wifi测试简介

为网络增加“无线”功能不仅改变了物理层测试的要求,还需要同时控制很多层的测试工作,因此更增加了系统复杂性。

  要点
  ·Wi-Fi市场很大,并正在向诸如娱乐电子与语音通信等新的应用扩展;
  ·Wi-Fi采用了更加复杂的协议,因此需要比有线网络更广泛的测试;
  ·无线网络的移动、动态与空间特性促使人们采用射频测试与数据测试相结合的工具;
  ·为确保可重复性,测试需要在屏蔽罩或法拉第笼内完成,以消除外界干扰;
  用于射频测试与系统环境仿真的专用工具正在成为现实

       以IEEE 802.11 标准为基础的无线网络在设备数量和应用范围两个方面都做好了实质性发展的准备。然而,与有线网络相比较,无线网络本身固有的移动特性使物理层与协议层之间产生的交互作用大大增加了验证一个设计所需的测试的复杂性和测试的次数。所幸的是,能够使这一过程合理化的各类工具正在不断出现。

       802.11a/b/g 标准统称为 WiFi(无线保真),它已经在家庭用户中造就了一个庞大的不断成长市场,人们发现,无线方案是家庭资源共享以太网(如打印机和宽带连接)的一种简单的替代方案。另外,对需要移动计算能力的商务用户来说它也是热门技术。根据市场研究公司 In-Stat 的数据,公共 WLAN(无线局域网)或“热点”正在商务用户和家庭用户中快速普及。仅 2005 年第一季度,全球 WiFi 设备销售额就达到 7.376 亿美元,比 2004 年同期增长 15%。

       虽然WiFi 在家庭和商务计算机接入中的应用仍处增长势头,但也出现了这一技术的新兴市场。In-Stat 正在追踪各类新兴应用,如 VoWLAN(无线局域网语音传输)、将 WiFi 用作消费电子连接的一种方法,以及 VoWLAN 与手机的结合。每一类都代表着一种能匹配或超过计算机接入的市场。
这些重要市场的增长将使更多的设计师首次面对 WLAN 测试的挑战。很多设计师的知识背景仍然是传统的有线网络,因而无线网络测试对他们而言是个很不一般的挑战。与传统网络相比,WLAN 有一个射频物理层界面问题。

 

       复杂的协议使测试更麻烦

       VeriWave 公司首席技术官 Thomas Alexander 称,首先要考虑的是无线协议更复杂了。他指出,WLAN 协议中的很多附加特性都是为了满足无线局域网络(LAN)在动态配置、空间性质以及移动性这三方面的需求,而有线网络则没有这些要求。这些要求更增加了无线测试的复杂性。WiFi 的动态配置允许终端站向 AP(接入点)询问以实现网络接入,并使 AP 接通自己所支持的服务。虽然有线网络也有类似功能,但它们一般出现在较高层的协议中。WiFi 则是在 MAC(媒体访问控制)层实现的。当有多个 AP 可供使用时,WiFi 站还必须用“关联”来确定使用哪一个,而 AP 也要用“鉴别权”来确定该终端站是否为合法用户,然后才准予接入。有线连接由于没有物理安全问题,因此无需鉴别步骤。而在无线连接中,某个人可能会把车停在一个区域内,试图从这里免费接入互联网。

       WiFi 的空间特性也会产生一些问题,如“隐藏结点”,这在有线网络中是没有的。出现这种情况时,两个站终端都位于一个 AP 的覆盖范围中,但不在相互的信号范围内。由于两者都不能检测冲突,于是当两个站试图向该 AP 发送消息时就会重复发生碰撞。在有线网络中,通过小心的设计和安装,可以在物理层上控制噪声电平,并且交换机可以将网络分成可管理的网段。但是无线网络设备的设计者则不能假设一种可控环境。WiFi 与蓝牙、便携式电话和微波炉,以及其它射频源共享其频段。设计者无法控制试图连接某个 AP 的终端站数量。无线协议必须允许网络能够完全适应所处的环境。

       WiFi 的移动性也对设备和协议提出了更多的功能要求,有线网络则没有这些负担。其中之一是电池供电的终端可能需要有电源管理功能,以优化功耗问题,例如当终端靠近 AP 时,要降低发射功率以节省能量。另一个增加的协议功能是在传输期间实现AP之间的动态切换,这类似于手机的漫游。其他附加的功能还有速率自适应,即根据接收信号的功率调整数据传输速率的能力,从而优化整个信道的性能。

       不能完全分开的层

       复杂的协议还会产生其它麻烦。对有线网络,工程师们可以单独测试系统层,然后只需将测试后的各部分组合起来,就可以装配成一个可行的系统。按照传统的网络测试模型,测试无线网络设备的设计有两项主要工作。一是数字工程师和软件工程师从网络角度用协议分析仪和网络分析仪对设备进行评估。另一是射频工程师使用矢量信号分析仪、频谱分析仪与信号发生器、示波器和其他射频仪器,对射频部分进行评估。

       但是,老谚语“整体大于其各部分之和”可以毫不迟疑地应用于测试 WiFi 产品的设计上。无线网络物理层和协议层不仅需要单独测试,还要同时测试验证较高层是否能正常运行。这种测试需要很多设备协同工作,包括射频设备和数字设备,共同建立所需测试条件,并测量结果。

    还好,射频测试设备供应商已经在所需设备的联合与自动化方面作了不少工作,在 2004 年年中至年底就推出了很多这类产品。Agilent 科技公司创立了 N4010A 无线连接性测试套件,它采用软件模块实现信号分析与矢量分析功能,以及信号产生功能,并构成了一个更完备的射频测试包(图 1)。同样,Anritsu 公司也为自己的频谱分析仪提供软件,将多种 WLAN 射频测试功能组合于一个仪器内。LitePoint 公司则用 IQView 来测试 WiFi 发射机与接收机的功能。该公司还提供 IQWave 软件,用于与仪器一起建立定制的信号波形,以测试有损波形的响应。最近,National Instruments公司 也用一款 PXI 仪器包进入了这个市场,该仪器包带有LabView开发软件以及一个来自 SeaSolve 软件公司的软件包,软件包可以对 WiFi 射频设备进行物理层顺从性测试。

 

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        既然已经覆盖了对物理层部分的测试,似乎较高层的测试只需要数字图形发生器和协议分析仪就够了。但 WiFi 复杂的协议要处理网络的动态、空间与移动特性,一台仪器无法用一个纯数字图形模仿所有这些参数。工程师们必须用射频链接对这些参数进行测试,以执行速率自适应功能、隐藏结点检测功能,以及其他与信号强度有关的条件。

       这一领域的 WiFi 测试最为困难。为了提供可重复的测试,DUT(待测设备)需要一种可控制的激励。这意味着至少要将待测设备放在一个屏蔽罩内,隔离杂乱信号的干扰。另外,激励信号的强度必须可控,这就涉及到使用可编程衰减的问题。最后,为了仿真一个完整的网络配置,必须要从一个独立源产生多个激励信号。

       协议测试

       可惜,现有的大多数射频测试仪器都直接用单信号激励 DUT。在多信号环境下对设备的测试则需要使用多台仪器。而协调多台仪器信号建立使用起始聚集的测试设置的可重复测试条件则非常困难。测试的设置需要使用复杂的接线方案,这种方案要对每个信号源作手工调校,再反馈给屏蔽罩内的 DUT;或者要将整个测试配置放在一个法拉第笼内,这是一种可以阻止 EM 场外泄或进入的金属箱,这样才能达到测试的可重复性。

       而 WiFi 的移动特性使测试的设置更加复杂。测试必须设法重复 DUT 或激励信号的移动过程,这样才能对设备作彻底检验。Azimuth 系统公司的首席执行官 Ray Cronin 说:“WiFi 的全部意义就在于移动性。你必须拥有能测试移动性对服务质量影响的系统。”

       有些公司如 Azimuth公司、Ixia公司 和 VeriWave 公司一直在关注产生多个可控激励信号的方法,以及用可编程衰减来仿真移动性的影响。这些公司已经在生产能提供用于协议分析以及能够协调产生多种测试信号的产品,用于范围很宽的条件下 WLAN 设备的评测。

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       但各家公司的测试方法也不尽相同。Azimuth 公司的 W 系列测试平台为 DUT 提供了一个屏蔽罩,通过一个电缆系统反馈受控信号(图 2)。测试信号来自一组发生器模块,一台计算机控制着这组模块,规定每个模块的功能,协调信号的活动,并且用可编程衰减器管理射频输出的组合。这样,系统能够在可重复配置环境下模仿多种传输图形和信号条件,包括漫游状态,而无需屏蔽室。

       Ixia公司 的 IxWLAN 与 VeriWave公司 的 WaveTest 系统则允许使用电缆方法和开放方法(图 3)。系统可以同步控制多个测试激励设备产生的网络信号,同时控制测试激励设备的发射功率和接收阈值。系统可以用于法拉第笼的电缆配置方式,或者用于开放场的环境。VeriWave 系统还能够捕捉场中的信号,供以后在实验室条件下回放。

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       这三类系统的一个重要属性是它们的可升级性。它们都能够模仿几十个接入点和数百个站点,从而建立多种测试设置,并且都能实现自动控制。这种方法针对拥挤条件的用户,允许的设计测试可以实现在这样条件下系统的实际安装和系统性能的测试。测试结果可以帮助系统管理员对设备安装作出规划,达到最佳流量。

       这些系统的另一个重要属性是它们所能提供的自动化水平。开发团队可以利用供应商提供的软件对这些系统进行配置,从而实现系统使用的一个完整的顺从性测试套件。运行这些测试套件并不提供设计认证,而是让开发团队确信自己的设计会通过认证。

       这些协议测试系统还可以在测试期间解决网络问题,从而完成对 WiFi 设备的测试。但它们并不提供对射频参数的测量,尽管 WaveTest 系统可以产生射频测试设备的触发信号以协调这样的测量。测试工程师必须分别测试射频部分和数据部分。WiFi 测试可能会促使工具的整合,但有些两步走的步骤还是会发生。

     测试系统的滞后

       这种两步舞看来还要持续一段时间。正如 Azimuth 公司的 Cronin 所指出的:“要在测试技术之前发展一种新技术来支持它”。WiFi 技术仍在不断发展。除了 a、b、g 版本以外,还正在开发 802.11标准的新版。例如,802.11q标准可以将虚拟 LAN 映像到无线网络上。802.11i 版则在网络上增加了新的安全协议,增强了无线连接的隐密性。另一个趋势是在无线网络上增加语音功能,它需要控制服务质量和时序质量。

       满足不断变化的 WiFi 设计的需求是对 WiFi 测试提出的极大挑战。传统的硬接线测试产品太慢,已经不能适应快速变化的技术。今天的无线测试设备必须用软件来实现自适应,才有希望跟上技术的发展。

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        National Instruments公司 正在自己的射频测试系统中采用可编程方案(图 4),该公司的模块化仪器产品经理 Darcy Dement 称:“技术发展了,测试也必须跟着发展。当设备采用软件驱动时,设计者可以使自己的工具跟上标准的变化。通过使用 LabView 这样的开放结构,设计者还能介入测试参数,从而针对自己的特殊需求进行定制。”Azimuth公司 的 Cronin 也同意可编程性是测试跟上标准变化的关键。他说:“如果我们的工具里没有可编程能力,标准的变化就会成为开发人员创立自己的特定工具的负担。”

       利用现有的全套系统测试工具,自动将射频测试能力和为跟踪标准的变化提供途径的工具具备可编程性,开发人员在将 WiFi 包含到他们的下一个设计方面便能处于有利地位。实现和验证各种设计的测试工具正不断出现,如用于可利用宽带连接进行聊天的游戏系统,能将数据发送至音响系统的音乐播放机,以及可从 WAN 切换至 LAN 的手机。这些标准化测试工具的出现意味着无线网络创新更多、增长更快,而设计人员失败的次数更少。

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