Wifi射频接收性能的测试方法

WiFi(WirelessFidelity)手机是一种新兴的基于WiFi技术的VOIP电话。使用这种手机可以将模拟语音信号转换为数据包的形式，通过热点(AccessPoint)接入基于IP协议的互联网上进行传输，从而接打电话。与传统固话相比，WiFi手机的资费非常廉价，但使用的前提是，WiFi手机只有在热点覆盖范围以内才能进行通话。但热点的覆盖范围往往非常有限。

有两种方法可以增大热点的覆盖范围：一是提高热点发射功率和提高手机接收灵敏度，但热点的发射功率不可能无限制地被提高，所以同时还必须提高手机的接收灵敏度来增大热点覆盖范围。根据自由空间传输损耗公式[1]：L(dB)=32.4+20×lgd(km)+20×lgf(MHz)　　

由此可以得出结论：在自由空间的理想情况下，手机接收灵敏度每增加6dB，便可使热点的覆盖范围增大1倍。所以，提高WiFi手机的接收指标有非常实际的意义。要提高WiFi手机的接收性能，首先就必须准确地测试出其接收指标，然后才能对其进行改进，最终提高整个系统的性能。

在802.11系统中[2]，信息是以帧为单位进行传输的，因此可用误帧率对接收性能进行统计分析，而在PHS系统中，是以误码率来定义接收性能指标的[3]。无论在对接收指标的定义上还是在接收性能的测试方法上，WiFi系统和PHS系统均存在较大差异。所以，文中将着重对WiFi射频接收性能的测试方法进行分析，并给出一种通用的解决方案。

1、射频接收指标及测试过程

1.1、射频接收指标的定义

根据IEEE802.11b规范，有3项较为关键的射频接收指标定义如下[4]：
1)接收机最小输入电平灵敏度　对于在天线连接器上测得的-76dBm的输入电平而言，若PSDU的长度为1024个字节，其误帧率(FER)应小于8%；
2)接收机最大输入电平　对于在接收端天线上测得的-10dBm的最大输入电平而言，若PSDU长度为1024个字节，则其误帧率(FER)最大应为8%；
3)接收机邻道抑制　接收机邻道抑制在每一信道组中的间隔，不小于25MHz的任意2个信道间邻道干扰信号功率与有用信号功率的比值。对于采用11Mbit/sCCK调制的FER值为8%以及长度为1024字节的PSDU而言，邻道抑制必须不小于35dB。

1.2、误帧率

在上面3项指标的定义中，均提及了1个非常重要的参数：误帧率，即传输过程中丢失和出错的帧数和发送总帧数的比值。只有获得正确的误帧率，才能精确地测试出上述3项接收性能指标。实验室搭建的接收性能测试平台，见图1.

在图1的测试平台上，由PC为信号源提供一定帧格式的I/Q信号波形文件，并由信号源发出一定数量的帧。同时，DUT在PC的控制下，对这些帧进行接收解调，求得相应的误帧率。然后根据误帧率来调节信号源的发射功率，直到误帧率正好满足指标要求，此时便能获得DUT相应的接收性能指标。但在这个平台上，要获得正确的误帧率，也存在2个难点：

1)信号源发出的帧格式必须满足DUT的要求。不同芯片供应商提供的芯片对帧格式的要求是不同的，若满足不了芯片对帧格式的需要，DUT便不能正确统计收到的正确帧数，从而导致误帧率的计算错误；

2)信号源要能确保发出一定数目的帧，若信号源发出的总帧数都不能确定，误帧率便无法计算。

2、帧结构分析

不同的芯片供应商在测试芯片接收性能时，往往采用不同的帧格式。只有帧格式满足要求，才能统计出正确的收帧数，获得准确的误帧率。常见的WiFi芯片供应商Agere、Philips在接收测试时，对帧格式的要求也各不相同。文中主要针对Agere和Philips的帧格式要求进行详细分析[5-6]。

2.1、帧的形成过程

在802.11DSSS系统中，帧的形成包括以下4个过程。

2.1.1　MSDU的形成　

MSDU是MACServiceDataUnit的缩写，被称为MAC层业务数据单元，是最原始的待发送数据信息。

2.1.2　MPDU的形成　

MPDU(MACProtocolDataUnit)被称为MAC层协议数据单元。它是将MSDU按一定帧结构封装后获得的待发数据信息，见图2。封装过程包括在MSDU前加上MAC帧头和在后面加上帧检验序列。

2.1.3　PSDU的形成　

PSDU(PLCPServiceDataUnit)被称为PLCP子层业务数据单元，实际就是从MAC层传来的MPDU信息。

2.1.4　PPDU的形成　

PPDU(PLCPProtocolDataUnit)，被称为PLCP子层协议数据单元。它是将PSDU按照特定的帧格式进行数据封装后的数据包，具体说来就是在PSDU前面再加上PLCP前导码和PLCP报头，见图3.PPDU是最终将经由物理介质发送出去的数据封装。

2.2、PPDU格式

帧格式[7]的修改全部由PC的软件(WinIQsim或SignalStudio)实现，PC传输给信号源的I/Q波形文件已确定了帧格式。软件中主要是使MPDU满足芯片要求，而PPDU则自动生成的，所以这里只介绍PPDU格式。

整个PLCP前导码和报头采用1Mbit/sDBPSK调制进行发射，发送的数据均采用反馈加扰器加扰。SYNC字段由128个加扰的"1"组成，被用来和接收方进行必要的同步操作；SFD被用以指示依赖与PHY的参数在PLCP前导码中的开始；Signal字段指示发送(和接收)MPDU应采用的调制速率；Service字段为预留字段；Length字段用以指示发送MPDU所需的微秒数；CRC-16字段根据CCITTCRC-16规范计算出Signal、Service和Length字段的CRC校验码并一同发送，完成帧检验序列保护。

2.3、MPDU

MPDU通常包括3个部分，见图3.
①MAC帧头，包括帧控制、持续时间、地址及序列控制信息；
②可变长度的整体，包含基于帧类型的特定信息；
③帧检验序列(FCS)，包含IEEE32bit的循环冗余码(CRC)。

2.4、帧控制字段的结构

帧控制字段虽然只有16个字节，但却包含了用于解释帧其他部分的全部信息，见图4.

1)协议版本：当前总是0，其余为保留值，不为0则丢弃；　　
2)类型和子类型：这2个字段共同标识帧的类型和功能。802.11中总包含3种帧：控制帧、数据帧和管理帧。每种帧类型又分为几种子类型。几种常用的帧类型见表1.　　
3)去往DS和来自DS字段：辅助确定帧的最终传输地址；　　
4)多分段标记：代表数据超过2312字节，将被分成多个数据包传送；　　
5)重传字段：识别当前帧是否为1个数据帧的重传拷贝；　　
6)功率管理字段：代表STA的节能状态；　　
7)多数据标记字段：代表STA有更多的数据需要发送；　　
8)排序字段：代表当前帧是数据帧，并按照有严格序列要求的帧类型发送数据；　　
9)持续时间/ID字段：记录了数据的持续时间数，该时间数将被用来使其他STA更新自己的矢量网络分配。

2.5、MAC帧格式

MAC帧格式中有4个地址字段，这些字段用于指示基本服务集标识(BSSID)、目的地址(DA)、源地址(SA)、发送站地址(TA)和接收站地址(RA)。某些帧可能不包括某些地址字段。其中数据帧的地址字段内容取决于去往DS和来自DS的2个字段的值，见表2。

序列控制字段：长度为16bit，由序列号和分段号2个字段构成。其中12bit的序列号用来指示MSDU或MMPDU的序列编号。STA发送的每个MSDU或MMPDU被分配1个序列编号，随着每个MSDU或MMPDU的出现而以1递增。MSDU或MMPDU每个分段的序列号相同，当MSDU、MMPDU或其分段重传时，序列号保持不变。4bit长的分段号则用于指示MSDU或MMPDU的分段编号。当MSDU或MMPDU仅有1个分段时，分段编号为0；当MSDU或MMPDU有多个分段时，其第1个分段的分段编号为0，其后的分段编号以1递增，所有重传分段的分段编号保持不变。

FCS字段为32bit的CRC，它由MAC头和帧全部字段计算得到。

3、不同芯片的帧结构分析

以常见的Agere芯片组为例[8]，用无线网卡在测试板下抓拍的由AgereGoldUnit发出的帧结构，见图5.

帧的类型和子类型为"010000"，对照表1可以得出此帧为单纯的数据帧。其去往DS和来自DS均为0，由对照表2可以得出其地址1为DA，地址2为SA，地址3为BSSID。这里DA为"FFFFFFFFFFFF"，即广播帧；SA为芯片的MAC地址。在序列控制字段中，分段号为0，说明此MSDU没有分段；而比较相邻的2个帧，可以看出帧的序列号是以1递增的，而2个帧之间的时间间隔约为20ms。

由于现在的信号源只能对一定格式的帧进行循环发送，无法使每帧的序列号递增，所以只有在接收程序中屏蔽掉对帧序号进行验证的功能。若帧间空闲时间过小，则芯片未能完成CRC校验，从而导致误帧率计算错误，所以还必须将帧间的间隔时间设置成20ms。最后，再将帧格式设置成数据帧，这样便能在接收性能测试时，使信号源发出的帧能够满足Agere芯片的要求。

在Philips的BGW200芯片组中，用同样的方法可以发现：帧的格式为数据帧，而且数据区的前10个字节是在61～7A间进行循环，数据区的其他字节均为09。对于这种帧结构要求，首先对帧的数据区进行编程，使其满足芯片要求，然后将帧的类型设置成数据帧，并使信号源循环发送这26个帧，这样便能满足测试Philips芯片的接收性能时对帧格式的要求。

4、发送恒定帧数的实现

由于在接收指标的测试时，是以8%的误帧率进行判决的，所以权衡了测试时间和测试精度后，决定让信号源每次发送1000个帧。当DUT解调出的正确帧大于920时，则认为满足接收指标。

4.1、产生1000个帧的方法

1)通过GPIB卡来控制仪器射频的开关时间，从而实现1000个帧的发送；
2)通过仪器自带的ListMode来发送1000个帧；
3)通过将波形文件生成波形序列，从而让仪器在触发下发送1000个帧。

在11Mbit/s下，每帧的发送时间约为1ms，所以若采用第1种方法，精度不是很高，不能严格发出1000个帧；第2种方法同样是控制仪器的发送时间，惟一区别就是在仪器自带的listmode中设置发送时间，使其精度大大提高，时间精度可以达到μs级。不足的是，采用这种方法时，若导入不同的波形文件，则必须对listmode下的时间进行校准，而且在信道切换和功率变化时，均要重新编辑list，大大增加了测试的工作量；第3种方法则是由仪器在触发模式下精确控制发帧数目。采用这种方法时，仪器并没有立刻对传递过来的I/Q波形文件进行操作，而是根据用户所需的发帧数，先将波形文件转换成1个波形序列，然后再对这个波形序列进行调制，从而严格地保证了发帧数。相比第2种方法，第3种方法免去了信道切换和功率变化时编辑list的工作，提高了测试效率，也是现在实验室中普遍采用的测试方法。

4.2、第3种方法发送1000个帧的实现步骤

在AgilentE4438C上用第3种方法发送1000个帧的实现步骤如下：
1)在Signalstudio中生成Wave文件，通过GPIB卡下载到E4438C中；
2)对Signalstudio传过来的Wave文件进行编辑，并生成Sequence文件；
3)选取第2步生成的Sequence为波形文件；
4)设置Trigger。完成设置后，每按一下[Triggle]，便可以发送1000个帧了。

5、应用实例

实际应用中，在屏蔽室中测得Agere评估板在11Mbit/s下的接收指标，见表3。

表中1、6、11表示所用信道为参考文献[1]中直接序列扩频物理层规划的第1、6、11信道，频率分别为2412、2437和2462MHz。

由表1可以看出，这些接收指标均已超出前面提到的射频接收指标的要求，说明实际芯片性能已经满足IEEE802.11b规范。这种测试方法不仅能精确地测试出各项射频接收指标，而且也是改进整机接收性能的基础，具有较强的实用性。

参考文献：

[ 1 ] IEEE. IEEE Standard 802. 11 , IEEE part II : wireless LAN medium access control (MAC) and physical layer ( PH Y) specifications [ S] . Piscataway N J : Institute of Electrical and Electronics Engineers , 1999.
[ 2 ] 毛曙福, 樊平毅, 曹志刚。一种有效的基于变长包的IEEE 802. 11 系统性能分析方法[J ] . 电讯技术,2005 ,45 (4) :75-79. MAO Shu2fu , FAN Ping-yi , CAO Zhig-ang. An effective performance analysis method for IEEE 802. 11 networks with variable packet length [J ] . Telecommunication Engineering , 2005 ,45 (4) :75-79 (in Chinese) .
[ 3 ] Struhsaker P. Overview of Vo IP telephony and introduction of Vo IP to WLAN [J ] . CTO Wireless LAN Business Unit , 2003 (5) : 25-60.
[ 4 ] IEEE. IEEE standard 802. 11. IEEE part II : wireless LAN medium access control (MAC) and physical layer ( PH Y) specifications : higher-speed physical layer extension in the 2. 4 GHz band[ S] . Piscataway NJ : Institute of Electrical and Electronics Engineers ,1999. [ 5 ] Davidson J , Peters J . Voice Over IP Fundamentals [M] 。Indianapolis : Cisco Press , 2003 : 224-289.
[ 6 ] Wright , David. Voice over packet networks [M] . Hoboken : Wiley and Sons , 2001 : 6-25.
[ 7 ] Khasnabish B. Implementing Voice over IP [M] . Hoboken : Wiley and Sons , 2003 : 26-83.
[ 8 ] Khasnabish B. Vector signal generator R &S SMU200A - supplement standard WLAN2WiMAX [ EB/ OL ] . (2003-05-05) [ 2003-07-12 ] .

作者：万东，杜阳