WiFi射頻接收性能的測試方法

1、江 南 大 學(xué) 學(xué) 報 (自 然 科 學(xué) 版)第 6 卷第 5 期 2007 年 10 月vol . 6 no . 5journal of jiangnan un iversity( na tural sc ience edit ion) oct . 2007 文章編號 :1671 - 7147 (2007) 05 - 0542 - 05wifi 射頻接收性能的測試方法杜 陽 3萬 東 ,(浙江大學(xué) 國際電磁科學(xué)院浙大分院 ,浙江 杭州 310027)摘要 : wi fi 手機是一種新興的基于 wi fi 技術(shù)的 v o ip 手機 ,但其覆蓋范圍受到接收靈敏度的制約 ,所以對其接收性能的測試

2、與分析是非常關(guān)鍵的技術(shù). 提出并通過實驗驗證了一種適用于多種 芯片的 wi fi 射頻接收性能測試方法 ,并在實際應(yīng)用中獲得了良好的效果.關(guān)鍵詞 : 靈敏度 ;無線保真 ;媒體訪問控制 ;幀 ;誤幀率中圖分類號 : tn 929 . 5文獻標(biāo)識碼 : aresearch on mea surement of rf receiver perf ormance of wifi systemdu ya ng 3wa n do ng ,( elect ro magnetics academy , zhejiang u niver sit y , ha ngzho u 310027 , china)ab

3、stract : wi fi p ho ne i s a new v o ip p ho ne ba se d o n wi fi t ech nolo gy. ho wever , it s co vera ge i sre st rict ed by it s receivi ng se n sitivit y. a new mea sure me nt fo r r f rx p e rfo r ma nce t e st i s i nt ro duced i n t he p ap er . the mea sure me nt i s p ro ved to be suit a b

4、le fo r diff ere nt ics a nd wo r k s ver y well i n t he e xp eri me nt s.key words : se n sitivit y ; wi rele ss fi delit y ; me di um acce ss co nt rol ; f ra me ; f ra me er ro r ratiowi fi ( wi rele ss fi delit y) 手機是一種新興的基于 wi fi 技術(shù)的 v o ip 電話. 使用這種手機可以將 模擬語 音 信 號 轉(zhuǎn) 換 為 數(shù) 據(jù) 包 的 形 式 , 通 過 熱 點 (

5、 acce ss poi nt ) 接入基于 ip 協(xié)議的互聯(lián)網(wǎng)上進行傳 輸 ,從而接打電話. 與傳統(tǒng)固話相比 , wi fi 手機的資 費非常廉價 ,但使用的前提是 , wi fi 手機只有在熱 點覆蓋范圍以內(nèi)才能進行通話. 但熱點的覆蓋范圍 往往非常有限.有兩種方法可以增大熱點的覆蓋范圍 : 一是提 高熱點發(fā)射功率和提高手機接收靈敏度 ,但熱點的 發(fā)射功率不可能無限制地被提高 ,所以同時還必須提高手機的接收靈敏度來增大熱點覆蓋范圍. 根據(jù)自由空間傳輸損耗公式 1 :l ( db) = 32 . 4 + 20 l g d ( k m) + 20 l g f ( m hz)由此可以得出結(jié)論 :

6、 在自由空間的理想情況 下 ,手機接收靈敏度每增加 6 db ,便可使熱點的覆 蓋范圍增大 1 倍. 所以 ,提高 wi fi 手機的接收指標(biāo)有非常實際的意義. 要提高 wi fi 手機的接收性能 , 首先就必須準(zhǔn)確地測試出其接收指標(biāo) ,然后才能對 其進行改進 ,最終提高整個系統(tǒng)的性能.在 802 . 11 系統(tǒng)中 2 ,信息是以幀為單位進行傳 輸?shù)?,因此可用誤幀率對接收性能進行統(tǒng)計分析 ,收稿日期 :2006 - 04 - 14 ; 修訂日期 :2006 - 06 - 20 .作者簡介 : 萬東 (1980 - ) , 湖南岳陽人 , 物理電子學(xué)專業(yè)碩士研究生.3 通訊聯(lián)系人 : 杜陽 (

7、1972 - ) , 浙江寧波人 , 副教授 ,碩士生導(dǎo)師. 主要從事通信 、遙感測量等研究.email :zj uydu03 zj u. edu. cn而在 p h s 系統(tǒng)中 , 是以誤碼率來定義接收性能指標(biāo)的 3 . 無論在對接收指標(biāo)的定義上還是在接收性 能的測試方法上 , wi fi 系統(tǒng)和 p h s 系統(tǒng)均存在較 大差異. 所以 ,文中將著重對 wi fi 射頻接收性能的 測試方法進行分析 ,并給出一種通用的解決方案.求. 不同芯片供應(yīng)商提供的芯片對幀格式的要求是不同的 ,若滿足不了芯片對幀格式的需要 ,d u t 便 不能正確統(tǒng)計收到的正確幀數(shù) ,從而導(dǎo)致誤幀率的 計算錯誤 ;2

8、) 信號源要能確保發(fā)出一定數(shù)目的幀 ,若信號 源發(fā)出的總幀數(shù)都不能確定 ,誤幀率便無法計算.1 射頻接收指標(biāo)及測試過程1 . 1 射頻接收指標(biāo)的定義根據(jù) i e e e802 . 11 b 規(guī)范 ,有 3 項較為關(guān)鍵的射 頻接收指標(biāo)定義如下 4 :1) 接收機最小輸入電平靈敏度對于在天線連接器上測得的 - 76 dbm 的輸入電平而言 ,若 psdu的長度為 1 024 個字節(jié) ,其誤幀率( f er) 應(yīng)小于 8 % ;2) 接收機最大輸入電平 對于在接收端天線上 測得的 - 10 dbm 的最大輸入電平而言 ,若 psdu 長度為 1 024 個字節(jié) ,則其誤幀率( f er) 最大應(yīng)為

9、8 % ;3) 接收機鄰道抑制 接收機鄰道抑制在每一 信道組中的間隔 ,不小于 25 m hz 的任意 2 個信道 間鄰道干擾信號功率與有用信號功率的比值. 對于采用 11 m bit / s cc k 調(diào)制的 f er 值為 8 %以及長 度為 1 024 字節(jié)的 psd u 而言 ,鄰道抑制必須不小 于 35 db .1 . 2 誤幀率在上面 3 項指標(biāo)的定義中 ,均提及了 1 個非常 重要的參數(shù) : 誤幀率 , 即傳輸過程中丟失和出錯的幀數(shù)和發(fā)送總幀數(shù)的比值. 只有獲得正確的誤幀率 ,才能精確地測試出上述 3 項接收性能指標(biāo). 實 驗室搭建的接收性能測試平臺 ,見圖 1 .幀結(jié)構(gòu)分析不同

10、的芯片供應(yīng)商在測試芯片接收性能時 ,往 往采用不同的幀格式. 只有幀格式滿足要求 , 才能 統(tǒng)計出正確的收幀數(shù) , 獲得準(zhǔn)確的誤幀率. 常見的 wi fi 芯片供應(yīng)商 a gere 、philip s 在接收測試時 ,對 幀格式的要求也各不相同. 文中主要針對 a gere 和 philip s 的幀格式要求進行詳細分析 526 .2 . 1幀的形成過程在 802 . 11 d sss 系統(tǒng)中 ,幀的形成包括以下 4個過程.2m sd u 的形成m sd u 是 ma c ser vice2 . 1 . 1dat a u nit 的縮寫 ,被稱為 ma c 層業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元 ,是最原始的待發(fā)送數(shù)

11、據(jù)信息.m pd u 的形成m pd u ( ma c pro tocol2 . 1 . 2dat a u nit ) 被稱為 m a c 層協(xié)議數(shù)據(jù)單元. 它是將m sd u 按一定幀結(jié)構(gòu)封裝后獲得的待發(fā)數(shù)據(jù)信息 ,見圖 2 . 封裝過程包括在 m sd u 前加上 m a c 幀頭 和在后面加上幀檢驗序列.圖 2 mpd u 的形成fig. 2 conf iguration of mpd u2 . 1 . 3 psd u 的形成 psdu ( pl c p ser vice dat a u nit ) 被稱為 pl c p 子層業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元 , 實際就是 從 ma c 層傳來的 m pd

12、u 信息.p pdu 的形成2 . 1 . 4p pd u ( pl cp pro tocol圖 1 接收性能測試平臺fig. 1 platf orm f or testing receive perf ormance在圖 1 的測試平臺上 ,由 pc 為信號源提供一 定幀格式的 i/ q 信號波形文件 ,并由信號源發(fā)出一 定數(shù)量的幀. 同時 ,d u t 在 pc 的控制下 ,對這些幀 進行接收解調(diào) , 求得相應(yīng)的誤幀率. 然后根據(jù)誤幀 率來調(diào)節(jié)信號源的發(fā)射功率 ,直到誤幀率正好滿足 指標(biāo)要求 ,此時便能獲得 d u t 相應(yīng)的接收性能指 標(biāo). 但在這個平臺上 ,要獲得正確的誤幀率 ,也存在

13、2 個難點 :1) 信號源發(fā)出的幀格式必須滿足 du t 的要dat a u nit ) ,被稱為 pl c p 子層協(xié)議數(shù)據(jù)單元. 它是將 psd u 按照特定的幀格式進行數(shù)據(jù)封裝后的數(shù) 據(jù)包 ,具體說來就是在 psdu 前面再加上 pl cp 前 導(dǎo)碼和 pl c p 報頭 ,見圖 3 . p pd u 是最終將經(jīng)由物 理介質(zhì)發(fā)送出去的數(shù)據(jù)封裝.2 . 2 ppd u 格式幀格式 7 的修改全部由 pc 的軟件 ( wi n iq si m 或 si gnal st udio ) 實現(xiàn) , pc 傳輸給信號源的 i/ q 波 形文件已確定了幀格式. 軟件中主要是使 m pd u滿足芯片要求

14、 ,而 p pdu 則自動生成的 , 所以這里 只介紹 p pdu 格式.江 南 大 學(xué) 學(xué) 報 (自 然 科 學(xué) 版)第 6 卷544整個 pl c p 前 導(dǎo) 碼 和 報 頭 采 用 1 m bit / sdb p s k 調(diào)制進行發(fā)射 , 發(fā)送的數(shù)據(jù)均采用反饋加 擾器加擾. s yn c 字段由 128 個加擾的“1”組成 ,被 用來和接收方進行必要的同步操作 ; sfd 被用以指 示依賴與 p h y 的參數(shù)在 pl c p 前導(dǎo)碼中的開始 ; si gnal 字段指示發(fā)送 ( 和接收) m pd u 應(yīng)采用的調(diào) 制速率 ; ser vice 字段為預(yù)留字段 ;l e ngt h 字段

15、用以 指示發(fā)送 m pd u 所需的微秒數(shù) ; crc216 字段根據(jù) cci t t crc216 規(guī) 范 計 算 出 si gnal 、ser vice 和 l e ngt h 字段的 crc 校驗碼并一同發(fā)送 ,完成幀檢 驗序列保護.的重傳拷貝 ;6) 功率管理字段代表 s ta 的節(jié)能狀態(tài) ;7) 多數(shù)據(jù)標(biāo)記字段 代表 s ta 有更多的數(shù)據(jù) 需要發(fā)送 ;8) 排序字段 代表當(dāng)前幀是數(shù)據(jù)幀 ,并按照有 嚴(yán)格序列要求的幀類型發(fā)送數(shù)據(jù) ;9) 持續(xù)時間/ id 字段 記錄了數(shù)據(jù)的持續(xù)時 間數(shù) ,該時間數(shù)將被用來使其他 s ta 更新自己的 矢量網(wǎng)絡(luò)分配.表 1 常用幀類型ta b. 1co

16、mmon f ra me types類型值子類型值類型描述子類型描述b3 b2b7b6 b5b4管理幀管理幀 控制幀 控制幀 數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)幀關(guān)聯(lián)請求關(guān)聯(lián)響應(yīng) 請求發(fā)送 ( r ts) 清除待發(fā) ( c ts) 數(shù)據(jù) (data) 無競爭應(yīng)答認(rèn)可的數(shù)據(jù)幀000001011000000001101111000000圖 3 ppd u 的形成fig. 3formation of ppd u1000012 . 3mpd um pdu 通常包括 3 個部分 ,見圖 3 .ma c 幀頭 ,包括幀控制、持續(xù)時間、地址及 序列控制信息 ;可變長度的整體 ,包含基于幀類型的特定信息;幀檢驗序列 ( fcs) ,

17、包含 i e e e 32 bit 的循 環(huán)冗余碼 ( crc) .2 . 4幀控制字段的結(jié)構(gòu)幀控制字段雖然只有 16 個字節(jié) , 但卻包含了 用于解釋幀其他部分的全部信息 ,見圖 4 .2 . 5mac 幀格式ma c 幀格式中有 4 個地址字段 , 這些字段用于指示基本服務(wù)集標(biāo)識 (b ssid) 、目的地址 ( da ) 、源地址 ( sa ) 、發(fā) 送 站 地 址 ( ta ) 和 接 收 站 地 址( ra) . 某些幀可能不包括某些地址字段. 其中數(shù)據(jù) 幀的地址字段內(nèi)容取決于去往 d s 和來自 d s 的 2個字段的值 ,見表 2 .表 2 地址字段內(nèi)容tab. 2the val

18、ue of address f ield去往 ds來自 ds地址 1地址 2地址 3地址 4001010dadab ssidsab ssid sab ssidsa dan/ an/ a n/ a圖 4 幀控制字段結(jié)構(gòu)fig. 4 frame control f ield1) 協(xié)議版本當(dāng)前總是 0 , 其余為保留值 , 不 為 0 則丟棄 ;2) 類型和子類型這 2 個字段共同標(biāo)識幀的類型和功能. 802 . 11 中總包含 3 種幀 : 控制幀、數(shù) 據(jù)幀和管理幀. 每種幀類型又分為幾種子類型. 幾 種常用的幀類型見表 1 . 1 1 ra ta da sa 序列控制字段 :長度為 16 bit

19、 ,由序列號和分段號 2 個字段構(gòu)成. 其中 12 bit 的序列號用來指示 m sd u 或 m m pdu 的序列編號. s ta 發(fā)送的每個 m sd u 或 m m pdu 被分配 1 個序列編號 , 隨著每 個 m sd u 或 m m pdu 的出現(xiàn)而以 1 遞增. m sd u或 m m pd u 每個分段的序列號相同 , 當(dāng) m sd u 、m m pd u 或其分段重傳時 , 序列號保持不變. 4 bit長的分段號則用于指示 m sd u 或 m m pdu 的分段 編號. 當(dāng) m sd u 或 m m pdu 僅有 1 個分段時 ,分段 編號為 0 ;當(dāng) m sdu 或 m

20、 m pd u 有多個分段時 ,其 第 1 個分段的分段編號為 0 , 其后的分段編號以 1 遞增 ,所有重傳分段的分段編號保持不變.3) 去往 d s 和來自 d s 字段終傳輸?shù)刂?;輔助確定幀的最4) 多分段標(biāo)記代表數(shù)據(jù)超過 2 312 字節(jié) ,將被分成多個數(shù)據(jù)包傳送 ;5) 重傳字段識別當(dāng)前幀是否為 1 個數(shù)據(jù)幀fcs 字段為 32 bit 的 crc ,它由 ma c 頭和幀全部字段計算得到.得出此幀為單純的數(shù)據(jù)幀. 其去往 d s 和來自 d s 均為 0 ,由對照表 2 可以得出其地址 1 為 da ,地址 2 為 sa , 地 址 3 為 b ssid . 這 里 da 為 “

21、f f f f f f f f f f f f”,即廣播幀 ; sa 為芯片的 ma c 地址. 在 序 列 控 制 字 段 中 , 分 段 號 為 0 , 說 明 此 m sd u 沒有分段 ; 而比較相鄰的 2 個幀 , 可以看出 幀的序列號是以 1 遞增的 ,而 2 個幀之間的時間間 隔約為 20 ms.不同芯片的幀結(jié)構(gòu)分析以常見的 a gere 芯片組為例 8 ,用無線網(wǎng)卡在 測試板下抓拍的由 a gere gol d u nit 發(fā)出的幀結(jié) 構(gòu) ,見圖 5 .幀的類型和子類型為“010000”,對照表 1 可以3圖 5 agere 芯片的幀結(jié)構(gòu)fig. 5 agere chip f

22、rame由于現(xiàn)在的信號源只能對一定格式的幀進行循環(huán)發(fā)送 , 無法使每幀的序列號遞增 , 所以只有在 接收程序中屏蔽掉對幀序號進行驗證的功能. 若幀 間空閑時間過小 ,則芯片未能完成 crc 校驗 ,從而 導(dǎo)致誤幀率計算錯誤 ,所以還必須將幀間的間隔時 間設(shè)置成 20 ms. 最后 ,再將幀格式設(shè)置成數(shù)據(jù)幀 , 這樣便能在接收性能測試時 ,使信號源發(fā)出的幀能 夠滿足 a ge re 芯片的要求.在 philip s 的 b gw200 芯片組中 , 用同樣的方 法可以發(fā)現(xiàn) : 幀的格式為數(shù)據(jù)幀 , 而且數(shù)據(jù)區(qū)的前10 個字節(jié)是在 617a 間進行循環(huán) ,數(shù)據(jù)區(qū)的其他字節(jié)均為 09 . 對于這種幀

23、結(jié)構(gòu)要求 ,首先對幀的數(shù) 據(jù)區(qū)進行編程 , 使其滿足芯片要求 , 然后將幀的類 型設(shè)置成數(shù)據(jù)幀 ,并使信號源循環(huán)發(fā)送這 26 個幀 ,這樣便能滿足測試 philip s 芯片的接收性能時對幀 格式的要求.的正確幀大于 920 時 ,則認(rèn)為滿足接收指標(biāo).4 . 1 產(chǎn)生 1 000 個幀的方法1) 通過 gp ib 卡來控制儀器射頻的開關(guān)時間 ,從而實現(xiàn) 1 000 個幀的發(fā)送 ;2) 通過儀器自帶的 l i st mo de 來發(fā)送 1 000個幀 ;3) 通過將波形文件生成波形序列 ,從而讓儀器 在觸發(fā)下發(fā)送 1 000 個幀.在 11 m bit / s 下 ,每幀的發(fā)送時間約為 1 ms

24、 ,所以若采用第 1 種方法 , 精度不是很高 , 不能嚴(yán)格 發(fā)出 1 000 個幀 ; 第 2 種方法同樣是控制儀器的發(fā) 送時間 ,惟一區(qū)別就是在儀器自帶的 li st mo de 中設(shè) 置發(fā)送時間 , 使其精度大大提高 , 時間精度可以達 到s 級. 不足的是 , 采用這種方法時 , 若導(dǎo)入不同 的波形文件 , 則必須對 li st mo de 下的時間進行校 準(zhǔn) ,而且在信道切換和功率變化時 , 均要重新編輯 li st ,大大增加了測試的工作量 ; 第 3 種方法則是由 儀器在觸發(fā)模式下精確控制發(fā)幀數(shù)目. 采用這種方 法時 ,儀器并沒有立刻對傳遞過來的 i/ q 波形文件 進行操作 ,

25、而是根據(jù)用戶所需的發(fā)幀數(shù) , 先將波形 文件轉(zhuǎn)換成 1 個波形序列 ,然后再對這個波形序列發(fā)送恒定幀數(shù)的實現(xiàn)由于在接收指標(biāo)的測試時 , 是以 8 %的誤幀率 進行判決的 , 所以權(quán)衡了測試時間和測試精度后 , 決定讓信號源每次發(fā)送 1 000 個幀. 當(dāng) d u t 解調(diào)出4江 南 大 學(xué) 學(xué) 報 (自 然 科 學(xué) 版)第 6 卷546進行調(diào)制 , 從而嚴(yán)格地保證了發(fā)幀數(shù). 相比第 2 種方法 ,第 3 種方法免去了信道切換和功率變化時編 輯 li st 的工作 ,提高了測試效率 ,也是現(xiàn)在實驗室中 普遍采用的測試方法.4 . 2 第 3 種方法發(fā)送 1 000 個幀的實現(xiàn)步驟在 a gile

26、 nt e4438 c 上用第 3 種方法發(fā)送 1 000個幀的實現(xiàn)步驟如下 :1) 在 si gnal st udio 中生成 wave 文件 , 通過gp ib 卡下載到 e4438c 中 ;2) 對 si gnal st udio 傳過來的 wave 文件進行 編輯 ,并生成 seque nce 文件 ;3) 選取第 2 步生成的 seque nce 為波形文件 ;4) 設(shè)置 trigge r .完成設(shè)置后 , 每按一下 tri ggle , 便可以發(fā)送1 000個幀了.11 m bit / s 下的接收指標(biāo) ,見表 3 .表 3 11 m bit/ s cck 調(diào)制時的接收性能測試結(jié)果

27、ta b. 3 testing result of receiving perf ormance using 11 m bit/ s cck modulat ion 接收性能測試項最小輸入電平靈敏度/ dbm最大輸入電平/ dbm鄰道抑制/ dbm1- 89 . 63 . 747 . 6信道6- 88 . 93 . 947 . 911- 89 . 13 . 651 . 3表中 1 、6 、11 表示所用信道為參考文獻 1 中直接序列擴頻物理層規(guī)劃的第 1 、6 、11 信道 , 頻率 分別為 2 412 、2 437 和 2 462 m hz.由表 1 可以看出 ,這些接收指標(biāo)均已超出前面提到

28、的射頻接收指標(biāo)的要求 ,說明實際芯片性能已 經(jīng)滿足 i e e e 802 . 11 b 規(guī)范. 這種測試方法不僅能 精確地測試出各項射頻接收指標(biāo) ,而且也是改進整 機接收性能的基礎(chǔ) ,具有較強的實用性.應(yīng)用實例實際應(yīng)用中 ,在屏蔽室中測得 a gere 評估板在5參考文獻 : 1 ie e e. ie e e sta nda r d 802 . 11 , ie e e p a rt ii : wi reless l a n medium access co nt rol ( ma c) and p hysical layer ( p h y)sp ecificatio ns s . pi s

29、cataway n j : instit ute of elect rical a nd elect ro nic s engineer s , 1999 . 2 毛曙福 , 樊平毅 , 曹志剛. 一種有效的基于變長包的 ie e e 802 . 11 系統(tǒng)性能分析方法 j . 電訊技術(shù) ,2005 ,45 ( 4) : 75279 .mao shu2f u , fa n ping2yi , cao zhi2ga ng. a n eff ective perfo r mance analysi s met ho d fo r ie e e 802 . 11 net wo r k s wit h va ria ble packet lengt h j . teleco mmunicatio n engi neering , 2005 ,45 (4) :75279 (in chine se) . 3 st r uh sa ker p. overview of vo ip telep ho ny a nd int ro ductio n of