WiFi射频接收性能的测试方法

1、江 南 大 学 学 报 (自 然 科 学 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 文章编号 :1671 - 7147 (2007) 05 - 0542 - 05wifi 射频接收性能的测试方法杜 阳 3万 东 ,(浙江大学 国际电磁科学院浙大分院 ,浙江 杭州 310027)摘要 : wi fi 手机是一种新兴的基于 wi fi 技术的 v o ip 手机 ,但其覆盖范围受到接收灵敏度的制约 ,所以对其接收性能的测试

2、与分析是非常关键的技术. 提出并通过实验验证了一种适用于多种 芯片的 wi fi 射频接收性能测试方法 ,并在实际应用中获得了良好的效果.关键词 : 灵敏度 ;无线保真 ;媒体访问控制 ;帧 ;误帧率中图分类号 : tn 929 . 5文献标识码 : 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) 手机是一种新兴的基于 wi fi 技术的 v o ip 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 (

5、 acce ss poi nt ) 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 , wi fi 手机的资 费非常廉价 ,但使用的前提是 , wi fi 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 l g d ( k m) + 20 l g f ( m hz)由此可以得出结论 :

6、 在自由空间的理想情况 下 ,手机接收灵敏度每增加 6 db ,便可使热点的覆 盖范围增大 1 倍. 所以 ,提高 wi fi 手机的接收指标有非常实际的意义. 要提高 wi fi 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 ,收稿日期 :2006 - 04 - 14 ; 修订日期 :2006 - 06 - 20 .作者简介 : 万东 (1980 - ) , 湖南岳阳人 , 物理电子学专业硕士研究生.3 通讯联系人 : 杜阳 (

7、1972 - ) , 浙江宁波人 , 副教授 ,硕士生导师. 主要从事通信 、遥感测量等研究.email :zj uydu03 zj u. edu. cn而在 p h s 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 , wi fi 系统和 p h s 系统均存在较 大差异. 所以 ,文中将着重对 wi fi 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.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 ,d u t 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

8、) 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.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 i e e e802 . 11 b 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 - 76 dbm 的输入电平而言 ,若 psdu的长度为 1 024 个字节 ,其误帧率( f er) 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 - 10 dbm 的最大输入电平而言 ,若 psdu 长度为 1 024 个字节 ,则其误帧率( f er) 最大应为

9、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 25 m hz 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 11 m bit / s cc k 调制的 f er 值为 8 %以及长 度为 1 024 字节的 psd u 而言 ,邻道抑制必须不小 于 35 db .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 .帧结构分析不同

10、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 wi fi 芯片供应商 a gere 、philip s 在接收测试时 ,对 帧格式的要求也各不相同. 文中主要针对 a gere 和 philip s 的帧格式要求进行详细分析 526 .2 . 1帧的形成过程在 802 . 11 d sss 系统中 ,帧的形成包括以下 4个过程.2m sd u 的形成m sd u 是 ma c ser vice2 . 1 . 1dat a u nit 的缩写 ,被称为 ma c 层业务数据单元 ,是最原始的待发送数

11、据信息.m pd u 的形成m pd u ( ma c pro tocol2 . 1 . 2dat a u nit ) 被称为 m a c 层协议数据单元. 它是将m sd u 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 m sd u 前加上 m a c 帧头 和在后面加上帧检验序列.图 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 ) 被称为 pl c p 子层业务数据单元 , 实际就是 从 ma c 层传来的 m pd

12、u 信息.p pdu 的形成2 . 1 . 4p pd u ( pl cp pro tocol图 1 接收性能测试平台fig. 1 platf orm f or testing receive perf ormance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 ,d u t 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 d u t 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

13、2 个难点 :1) 信号源发出的帧格式必须满足 du t 的要dat a u nit ) ,被称为 pl c p 子层协议数据单元. 它是将 psd u 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 pl cp 前 导码和 pl c p 报头 ,见图 3 . p pd u 是最终将经由物 理介质发送出去的数据封装.2 . 2 ppd u 格式帧格式 7 的修改全部由 pc 的软件 ( wi n iq si m 或 si gnal st udio ) 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 m pd u满足芯片要求

14、 ,而 p pdu 则自动生成的 , 所以这里 只介绍 p pdu 格式.江 南 大 学 学 报 (自 然 科 学 版)第 6 卷544整个 pl c p 前 导 码 和 报 头 采 用 1 m bit / sdb p s k 调制进行发射 , 发送的数据均采用反馈加 扰器加扰. s yn c 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 p h y 的参数在 pl c p 前导码中的开始 ; si gnal 字段指示发送 ( 和接收) m pd u 应采用的调 制速率 ; ser vice 字段为预留字段 ;l e ngt h 字段

15、用以 指示发送 m pd u 所需的微秒数 ; crc216 字段根据 cci t t crc216 规 范 计 算 出 si gnal 、ser vice 和 l e ngt h 字段的 crc 校验码并一同发送 ,完成帧检 验序列保护.的重传拷贝 ;6) 功率管理字段代表 s ta 的节能状态 ;7) 多数据标记字段 代表 s ta 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 s ta 更新自己的 矢量网络分配.表 1 常用帧类型ta b. 1co

16、mmon f ra me types类型值子类型值类型描述子类型描述b3 b2b7b6 b5b4管理帧管理帧 控制帧 控制帧 数据帧数据帧关联请求关联响应 请求发送 ( r ts) 清除待发 ( c ts) 数据 (data) 无竞争应答认可的数据帧000001011000000001101111000000图 3 ppd u 的形成fig. 3formation of ppd u1000012 . 3mpd um pdu 通常包括 3 个部分 ,见图 3 .ma c 帧头 ,包括帧控制、持续时间、地址及 序列控制信息 ;可变长度的整体 ,包含基于帧类型的特定信息;帧检验序列 ( fcs) ,

17、包含 i e e e 32 bit 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 .2 . 5mac 帧格式ma c 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 (b ssid) 、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 d s 和来自 d s 的 2个字段的值 ,见表 2 .表 2 地址字段内容tab. 2the val

18、ue of address f ield去往 ds来自 ds地址 1地址 2地址 3地址 4001010dadab ssidsab ssid sab ssidsa dan/ an/ a n/ a图 4 帧控制字段结构fig. 4 frame control f ield1) 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 . 1 1 ra ta da sa 序列控制字段 :长度为 16 bit

19、 ,由序列号和分段号 2 个字段构成. 其中 12 bit 的序列号用来指示 m sd u 或 m m pdu 的序列编号. s ta 发送的每个 m sd u 或 m m pdu 被分配 1 个序列编号 , 随着每 个 m sd u 或 m m pdu 的出现而以 1 递增. m sd u或 m m pd u 每个分段的序列号相同 , 当 m sd u 、m m pd u 或其分段重传时 , 序列号保持不变. 4 bit长的分段号则用于指示 m sd u 或 m m pdu 的分段 编号. 当 m sd u 或 m m pdu 仅有 1 个分段时 ,分段 编号为 0 ;当 m sdu 或 m

20、 m pd u 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.3) 去往 d s 和来自 d s 字段终传输地址 ;辅助确定帧的最4) 多分段标记代表数据超过 2 312 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fcs 字段为 32 bit 的 crc ,它由 ma c 头和帧全部字段计算得到.得出此帧为单纯的数据帧. 其去往 d s 和来自 d s 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 b ssid . 这 里 da 为 “

21、f f f f f f f f f f f f”,即广播帧 ; sa 为芯片的 ma c 地址. 在 序 列 控 制 字 段 中 , 分 段 号 为 0 , 说 明 此 m sd u 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 20 ms.不同芯片的帧结构分析以常见的 a gere 芯片组为例 8 ,用无线网卡在 测试板下抓拍的由 a gere gol d u nit 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3图 5 agere 芯片的帧结构fig. 5 agere chip f

22、rame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 20 ms. 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 a ge re 芯片的要求.在 philip s 的 b gw200 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 617a 间进行循环 ,数据区的其他字节均为 09 . 对于这种帧

23、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 philip s 芯片的接收性能时对帧 格式的要求.的正确帧大于 920 时 ,则认为满足接收指标.4 . 1 产生 1 000 个帧的方法1) 通过 gp ib 卡来控制仪器射频的开关时间 ,从而实现 1 000 个帧的发送 ;2) 通过仪器自带的 l i st mo de 来发送 1 000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 1 000 个帧.在 11 m bit / s 下 ,每帧的发送时间约为 1 ms

24、 ,所以若采用第 1 种方法 , 精度不是很高 , 不能严格 发出 1 000 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 li st mo de 中设 置发送时间 , 使其精度大大提高 , 时间精度可以达 到s 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 li st mo de 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 li st ,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 ,

25、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 1 000 个帧. 当 d u t 解调出4江 南 大 学 学 报 (自 然 科 学 版)第 6 卷546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 li st 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 1 000 个帧的实现步骤在 a gile

26、 nt e4438 c 上用第 3 种方法发送 1 000个帧的实现步骤如下 :1) 在 si gnal st udio 中生成 wave 文件 , 通过gp ib 卡下载到 e4438c 中 ;2) 对 si gnal st udio 传过来的 wave 文件进行 编辑 ,并生成 seque nce 文件 ;3) 选取第 2 步生成的 seque nce 为波形文件 ;4) 设置 trigge r .完成设置后 , 每按一下 tri ggle , 便可以发送1 000个帧了.11 m bit / s 下的接收指标 ,见表 3 .表 3 11 m bit/ s cck 调制时的接收性能测试结果

27、ta b. 3 testing result of receiving perf ormance using 11 m bit/ s cck modulat ion 接收性能测试项最小输入电平灵敏度/ dbm最大输入电平/ dbm邻道抑制/ 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 2 412 、2 437 和 2 462 m hz.由表 1 可以看出 ,这些接收指标均已超出前面提到

28、的射频接收指标的要求 ,说明实际芯片性能已 经满足 i e e e 802 . 11 b 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.应用实例实际应用中 ,在屏蔽室中测得 a gere 评估板在5参考文献 : 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 , 曹志刚. 一种有效的基于变长包的 ie e e 802 . 11 系统性能分析方法 j . 电讯技术 ,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