你好，Wi-Fi 6

一、你的前世今生

需求的改变是技术革新的最大推力，自1997年IEEE推出无线局域网（WLAN）标准802.11-1997以来，WLAN技术被广泛应用且从未停止发展的脚步：

各个版本更详细的说明可以参考《射频&天线设计-802.11初识》。

初见可能不清楚802.11和Wi-Fi的关系，其实Wi-Fi这个称呼是源于Wi-Fi联盟这个商业组织：

Wi-Fi联盟（Wi-Fi Alliance）简称WFA，为了方便用户识别提供最新Wi-Fi技术的设备，该联盟将符合802.11标准的技术简称为Wi-Fi：

WFA引领着Wi-Fi技术的规范和测试计划的制定，拥有Wi-Fi的商标并负责Wi-Fi认证与商标授权等工作：

通过显示界面UI来识别网络连接类型，更多类型图标如下，均具有很强相似性及一眼可见的技术标志：

关于Wi-Fi图标的设计标准参考《Wi-Fi_Alliance_Brand_Style_Guide》。

二、Wi-Fi 6，6？

虽然Wi-Fi 6的标准在19年就发布了，但新一代量产的Wi-Fi 6芯片成本并不低。适合大批量应用在高端路由、移动终端等设备上。

对于IoT应用来说Wi-Fi 4模组的成本可以控制到6~8元还是很香的。但这并不意味着我们不往Wi-Fi 6升级。

作为Wi-Fi 5的继任者，Wi-Fi 6的优势主要体现在高密度场景下用户速率和体验需求的提升，从而可以获得更好的用户峰值数据体验。

在160MHz信道带宽支持下，Wi-Fi 6理论最大速率高达9.6Gbps，相对同频段Wi-Fi 4来说带宽与速率均极大提升。

看看几个比较关键的技术点：

1).OFDMA：Wi-Fi 4/5采用的OFDM技术是基于单用户进行通信的，不管所要发送的用户数据量大小每个用户均要占用掉整个信道。

在该用户数据包（即时消息、网页请求、音视频等）较小的情况下单信道并没有满载。

Wi-Fi 6引入了OFDMA（正交频分多址）技术，相对于前代OFDM技术而言，其将最小的子信道划分成不同的资源单位（Resource Unit，简称RU）。

此时不同的用户使用不同的RU进行数据通信，实现在同一时间下不同的用户只会占用某一个RU而非整个信道。

从总的时频资源上来看，每个时间片上有多个用户同时发送，信道的利用率得到了极大提高。

2).RU：前文提到了RU这个概念，要了解RU先要了解802.11标准中对于子载波及其划分。

无线信号的是加载到某个固定频率上进行传输的，这个频率称为载波。802.11标准对载波进行了细致划分，划分出来的频率被称为子载波。

Wi-Fi 6中比如20Mhz信道被划分成了256个子载波，子载波间隔从Wi-Fi 5的312.5KHz减小到78.125KHz。子载波分为四种类型：

• 数据子载波（Data Tones）：用于数据传输
• 直流子载波（DC Tones）：在PPDU中心位置作为标识
• 导频子载波（Pilot Tones）：用于信道估计等功能
• 边带保护子载波（Guard Tones）：用于不同PPDU之间的保护间隔

Wi-Fi 6定义了7种RU类型，分别是26-tone RU、52-tone RU、106-tone RU、242-tone RU、484-tone RU、996-tone RU和2X 996-tone RU。

以26-tone RU为例解释其含义，即代表该RU包含26个子载波。

20MHz信道带宽下的RU类型划分如下：

40MHz信道带宽下的RU类型划分如下：

80MHz信道带宽下的RU类型划分如下：

如果要看一张图的区别的话可以看这张：

使用RU时当然还可以更灵活一些，不同类型的RU可以相互结合，比如20MHz信道可以分配到8个用户：

现在我们再来看这张时频资源分配图是不是就简单明了多了：

Wi-Fi 6支持的其他信道如40MHz、80MHz，甚至160MHz信道都可以划分成各种RU的组合，比如将160MHz信道划分成单26-tone的RU的情况下理论上可以同时和74个终端设备同时通信。

下图显示Wi-Fi 6 AP和各STA协调用于MU-OFDMA操作时当前能够获得频率多路复用访问权的最大用户数量：

3).MU-MIMO：MU-MIMO在Wi-Fi 5时就引入了，当时仅支持下行 MU-MIMO(DL MU-MIMO)，Wi-Fi 6中同时支持上行(UL MU-MIMO)和下行(DL MU-MIMO)。

UL MU-MIMO简单来说就是数据从多个STA到AP的同步传输，Wi-Fi 6最大空间流数量8，同时引入DL/UL MU-MIMO。这样相比于WiFi 5上行不一定再需要独立对单个节点的数据进行传输，上下行均可使用MU-MIMO模式：

OFDMA和MU-MIMO都是针对多用户的并行数据传输但两者不是一个东西：

• MU-MIMO实现的是物理空间上的多路并发，适用于大数据包的并行传输，提升多空间流的利用率与系统容量和单用户速率以及降低时延；但运行状态不够稳定，很容易受终端的影响。
• OFDMFA实现的是频域空间上的多路并发，以RU为基础适用于小数据包的并行传输，提升单空间流的信道利用率与传输效率，减小应用延迟与用户排队等待；运行状态相对稳定且不易受终端影响。

所以基于OFDMA和DL/UL MU-MIMO的联合调度就这样实现了：

4).1024QAM：Wi-Fi 6调制方式新增1024QAM，提出MCS10和MCS11这两种高阶编码组合，单流空口吞吐量提升。Wi-Fi 5采用的256QAM，每个符号传输8bit数据（2^8=256）。

Wi-Fi 6采用1024QAM，每个符号位传输10bit数据（2^10=1024）.从8到10的提升是25%，也就是相对于Wi-Fi5来说Wi-Fi 6的单条空间流数据吞吐量又提高了25%。

Wi-Fi速率=空间流数/(符号Symbol+保护Gl)时间X编码方式X调制阶数X有效子载波数量，以80MHz信道1024QAM调制为例的计算单空间流空口吞吐量=1/(12.8us+0.8us)X5/6X10X980≈600Mbit/s：

计算也是相对复杂的，有需要的话直接查询802.11ax标准里面官方给的数据表，Wi-Fi 6理论最大速率高达9.6Gbit/s：

多天线速率计算乘以天线的个数即可。

5).BSS着色：BSS-Coloring，简单的理解就是AP发送的报文套上了不同颜色的外套作为标记，STA收到报文后不用解析通过外套颜色就可以立即判断是否跟自己相关。

颜色相同表示和自己相关，颜色不同表示和自己无关。对于无关报文STA可以当作不存在，这种情况下可以立即发起通信而不必等待，这样就实现了空间复用的效果。

BSS着色特性的应用如下：

• 为每个路由器“着色”，区分不同路由器。
• 允许多个路由器在同一个信道上运行。
• 适用于在体育场、办公室、商场等高密集场景下进行密集的AP部署。

6).TWT技术：这是一种低功耗技术，其特性如下：

• Target Wakeup Time，目标唤醒时间。
• 允许AP规划与设备的通信，双方协商在什么时间点或多久通信。
• 每台终端可以定义独立的唤醒协议，或互不干扰。

7).Wi-Fi 6计时要求：802.11ax要求STA之间的传输间隔不得超过400ns，首先在下行方向上，AP发送一个触发帧提供同步给STA，这个帧也包含关于OFDMA的信息分配给每个STA的子载波RU。

参与的STA需要在出发帧结束后的16us±400ns的指定时间间隔（短帧间隔）后开始上行信号的传输。

8).Wi-Fi 6频率要求：为了确保所有的STA在其分配的RU内运行，为了放置同时发射的客户端之间的载波间的干扰，STA需要根据AP接收到的触发帧对载波频率偏移误差进行预补偿。802.11ax标准要求补偿后的载波频率偏移误差小于350Hz。

9).Wi-Fi 6功率控制要求：在不同距离的AP和STA之间传输数据时，需要通过功率控制来保证距离AP较近的STA不会淹没距离AP较远的用户。

802.11ax标准要求STA根据AP和STA之间估计的路径损耗来调整其功率。考虑到路径损耗，距离AP较近的设备发送的功率越小，而距离AP较远的设备发送的功率越大，以达到与AP接收机相同的接收功率。

根据控制功率的精确程度，标准中定义了两类设备：A类器件控制其发射功率在±3dB内，B类器件控制其功率在±9dB内。

Wi-Fi 6也还有很多关键技术及特性，具体可以查阅标准。

三、谈谈Wi-Fi 6测试

大厂一般基于Wi-Fi 6标准定制专属芯片，小厂或者特殊化、小型化应用平台一般采用通用芯片。

根据目前的发展趋势预计在2022年Wi-Fi 6模组方案将会迎来量的飞跃，各种成本低廉、性能优越的芯片方案也将层出不穷，所以了解关键测试项也是至关重要的。

1).输出功率（Transmitter powre）：此值表征的是设备发送无线信号强度的大小，在满足频谱模板、EVM性能的前提下，功率越大性能越好。

无线发射功率指用于衡量发射信号系统性能的高低，发射功率越大时无线信号传输的距离就越远，覆盖的范围也会越广，穿透力越强。

发射功率理论上可以无限大，但受技术规范和成本影响发射功率是有限的，并且功率越大能耗也越大。

发射功率的测试主要是测设备发送信号的最大功率，由于最大容许功率是由国家和地区的法规规定的，比如北美不超过30dBm，中国及欧洲国家不超过20dBm，日本不超过22dBm。

标准中并没有关于发射功率的统一标准，因此必须参考目的地的相关法规，设计的模组要满足相应地区的认证要求。

不同的芯片厂家默认设置的功率可能有差异，设计时一般都按照推荐值去校准使用。比如典型值11b-17dBm，11g-16~14dBm，11n-16~13dBm，上下限按±2dB定：

Wi-Fi 6使用的功率控制技术可能会在设备在首次尝试与对应产品连接时会输出最大功率，因此需要从连接尝试开始测量发射功率。

802.11ax信号在时域上通常是突发信号，因此在使用信号与频谱分析仪进行测量时需要设置好触发和时间门限。

2).频谱模板（Spectrum Mask）：无线频谱模板可以衡量发送信号的质量和对相邻信道的干扰抑制能力，测试出来的频谱模板越小，离给定的频谱模板越远，其性能越好。

802.11b/g模式下的频谱模板如下：

802.11n模式下的HT20/HT40频谱模板如下：

802.11ax设备需要满足不同频率偏离发射信号的中心频率时允许的输出电平，也称为频谱发射模板，用X轴上的频率和Y轴上的功率表示，模板幅度以相对值dBr或dB为单位，即相对于信号的最大谱密度。

频谱仪测量802.11ax频谱模板需要使用100KHz分辨率带宽(RBW)和7.5KHz视频带宽(VBW)。

20MHz信道带宽的频谱发射模板要求如下图：

40MHz信道带宽的频谱发射模板要求如下图：

80MHz信道带宽的频谱发射模板要求如下图：

160MHz信道带宽的频谱发射模板要求如下图：

3).误差矢量幅度（Error Vector Magnitude）：简称EVM，EVM是发射信号的理想测量分量I（同相位）和Q（正交相位）（称为基准信号“R”）与实际接受到的测量信号“M”的I和Q分量幅度之间的矢量差。

当设备处于发送状态时，EVM与发射功率相关联，发射功率越大，矢量误差被放大越多，在测试的结果表现上就是EVM越大发送信号质量越差，EVM是一个表征信号发送质量好坏的指标。

对于802.11b/g/n的EVM要求一般如下：

dB和spec（X%）的表示的数学转换是：EVM(dB)= 20log( EVM(X%) )；如b模的要求是EVM(-9.12dB)= 20log( EVM(35%) )。

802.11ax标准要求支持1024QAM，另外子载波之间的间隔只有78.125KHz，这意味着Wi-Fi 6设备需要具有更低相位噪声的振荡器，且RF前段需要具有更好的线性度。

如果测试仪器的补偿打开，采用-35dB作为判据，如果不打开，可以采用-32dB作为判据：

4).频率误差（Frequency Error）：频率误差表示RF输出信号偏离信道中心频率的大小，单位ppm（百万分之一），频偏越小越好。

所有发射载波频率和符号时钟频率都应来自相同的参考振荡器，这样才能更好的评估发射载波频率误差和符号时钟频率误差。

载波频率误差主要评估发射中心频率（载波频率）误差是否超出了标准所确定的误差范围。当中心频率超出误差时，可能超过接收信号的容忍能力，并且可能因为临道重叠而出现信号互扰。

符号调制周期的倒数值称为符号时钟频率，随着此误差增大，发送和接收端之间的时序会错开，从而使接收变得困难。

也就是说实际应用电路中晶振性能的一致性会影响到Wi-Fi产品频率误差的一致性。

802.11ax标准对于频偏的限制值为符号时钟频率和发射中心频率容差在5GHz和6GHz频段应为±20ppm，在2.4GHz频段应为±25ppm。

ppm这个指标，即百万分比（parts per million），ppm和Hz之间的单位换算是△f=(f*ppm)/(10^6)。式中△f是最大允许频率变化范围，ppm是最大变化值（+/-xxxppm），f是中心频率（Hz）。

对于企业测试标准来说要求通常更严，可以直接要求802.11b/g/n/ax标准对于频偏的限制值为＜±20ppm。

5).发射机本振泄露（Transmit Center Frequency Leakage）：如果本振泄露功率太高，接收设备内接收器部分中的LNA（低噪声放大器）或接收器元件可能会出现饱和，从而可能影响接收性能。

802.11ax规范要求测量本振泄露采用分辨率带宽为78.125KHz，本振泄露的功率不应超过-20dBm或每天线发射功率减去32dB中的最大值。即等效的(P-32，-20)，其中P是每个天线以dBm为单位的发射功率，每个天线都规定了发射中心频率泄露。

5).频谱平坦度（Spectral Flatness）：通过测量一个子载波范围的平均能量，来验证在这个范围内没有任何子载波的能量偏离超过指定的值。

例如测量20MHz带宽的频谱平坦度，子载波从2~84和-84~-2的范围的能量应该在±4的限值范围内，802.11ax要求的最大发射频谱平坦度误差如下表：

6).最小接收灵敏度（Minimum Receiver Sensitivity）：该项评估802.11ax接收机在保证通信质量（限定误码率）的情况下，接收机可以接收的最小微弱信号。

误码率用PER表示。PER是指DUT无法接收的数据包或者说接收到的错误数据包相对于发射的固定数量数据包的百分比。一般发射的固定数量数据包为100~1000个。

测量要求逐渐改变接收机的输入信号功率并绘制PER图表，以找出当PER低于某个门限值（一般要求10%）时所对应的功率，也就是最小功率称为最小接收灵敏度

通常制定企标或测试阶段样机验收时要求最小接收灵敏度优于上表802.11ax标准要求2dB以上。

7).最大接收电平（Maximum Receiver Input Level）：最大接收电平是标准Wi-Fi产品接收性能的重要参数之一，在接收灵敏度一定的情况下，最大输入电平越大，表示产品的动态范围越大。

该项测试与最小接收灵敏度电平测试过程相反，测试时输入接收机的功率会逐渐增大，接收机RF电路会逐渐进入饱和状态，当PER增大到标准要求的10%时对应的输入电平即为接收机最大接收电平。

802.11ax标准要求的最大接收电平是5GHz和6GHz下要到-30dBm，2.4GHz下要到-20dBm：

8).临道抑制（Adjacent Channel Rejection）：该项测试评估当802.11ax接收机接收信号时，接收机对相邻信道出现的和有用信号相同带宽的干扰信号的抑制能力。

测试时输入接收机的有用信号功率比最小输入电平表中的最小灵敏度高3dB，此时不断提高干扰信号电平，当接收机的PER接近于10%时，干扰信道和所需信道中的信号之间的功率差值即为临道抑制度。

802.11ax要求的临道和非临道抑制电平如下表：

9).非临道抑制（Nonadjacent Channel Rejection）：该项测试中干扰信号处于相隔一个信道的非相邻信道，非相邻信道抑制度的测试过程与相邻信道抑制度类似。

参考文献：

[1].《802.11b/g/n/ac/ax标准》

[2].《Wi-Fi 6》