品——如果把NI销售的第一代VST的高度叠加起来，比世界最高的高楼迪拜塔还要高。该公司在2016年推出了第二代矢量信号收发仪PXIe-5840。这款产品在一个双插槽PXI Express模块中结合了一个6.5GHz RF矢量信号发生器、6.5GHz矢量信号分析仪、高性能用户可编程FPGA以及高速串行和并行数字接口。它具有1GHz带宽，覆盖范围为9kHz至6.5GHz，应用范围非常广，包括802.11ac/802.11ax设备测试、移动/物联网设备测试、5G设计和测试、RFIC测试和雷达原型等各种应用。
对于802.11ax测试，NI发布了可支持IEEE 802.11ax标准草案1.1的WLAN测试工具包17.0。这款工具包的发布，使该公司客户能够利用既有的矢量信号收发仪硬件进行802.11ax测试。
802.11ax开脑洞：交通拥堵可以架设立交桥，网络拥堵也可以采用此办法
NI把802.11b和802.11ac协议形象地比作摩拜单车和法拉利跑车。然而，即便是法拉利跑车，也会遇到一些瓶颈和困难——如果有很多用户在同一时间去访问网络时，问题就产生了。
“即便你有一辆法拉利跑车，但如果你把它开在像上海深圳这样交通非常拥堵的情况下，它也发挥不了它的性能。因此，802.11ac如果处在用户比较拥堵的情况下，整体性能就不会太好。”美国国家仪器（NI）产品市场总监Jason White打比喻说，“新的802.11ax协议，市场上又将其称为高效率的WLAN。它强调的是效率高，特别是在网络比较拥堵的时候，允许更多的用户去访问网络资源。”
802.11ax当中导入了三项关键技术。比如在调制上，它采用了更高端的1024QAM。它针对上下行采用跟LTE中同样的OFDMA（正交频分多址接入）技术，来允许多个用户在同一时间访问。此外，它加入了MU-MIMO（多用户多输入多输出）天线技术，目的在于提升整体功率使用。
具体来说，从802.11ac到802.11ax所做的改善，它使用了波束调整（beam steering），并在空间中允许更多使用者访问。“802.11ac侧重于给单一使用者最高的速度，就好像给专人开专道一样。而802.11ax则是让大家都能有相当好的体验，获得应有的带宽和网络资源。” Jason White表示。
802.11ax的改变也带来了几个新的测试挑战。首先，它使用1024QAM，造成子载波与子载波之间的间隔变得更小——无论是在芯片组本身需要有非常好的相位噪声或是相位线性度，还是在测试仪器方面需要相位噪声更好。同时，802.11ax 8x8多天线输入输出，要求8个通道之间要有更好的同步，因此矢量信号收发仪也要在多通道之间有更好的同步机制。
802.11ax协议的测试项目有一部分继承了802.11ac，但是802.11ax协议在整体上更加复杂，因此也带来了一些更复杂的测试细节。此外，它也导入了一些新的测试项目，如Unused Tones Error。因为有多用户的机制，所以即便不是旁边的使用者，它也需要针对临近子载波去进行测试。另外，它也增加了一些新的子站测试项目。
高通利用NI VST+WLAN测试套件，将WiFi芯片测试速度提升200倍
在问答环节，Jason White告诉记者，WLAN测试工具包17.0不仅支持802.11ax，而且支持以前的802.11a/b/g/n/ac/af/ah/p。除了这个工具包以外，NI同时还有其他工具包，比如蜂窝工具包，支持2G、3G、4G等不同代的通信协议。
对于降低成本或提升测试速度的具体案例，他表示，最显著的是WiFi芯片大厂——高通。该公司使用NI矢量信号收发仪，搭配这款WLAN测试套件，成功地将WiFi芯片的测试速度提升了200倍。同时，因为NI平台的灵活性，他们进一步缩短了上市时间。
另外，现在的设备需要有更大的带宽，这对芯片商和测试仪器商都面临相同的挑战。因此NI在设计第二代VST时，在上面设置了1GHz带宽。这是为了针对现在WiFi以及未来5G的测试需求。“虽然现在标准的协议并未要求用到1GHz带宽，但是在诸如DPD（数字预失真）的测试情况下，即便本身信号只有200MHz，但是它需要更多旁边的带宽去做预失真处理测量。因此现在所关注的不仅是带宽内的信号，对于很多的信号处理，带宽以外的信号也需要进行测量。因此不管是在软硬件还是平台方面，NI都确保其用户可以满足未来的测试需求。” Jason White表示。
另外对于草案的升级，他指出，802.11ax虽然目前还在草案阶段，没有进入终版阶段，但这不是很复杂的问题。因为过去802.11ac也是一样。在IEEE协会定到最终版协议之前，市场上的终端产品，比如AP、路由器或dongle上，其实就已宣称提供草案版支持。
WTS 1.3结合WLAN测试工具包17.0，形成802.11ax研发到生产完整流程
在PXI TAC大会，NI针对802.11ax生产测试也推出了WTS 1.3工具包。屠方泽在专访时告诉记者，WTS 1.3版本和WLAN测试工具包17.0正好是一个完整的流程。WLAN测试工具包17.0更针对于前期的实验室验证，WTS IS 1.3+WTS则更适合于产线测试。“虽然目前新型的adapter还没有出来，但是今年很快将迎来802.11ax的元年。为了为未来产线测试做好准备，NI发布了WTS 1.3。”屠方泽表示。
“NI在EDI CON上发布的WLAN测试工具包17.0用于研发端的设计、验证、测试，有灵活的软面板可以看结果。同样的IP和仪器控制也放在产线测试上，WTS中也同样是PXI设备。NI发布WTS去支持产线测试的需求。现在从研发端到测试端完全覆盖。”他补充说。
WTS是封装在PXI机箱里的，其原因是这样的封装对于射频接口，比如天线接口，更适合产线工人使用。而且WTS里也集成了adapter control，可以控制每个芯片去产生相应的功能，更快地写完测试程序。配合WTS硬件使用的软件是WTS IS，不仅包括802.11ax，还包括GSM、CDMA2000、蓝牙、ZigBee等等不同测试协议，都可以使用同一款WTS测试硬件去实现整体测试。
它具有不同的端口配置，包括8端口和16端口，去实现多adapter的测试需求。
NI自动化测试中国区技术市场经理陈宇睿补充道：“今天的发布是软件发布，去支持最新的802.11ax。这其实是我们的优势。新的协议出来，用户不用去买新的测试仪。它在硬件上没有太多的变化，内部可能有小小提升，比如处理器、带宽等等，但本质上是通过软件来兼容最新的协议。比如我们以前的WTS，802.11ac项是ready的。现在我们相当于在软件上将功能扩展到了802.11ax。这样，比如做AP的厂商——例如早上讲的Ruckus Wireless的案例，在成本上就会有相当大的节省。另外，它不只是支持WLAN，像蓝牙、ZigBee和Z-Wave等也都可以用它来进行测试。”
“对于802.11ax性能的提升，有一个比较好的例子，比如我们去看演唱会，要么你手机收不到WiFi信号，要么边上有个通信车，专门给你供WiFi信号。比如Ruckus Wireless的案例，他们在里约世界杯的场馆布置WiFi，专门为了解决这个问题。今后有了802.11ax，这个问题会更容易解决。”
未来5G低于6GHz的部分可用VST测试，而毫米波部分困难重重
此外，对于5G的进展，NI也接受了本刊的专访。Jason White告诉记者，5G目前有两个侧重点，一个是低于6GHz的带宽上，我们要针对频谱的使用做到更优化更有效使用。在这其中，Massive MIMO系统带来了更好的在多通道之间同步的机制。针对这个设计，DSP厂商面临一些挑战，例如在Beamsteering（波束控制）或者在Beamforming（波束赋形）上，过去是针对8个天线去做，前段时间University of Bristol跟NI合作，实现了128个通道同步。
另外在毫米波的部分，即5G大于6GHz的平台上，它目前细分为两块。第一块是大家对毫米波了解得还不多，所以还在做很多通道模型的建立，做信道测量，同时针对在开放空间、密闭空间各种情形下的衰减状况。另外，毫米波上需要在成本、体积和功率这三者之间取得比较好的平衡。现在的IC工艺，毫米波因为其波长比较短，所以可以把天线集成在IC上，相应就产生了一些功率上的问题。因此，3GPP对5G的实施分为两个阶段。第一个阶段还是侧重在小于6GHz的平台上。
图：毫米波系统原型设计平台
另外，NI在耕耘5G用户上不只是针对学术研究单位，同时也针对一些商业公司，比如NOKIA、NTT DOCOMO、SK等等，以及院校和科研单位、design house或是电信运营商进行紧密合作，以确保其平台的扩展性，在未来能够满足各式测试需求。
NI BD经理马国华补充说，5G现在还处在一个纯标准制定的阶段，所以它带给大家最有趣的部分是带来的更多的业务模型。比如毫米波，这是以前从来没有的。另外，它在低于6GHz并不是带来很大的带宽，而是通过Massive MIMO等技术，来支撑新的业务模式。所以对于5G标准的预研，如果从物理层来讲，譬如一些最领先的公司，他们会着重研究怎么把无线信道，即Massive MIMO、Beamforming（波束赋形）、Channel Sounding（信道测量）等运用起来。NI在其中提供了一个很好的硬件平台——SDR平台，让他们可以做Channel Sounding，无论是在低于6GHz，还是毫米波频段。
另外，5G的落实最开始是在RF IC——没有芯片就没有任何设备。NI对应于此就有一些非原型、非SDR的平台，去支撑客户RF IC生产测试。另外就是还有一些为以后产业化RF IC的射频硬件等方案做配合。
对于未来5G测试解决方案，Jason White表示，NI针对小于6GHz的部分提供第二代矢量信号收发仪VST2.0（即上述亦可测试802.11ax的产品）。在大于6GHz，也就是毫米波的部分，目前大部分测试使用的是台式仪器。大部分台式仪器最大只有40GHz，这些既有仪器当初是为了军工国防测量设计的，对于未来5G上较大的带宽不见得适合。另外这类仪器还面临成本很高的问题。NI跟前期的使用者合作下一代毫米波测试仪的时候，目标是要提供给使用者很好的测量精度，同时在灵活性以外，还要提供使用者可负担的成本。
另外，针对Verizon联合爱立信、三星、诺基亚等开发的Verizon 5G标准，NI在目前既有的硬件套件上也可以搭载其基于Verizon 5G spec的参考架构。Verizon可能想要先行去影响3GPP，但是这之中应该还是会有一些差异。但是Verizon定下标准的时候，他们假定是在未来等到3GPP new radio的N2定下来之后，通过软件升级的方式实现达成。
因此，NI作为测试厂商来说，不论是Verizon 5G或者是未来3GPP new radio的N2部分，需要确保我们有一个高灵活性的平台。它具备几种能力。一是在频率上有灵活性，因为5G未来工作的频段不一定。二是带宽。目前市场上，Verizon 5G提出的是800M的带宽，NOKIA先前提的是2G的带宽。3GPP也分第一阶段和第二阶段。NI是在硬件上一次满足到3GPP第二阶段上2GHz带宽的需求，同时确保其设备上处理算法的计算能力。PXI平台上有高速的FPGA，也使用到多核心Intel Xeon处理器等等，就是为了确保在未来5G的协议里面不管变得多复杂，其都能够使用CPU的通用运算，或者是运用FPGA硬件的电路等级运算达成。另外在软件上，未来很多的升级都会通过软件实现，而不是再对硬件进行修改，从而避免重复性投资。
马国华补充说，传统的仪表公司注重的价值是怎么能够测得非常准确。而NI是在搭建一个SDR平台，基于这个平台，客户再去做它的Channel Sounding，再去做衍生出来的测试测量。现在在任何新标准的制定过程中，实际需要的是一个通用的软件无线电平台。大的5G玩家基于NI的平台收集数据，研究之后可以制定它的标准。NI平台在标准制定过程中，强调的是其SDR。
另外，Jason White指出，5G测试需求的演进并不是革命性的，而是逐步演进的。5G的过渡前面有4.5G，像载波聚合这样的技术其实4G就已采用了，未来5G会聚合更多的载波。比如，Verizon 5G的spec上面就聚合了8个100MHz的载波，所以显然载波聚合会需要越来越多的大频宽测试需求。另外在毫米波的部分，虽然其整体测试还不知道怎样，但是在无线通信的演进过程中不变的是EVM或邻近通道Power ACP等等，这些测量项不管用什么样的协议几乎都要测试。其中一个可以借鉴的是，802.11ad中已经使用毫米波频段。另外，毫米波上会有比较大的测试项变革：目前很多测试是有连接线的，未来会有更多的over the air，可能是要在一个chamber中，然后用一个hole antenna去对着待测物进行测试。原因在于毫米波之后，有很多天线在半导体工艺上已经被集成上去，我们已经没有任何节点可以直接去做有线连接测试。
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