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。

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

 

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,所以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模式

左圖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。

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。

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。

 

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:

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。

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!