WiFi信令测试在研发阶段的作用

1、关于信令测试的故事

在WiFi大规模应用前，多数WiFi产品在开发阶段采用直接嵌入WiFi模块的方式来实现WiFi功能，甚至WiFi芯片厂家也仅粗略测量一下芯片性能即生产出厂。但是，随着WiFi网络的大规模覆盖和应用，对WiFi产品的性能要求越来越高，因此测试WiFi射频指标的要求应运而生。

在业界，许多设计公司、测试实验室、工厂采用非信令方式来测试WiFi产品，这在生产阶段是合适的，但是在研发阶段是否足够？这里却有着一个有趣的信令测试的故事。

2016年的某天，某著名网络产品公司技术负责人致电寻求技术支持：我们的无线路由器遇到了一个困惑：我们某款路由器应用于实际WiFi网络中时，WiFi终端接入非常困难。但是我们使用测试工具检测此路由器，它的所有物理射频指标都非常优异。不知道是为什么？

我来到了测试现场看到：WiFi路由器受控于芯片公司的测试工具，其WiFi发射机指标在非信令测试仪上显示：无论功率、EVM还是频谱等指标都是正常的。这到底是什么原因导致WiFi终端接入困难呢？

我们想到了使用信令综测仪模拟现实网络以验证情况。结果有了新的发现：在信令模式下，WiFi路由器的发射机指标显示不再正常：符号时钟严重失锁（Symbol Clock Error）。我们迅速更换了基带电路的锁相环，问题得以顺利解决。

这，又是为什么呢？

2、信令测试原理及其独特的作用

•  首先，我们先了解信令测试与非信令测试的机理

信令测试（Signaling measurement）。

WiFi的信令测试是指模拟现实网络的呼叫连接，通过AP与Station相互握手消息交互完成信号连接，仪器扮演Station或AP角色来完成与被测件的无线连接，并测试被测件的无线性能指标的测试。

非信令测试.(No Signaling measurement)

通过进入WiFi芯片的工厂测试模式，直接控制射频模块发送指定功率、指定频率或控制芯片接收指定数据包，仪表直接测量被测件的物理层射频指标，没有MAC层以上的协议交互。

•  接着，我们了解WiFi信令连接过程中的同步机理

我们知道，无线信号传输有两种方式：

一种是广播方式，信号持续发射，因此同步可以通过长时间的跟踪比对来实现，此方式比较容易实现同步，如移动通信的LTE、WCDMA等通讯技术；

另外一种是包交换方式，信号为单帧发射，需要在短时间秒内准确地捕捉到数据包的边界，从而完成准确的同步，如WiFi的通讯技术。

因此，在WiFi连接中，对同步的要求是较高的。

总的来说，WiFi的同步过程包括三大部分：时间估计、频率同步、信道估计。我们逐一分析如下：

时间估计

图1、时间估计

· 包同步

首先我们介绍包同步。包同步是时间同步的第一步，完成对传输包边沿的大致估计。

当 的值高于指定门限时，判断为此时数据包发送，否则，断定无数据发送，从而获得数据包的边界。

（公式一）

a) 接收信号电平rn,当输入信号为噪声时rn=mn， 处于较低电平。当有信号输入时，将会有一个迅速上升的上升沿，由此得到信号边沿。但是，由于无法定义准确合适门限，导致触发可能会偏早或偏迟。因此此种方法判断信号边沿将会导致一定的误差。这只是时间边界的初步估计。

图2、接收电平强度检测

b) 第二步，为进一步提高准确度：采用双滑动窗口，mn为两个窗口信号累计的比值，这样的好处是信号到来时也会出现明显的凸起，且与输入信号的绝对功率无关，这样上升沿无需纠结门限高低，它都会输出一个较实时陡峭触发，由此可轻易地大致捕捉到传输数据包的边沿。这就是双滑动窗捕捉。

图3、双滑动窗捕捉原理

c) 实际上通过第二步算法来捕捉时间边沿仍然不够精确，因此会在第三步采用试探针包捕捉来完成精确的时间估计。通过发送图四结构的自相关性非常好的短、长训练序列及包含时延的逻辑电路运算完成准确无误的时间同步。

图4、WiFi的试探针结构

图5、双滑动窗及时延相关检测的实现方式

d) 从上面的实现方法可以知道：包同步的实现是通过对信号的AD转换、累计、时延、比对和运算完成的，由基带部分判别完成。如果基带部分出现延迟、或运算错误，将会导致时间边界的判断误差增大甚至无法还原。非信令测试只会对产品的射频部分的无线物理指标验证，不涉及基带。而由于信令测试需要完成协议交互、编解码，必须通过基带部分实现，因此，信令测试可以对基带部分实现的时间估计性能进行量化测试。因此，对于研发、测试部门来说，信令测试是有较好的验证作用的。

· 采样时钟锁定

我们知道，当WiFi的OFDM信号采样时钟出现偏差的时候，会出现两种后果：

a) 采样到的符号（symbol）在规定时间点出现细微抖动，即信号的相位将出现旋转，达到一定程度时，将无法恢复信号；

b) 由于采样时钟的偏差，导致符号间干扰（ISI），进而导致信号的SNR变差。

推理如下：

采样时钟误差：

（公式二）

受影响的信噪比：

(公式三)

由此导致的相位偏差为：

(公式四)

因此，需要采用锁相环+压控晶振或固定频点晶振来完成对频率误差的纠正：

图6、采用锁相环+压控晶振或固定频点晶振来完成对频率误差的纠正

c) 当AP或Station的晶振出现问题的时候，将会出现采样频率失锁问题。我们看到，这一部分也是在基带部分来完成的。如果仅仅采用非信令的方式测量AP或Station，那只是测量AP、Station的射频部分，采样时钟失锁是无法检测到的。

· 频率同步

在WiFi同步过程中，与时间同步一样，频率同步也同样地重要。

因为我们知道，WiFi技术中，特别是采用OFDM技术的802.11n, AC等制式对频率错误非常敏感。

频率错误会直接导致导致信号的SNR恶化：

（公式五）

引起频率误差的原因主要为来自：相邻子载波的干扰（ICI）及各子载波的功率回退。相邻子载波的ICI导致SNR变差容易理解，而各子载波功率回退导致的频率误差需要解释一下：

OFDM采用的是各正交子载波的功率峰值处传送数据，如果在正交频点处功率出现回退，意味着峰值不在正交频率处出现，解调数据时将在子载波频率附近寻找峰值获得承载数据，也就意味着当子载波功率峰值出现偏移，即峰值对应的频率出现偏移，不再正交，即出现所谓的“频率误差”。严重者将导致错误解调传输数据甚至无法解调。

我们知道：OFDM的子载波实现是通过基带的FFT+串并转换实现的，因此，基带运算的准确与否以及基带电路是否出现异常，都会直接影响信号的FFT变换的准确性和精度，进而影响频率误差大小，进而影响信号的SNR。

图7、OFDM的子载波实现方法

· 信道估计

最后，在实现了时间同步、频率同步后，进入信道估计，由此保证数据得到正确解调。

见图四，C1、C2即是为试探针用于信道估计部分信息。填写的是相关性非常好的长训练序列码字。

我们定义一路接收信号为R、传输矩阵为H，训练序列为X，噪声为W，因此：

（公式六）

这样，信道估计矩阵可以通过两路（假设信号为两路信号，实际可能为多路，同理），则通过两路接收信号分别与相应的训练序列相乘，即可还原出原来的信号出来：

（公式七）

由此，我们看到：通过测试信号试探针里的C1、C2部分，可完成对传输信道模型的估计，得到准确的传输模型，完成对接收信号解调。

我们看到：在这个信道估计的过程中，试探针的C1、C2解调（相乘），也是在基带完成的。如果此基带部分出现问题，将导致信道估计失常、无法解析数据。

3、回顾

当我们清晰地理解了WiFi时间同步、频率同步、信道估计的实现机理的时候，我们回过头来对文章开头的信令测试故事做一个回顾：

在现实网络中，当WiFi的OFDM信号采样时钟出现偏差的时候，会出现两种后果：

· 采样到的符号（symbol）在规定时间点出现细微抖动，即信号的相位将出现旋转，达到一定程度时，将无法恢复信号；

· 由于采样时钟的偏差，导致符号间干扰（ISI），进而导致信号的SNR变差：

但是，非信令测试却无法发现符号时钟失锁（Symbol Clock Error）。因为当非信令测试的时候，工具直接通过工厂测试模式直接控制射频前端输出指定频率、指定功率的射频无基带信息承载的物理层信号，工具根本没有启用管理采样时钟同步、符号同步的基带部分，只是通过射频触发方式完成同步测量。因此无法验证基带部分是否工作正常，结果导致上例的“在现实网络服务中WiFi终端接入困难”问题无法在出厂前被发现。但如果采用信令综测仪就能发现这一问题。

其实，它就是由于基带电路的锁相环出现问题，导致采样时钟偏差，进而导致采样符号相位反转、因此符号抖动，严重者导致解析错误。同时，也导致符号间串扰严重，最后导致路由器错误、甚至无法解析接入信号，接入申请无法识别，结果当然就是——接入困难甚至无法接入。

当我们更换了锁相环后，问题迎刃而解。此处，信令测试体现出了它独特的作用。

4、结论

由上描述可知：WiFi的同步分为三大部分：时间同步、频率同步、信道估计。时间同步获得数据包的时间边界；频率同步用于纠正频率误差，获得准确的与通讯方一致频率；信道估计可以通过解调试探针方式获得准确的信道估计模型，从而保证顺利解调信号。这个从“信号接收电平强度检测”到“确定信号传输模型”的同步过程中，任何一步的缺失，都会可能导致较差的EVM，或者恶化的SNR，或者直接导致无法解调信号。因此，在产品研发设计、测试阶段，如果使用信令测试方式，就能确认产品的基带部分、射频部分是否正常工作，无线性能是否达到规范要求。

信令测试可能会发现某些非信令测试无法发现的被测件基带部分存在的问题，为我们解决问题提供有益的原始数据。建议使用R&S公司独有的CMW270 WiFi信令测试方案，其方案除了可以验证的WiFi AP或Station产品（包括基带、射频部分）是否符合Wlan无线规范测试要求外，甚至还可以测试LTE与WiFi共存情况下的相互影响关系。

图8、R&S公司CMW270 WiFi信令测试方案

参考资料

【1】  © Hafeth HourStationi，《WLAN Synchronization》
【2】  罗德与施瓦茨《R&S Wlan Solution》