引言
近年來,隨著國產(chǎn)手機(jī)品牌在國內(nèi)國際市場的強(qiáng)勢崛起,智能手機(jī)領(lǐng)域的競爭進(jìn)入了白熱化。但由于芯片和硬件技術(shù)的成熟,手機(jī)功能越來越趨同,性能參數(shù)也越來越相似,手機(jī)品牌間的差異化越來越難。與此同時(shí),新特性和跑分參數(shù)容易給消費(fèi)者造成審美疲勞。因此,消費(fèi)者越來越看重手機(jī)的用戶體驗(yàn),穩(wěn)定性和耐久性。因此,能否持續(xù)提供最佳的用戶體驗(yàn)和信得過的品質(zhì),成為手機(jī)品牌未來能否成功的關(guān)鍵。
今天的智能手機(jī)已經(jīng)不再是簡單的通訊工具,而是一個(gè)讓人們能夠隨時(shí)隨地聯(lián)網(wǎng),工作和娛樂的個(gè)人計(jì)算平臺(tái)——而互聯(lián)網(wǎng)連接,是工作和娛樂的基礎(chǔ)。目前手機(jī)上提供網(wǎng)絡(luò)連接的有兩大技術(shù),一是從伴隨著手機(jī)誕生的蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò),二是在稍晚出現(xiàn)但飛速發(fā)展的IEEE802.11無線局域網(wǎng)——更多的以WiFi這個(gè)名稱為人熟知。802.11技術(shù)工作在非授權(quán)頻段,具有成本低,速率高,部署簡單,覆蓋廣的特點(diǎn)。在家庭,商場,酒店,企業(yè)內(nèi)部,公共設(shè)施等場合都是用戶接入互聯(lián)網(wǎng)的首選方式。 根據(jù)運(yùn)營商統(tǒng)計(jì),無論在數(shù)據(jù)量上,還是在使用時(shí)間上手機(jī)WiFi都大大超過了移動(dòng)通信。
圖1. 手機(jī)用戶移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和WiFi使用比例
由于WiFi部件承載了智能手機(jī)用戶最多的數(shù)據(jù)流量和使用時(shí)間,WiFi部件的性能與質(zhì)量很大程度地影響著用戶的使用體驗(yàn)。然而今天,由于部分手機(jī)品牌對(duì)WiFi部件質(zhì)量不夠重視,造成了手機(jī)用戶體驗(yàn)下降和品牌認(rèn)可度降低。其中,WiFi信號(hào)弱,上網(wǎng)速度慢, 延遲高等幾大問題受到較多的用戶投訴,給這些手機(jī)品牌的形象帶來了負(fù)面影響。因此,如何提高手機(jī)WiFi的質(zhì)量成為各個(gè)廠商亟待重視的問題。本文將嘗試從技術(shù)角度,分析產(chǎn)生以上手機(jī)WiFi質(zhì)量問題的深層次原因及應(yīng)對(duì)方法,并揭示完整的WiFi測試對(duì)于智能手機(jī)的重要性。
一、信號(hào)差
通過查看手機(jī)屏幕上方的WiFi圖標(biāo),用戶可以直接了解到當(dāng)前WiFi信號(hào)的強(qiáng)弱。有時(shí)候兩個(gè)不同品牌的手機(jī)明明在相同的位置,顯示的信號(hào)格數(shù)卻不同,于是用戶就會(huì)抱怨信號(hào)格數(shù)少的手機(jī)的WiFi信號(hào)差。這與手機(jī)WiFi接收機(jī)的性能有關(guān)。WiFi部件在與路由器連接狀態(tài)下,射頻接收機(jī)會(huì)定期測量AP發(fā)出的廣播數(shù)據(jù)包,算出RSSI值(接收信號(hào)強(qiáng)度指示標(biāo)識(shí))。再根據(jù)RSSI值的大小,在操作系統(tǒng)上顯示出信號(hào)的強(qiáng)弱。正常情況下,手機(jī)距離路由器越近,RSSI值越高,表示接收到的WiFi信號(hào)越強(qiáng);手機(jī)距離路由器越遠(yuǎn),RSSI越低,表示W(wǎng)iFi信號(hào)越弱。
經(jīng)過校準(zhǔn)和測試過的手機(jī),測量得到的RSSI值和信號(hào)格數(shù)與真實(shí)的接收信號(hào)強(qiáng)度一致,對(duì)下行信號(hào)的接收性能也比較好。而沒有接受過校準(zhǔn)測試的手機(jī),RSSI值和信號(hào)格數(shù)與真實(shí)的接收信號(hào)不一致,對(duì)下行信號(hào)的接收性能較差 。因此沒有進(jìn)行接收機(jī)校準(zhǔn)測試的手機(jī)WiFi不僅顯示信號(hào)弱,而且上網(wǎng)速度和工作的范圍都要差于經(jīng)過校準(zhǔn)測試的手機(jī)。往往在正常手機(jī)能夠接收到WiFi信號(hào)的地方已經(jīng)顯示沒有信號(hào)了,用戶體驗(yàn)不佳。
另一種情況,有時(shí)候用戶手機(jī)上明明能看見WiFi信號(hào)在一格以上,實(shí)際的上網(wǎng)速度卻非常慢,甚至形同斷網(wǎng),用戶體驗(yàn)受到嚴(yán)重影響。手機(jī)顯示有信號(hào)說明接收機(jī)沒有問題,那么問題出在哪兒?問題出在手機(jī)的發(fā)射機(jī)功率上。對(duì)手機(jī)來說發(fā)射機(jī)功率非常重要——發(fā)射功率過高,會(huì)使手機(jī)耗電過快,需要頻繁充電。而發(fā)射功率過低,會(huì)使上行信號(hào)經(jīng)過路徑衰減后無法正常抵達(dá)路由器的接收天線,從而降低了手機(jī)的實(shí)際工作范圍。因此,在手機(jī)生產(chǎn)制造過程中我們需要對(duì)WiFi發(fā)射功率進(jìn)行嚴(yán)格的校準(zhǔn)和測試,以確保發(fā)射功率的準(zhǔn)確性。
由于無線通信是雙向的,通過在生產(chǎn)制造過程中對(duì)手機(jī)WiFi發(fā)射功率和接收機(jī)靈敏度進(jìn)行嚴(yán)格的校準(zhǔn)和測試,我們可以確保手機(jī)的上行鏈路和下行鏈路在最大工作范圍內(nèi)保持匹配,而不會(huì)出現(xiàn)其中之一拖后腿的情況。
圖2:手機(jī)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)校準(zhǔn)測試的影響
第三種情況,由于WiFi主要工作在非授權(quán)頻段,頻譜比較擁擠,所以有經(jīng)驗(yàn)的用戶常常會(huì)選擇將路由器切換到干擾較小的頻點(diǎn)。但當(dāng)用戶手機(jī)使用不同頻點(diǎn)接入路由器時(shí),有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度和上網(wǎng)速率會(huì)有明顯下降。這是因?yàn)閃iFi工作在兩個(gè)主要頻段,2.4GHz和5GHz。每個(gè)頻段都細(xì)分為多個(gè)頻點(diǎn),如2.4GHz頻段就有從2412MHz到2484MHz的14個(gè)可用頻點(diǎn),而5GHz頻段由于帶寬更寬,則有分布在5180MHz到5825MHz范圍內(nèi)的24個(gè)頻點(diǎn)。對(duì)手機(jī)WiFi部件來說,不同頻段的不同頻點(diǎn)的射頻性能表現(xiàn)會(huì)有很大不同。因此在生產(chǎn)測試過程中時(shí),應(yīng)該對(duì)這兩個(gè)頻段內(nèi)的多個(gè)頻點(diǎn)依次進(jìn)行校準(zhǔn)和測試,從而保證手機(jī)出廠后在2.4GHz和5GHz的所有頻點(diǎn)都能夠正常工作。
二、上網(wǎng)速度不夠快
接下來我們討論上網(wǎng)速度。WiFi作為一種無線局域網(wǎng)技術(shù),比蜂窩移動(dòng)通信覆蓋范圍小,終端位置不變或只有低速移動(dòng)。所以WiFi信號(hào)所處無線信道的頻率選擇性和空間正交性都要優(yōu)于廣覆蓋的蜂窩網(wǎng)絡(luò)。因此WiFi可以更好的利用高帶寬和多天線技術(shù)的優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)大幅度的速率提升。目前市場主流的802.11ac Wave 2產(chǎn)品已經(jīng)能支持高達(dá)160MHz帶寬以及MU-MIMO多用戶技術(shù)。以高通的驍龍835/836移動(dòng)平臺(tái)為例,它支持802.11ac 2x2 MU-MIMO,吞吐率比前代產(chǎn)品提升一倍以上。而未來的手機(jī)移動(dòng)平臺(tái)將會(huì)支持更高的帶寬和更多的MIMO天線數(shù)。
然而,如果在生產(chǎn)制造過程中忽略了對(duì)這些新的特性進(jìn)行測試,很可能導(dǎo)致產(chǎn)品在實(shí)際使用中出現(xiàn)上網(wǎng)速度慢的問題。例如:很多早期的測試儀表只支持80MHz或40MHz以下帶寬信號(hào)的生成和解調(diào),導(dǎo)致在生產(chǎn)測試中部分高速率模式?jīng)]能得到測試,因此我們無法得知產(chǎn)品在高速率模式下是否存在質(zhì)量問題,產(chǎn)品上市后將存在質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。雖然一些廠家采取了頻譜拼接的方法去獲得手機(jī)射頻模塊的發(fā)射機(jī)測試結(jié)果。但由于采用了非實(shí)時(shí)采樣(分多次抓取),這樣的結(jié)果無法最準(zhǔn)確反映信號(hào)的真實(shí)特性,存在一定程度的誤差。而LitePoint最新一代的無線通信測試儀IQXel-MW支持160MHz的信號(hào)解調(diào)和產(chǎn)生,可以對(duì)這些高速率模式進(jìn)行完整準(zhǔn)確的測試。
而對(duì)MIMO的測試也存在相似的問題,由于早期的儀表大多只含有一套VSA/VSG組合,因此同一時(shí)間只能對(duì)一條射頻鏈路進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)于支持MIMO的手機(jī),只能采用分時(shí)切換的方式對(duì)每一條射頻鏈路依次驗(yàn)證。采用這種做法的廠家無法得知DUT工作在MIMO模式時(shí)的真實(shí)性能表現(xiàn)。而IQXel-MW通過配置能夠支持最多4~8路MIMO通道同時(shí)測試,因此能夠支持MIMO場景下的手機(jī)射頻鏈路性能測試。
圖3.不同帶寬和MIMO天線數(shù)的組合
三、延時(shí)大
一些新的熱門互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用比如在線游戲,由于其實(shí)時(shí)性和交互性,對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的要求很高。時(shí)延越低,游戲體驗(yàn)越好,時(shí)延越高,游戲體驗(yàn)越差,甚至無法正常游戲。因此時(shí)延是我們評(píng)估智能手機(jī)聯(lián)網(wǎng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。造成時(shí)延的原因有很多。由于IEEE802.11是工作在TCP/IP協(xié)議之下的MAC層和物理層協(xié)議,采用了CSMA/CD的沖突避免機(jī)制。因此,WiFi無線網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延主要是由于手機(jī)信號(hào)質(zhì)量不佳或者來自于其他WiFi設(shè)備的干擾引起多次重傳造成的。而手機(jī)的接收機(jī)性能不好也會(huì)導(dǎo)致下行的重傳增多。
我們評(píng)估手機(jī)WiFi發(fā)射信號(hào)質(zhì)量的主要指標(biāo)是EVM,即誤差適量幅度。EVM反映了手機(jī)發(fā)射機(jī)信號(hào)IQ調(diào)制偏離理想值的程度。EVM越高,信號(hào)質(zhì)量越差,再經(jīng)過無線信道的衰減之后,路由器接收機(jī)就很難正常解調(diào)該信號(hào),造成丟包和重傳,從而延長了傳輸延時(shí)。因此我們期望在手機(jī)發(fā)射端的信號(hào)質(zhì)量應(yīng)該盡可能好,這樣才能保證傳輸?shù)姆€(wěn)定和低延時(shí)。在手機(jī)生產(chǎn)制造過程中,我們使用測試儀表的VSA(矢量信號(hào)分析儀)對(duì)手機(jī)發(fā)射機(jī)發(fā)出的射頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)分析,計(jì)算得出EVM值。
由于EVM值反映的是射頻鏈路的噪聲性能,因此如果測試儀表的底噪過高,就會(huì)疊加到被測信號(hào)而影響EVM測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。一般來說,儀表的底噪要低于EVM規(guī)范要求的10dB左右。例如,11ac 256QAM信號(hào)的EVM要求不能高于-32dB,VSA的底噪需要低于-42dB才能夠得到相對(duì)準(zhǔn)確的EVM測量結(jié)果。而下一代的802.11ax標(biāo)準(zhǔn)要求支持1024QAM的調(diào)制,EVM要求達(dá)到了-35dB。目前LitePoint IQXel-MW的EVM指標(biāo)達(dá)到了-48dB,相對(duì)于11ax的要求有13dB以上的余量,因此能夠精確測量這些高階調(diào)制信號(hào)的EVM值。除了EVM以外,頻率誤差和符號(hào)時(shí)鐘誤差也是衡量手機(jī)WiFi信號(hào)質(zhì)量的重要指標(biāo),需要使用測試儀表對(duì)這兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行測試。
圖4. 不同調(diào)制階數(shù)的EVM指標(biāo)要求
手機(jī)之間WiFi信號(hào)互相干擾的一個(gè)重要原因是相鄰信道之間的干擾。這項(xiàng)干擾主要是由于鄰信道泄露造成,鄰信道泄露比(ACLR)反映了手機(jī)發(fā)射機(jī)信號(hào)泄露到相鄰信道的能量比例。這個(gè)比例越高,對(duì)其他頻點(diǎn)工作中的手機(jī)信號(hào)干擾越大。如果手機(jī)的鄰信道抑制不佳,則對(duì)環(huán)境造成的干擾會(huì)很大,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的重傳就會(huì)因此增多,造成延時(shí)增加和吞吐率下降。在802.11標(biāo)準(zhǔn)中,主要是通過頻譜發(fā)射模板(Transmit Spectral Mask)來對(duì)手機(jī)信號(hào)的頻譜性能進(jìn)行評(píng)估。我們需要通過測試設(shè)備的頻譜發(fā)射模板測試功能來對(duì)手機(jī)的這個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估,以保證產(chǎn)品在實(shí)際工作中盡量減少對(duì)相鄰信道的干擾。
手機(jī)的接收機(jī)性能對(duì)時(shí)延來說也非常重要,一個(gè)良好的接收機(jī)能夠正確接收對(duì)方發(fā)出的數(shù)據(jù)包。如果接收失敗,則會(huì)造成重傳以及數(shù)據(jù)速率下降。從而產(chǎn)生較大的時(shí)延。評(píng)估接收機(jī)性能的方法主要是由測試儀表的VSG(矢量信號(hào)發(fā)生器)發(fā)出不同MCS(調(diào)制編碼方案)的WiFi標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),通過測量手機(jī)接收機(jī)的PER(誤包率)來判斷接收機(jī)的性能。對(duì)于VSG來說,要求支持比較大的動(dòng)態(tài)范圍,并且對(duì)底噪也有較高的要求。而IQXel-MW的VSG底噪在-48dB以下,動(dòng)態(tài)范圍大,完全滿足WiFI接收機(jī)測試的要求。
結(jié)語
今天,智能手機(jī)在我們的生活中已經(jīng)幾乎不可或缺,各大智能手機(jī)品牌還在不斷的進(jìn)行技術(shù)革新。但無論智能手機(jī)增加什么樣的新特性和新功能,其中的WiFi部件依然承載著最多的網(wǎng)絡(luò)流量。因此WiFi部件的性能和品質(zhì)制約了智能手機(jī)用戶的使用體驗(yàn)和智能手機(jī)的品牌認(rèn)可度。本文嘗試從技術(shù)角度,分析了智能手機(jī)中常見的WiFi質(zhì)量問題如信號(hào)強(qiáng)度,速率以及延時(shí)等的成因。又從測試角度,探討了手機(jī)制造企業(yè)如何在生產(chǎn)制造過程中進(jìn)行完整準(zhǔn)確的測試,從而能夠最大程度避免這些潛在的質(zhì)量問題。
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