WiFi测试为何对智能手机如此重要？

shuszhao

今天，智能手机在我们的生活中已经不可或缺，而不同品牌手机的WiFi性能表现参差不齐。本文尝试从技术角度，分析了智能手机WiFi常见的指标如信号强度，速率以及延时及产生问题的原因。又从测试角度，探讨了手机制造企业如何在生产制造过程中通过完整的测试来避免WiFi的品质问题。



引言

近年来，随着国产手机品牌在国内国际市场的强势崛起，智能手机领域的竞争进入了白热化。但由于芯片和硬件技术的成熟，手机功能越来越趋同，性能参数也越来越相似，手机品牌间的差异化越来越难。与此同时，新特性和跑分参数容易给消费者造成审美疲劳。因此，消费者越来越看重手机的用户体验，稳定性和耐久性。因此，能否持续提供最佳的用户体验和信得过的品质，成为手机品牌未来能否成功的关键。
今天的智能手机已经不再是简单的通讯工具，而是一个让人们能够随时随地联网，工作和娱乐的个人计算平台——而互联网连接，是工作和娱乐的基础。目前手机上提供网络连接的有两大技术，一是从伴随着手机诞生的蜂窝移动网络，二是在稍晚出现但飞速发展的IEEE802.11无线局域网——更多的以WiFi这个名称为人熟知。802.11技术工作在非授权频段，具有成本低，速率高，部署简单，覆盖广的特点。在家庭，商场，酒店，企业内部，公共设施等场合都是用户接入互联网的首选方式。 根据运营商统计，无论在数据量上，还是在使用时间上手机WiFi都大大超过了移动通信。

                               
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图1. 手机用户移动网络和WiFi使用比例，来源：P3
由于WiFi部件承载了智能手机用户最多的数据流量和使用时间，WiFi部件的性能与质量很大程度地影响着用户的使用体验。然而今天，由于部分手机品牌对WiFi部件质量不够重视，造成了手机用户体验下降和品牌认可度降低。其中，WiFi信号弱，上网速度慢， 延迟高等几大问题受到较多的用户投诉，给这些手机品牌的形象带来了负面影响。因此，如何提高手机WiFi的质量成为各个厂商亟待重视的问题。本文将尝试从技术角度，分析产生以上手机WiFi质量问题的深层次原因及应对方法，并揭示完整的WiFi测试对于智能手机的重要性。


一、信号差

通过查看手机屏幕上方的WiFi图标，用户可以直接了解到当前WiFi信号的强弱。有时候两个不同品牌的手机明明在相同的位置，显示的信号格数却不同，于是用户就会抱怨信号格数少的手机的WiFi信号差。这与手机WiFi接收机的性能有关。WiFi部件在与路由器连接状态下，射频接收机会定期测量AP发出的广播数据包，算出RSSI值（接收信号强度指示标识）。再根据RSSI值的大小，在操作系统上显示出信号的强弱。正常情况下，手机距离路由器越近，RSSI值越高，表示接收到的WiFi信号越强；手机距离路由器越远，RSSI越低，表示WiFi信号越弱。
经过校准和测试过的手机，测量得到的RSSI值和信号格数与真实的接收信号强度一致，对下行信号的接收性能也比较好。而没有接受过校准测试的手机，RSSI值和信号格数与真实的接收信号不一致，对下行信号的接收性能较差 。因此没有进行接收机校准测试的手机WiFi不仅显示信号弱，而且上网速度和工作的范围都要差于经过校准测试的手机。往往在正常手机能够接收到WiFi信号的地方已经显示没有信号了，用户体验不佳。
另一种情况，有时候用户手机上明明能看见WiFi信号在一格以上，实际的上网速度却非常慢，甚至形同断网，用户体验受到严重影响。手机显示有信号说明接收机没有问题，那么问题出在哪儿？问题出在手机的发射机功率上。对手机来说发射机功率非常重要——发射功率过高，会使手机耗电过快，需要频繁充电。而发射功率过低，会使上行信号经过路径衰减后无法正常抵达路由器的接收天线，从而降低了手机的实际工作范围。因此，在手机生产制造过程中我们需要对WiFi发射功率进行严格的校准和测试，以确保发射功率的准确性。
由于无线通信是双向的，通过在生产制造过程中对手机WiFi发射功率和接收机灵敏度进行严格的校准和测试，我们可以确保手机的上行链路和下行链路在最大工作范围内保持匹配，而不会出现其中之一拖后腿的情况。

                               
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图2：手机发射机和接收机校准测试的影响
第三种情况，由于WiFi主要工作在非授权频段，频谱比较拥挤，所以有经验的用户常常会选择将路由器切换到干扰较小的频点。但当用户手机使用不同频点接入路由器时，有时会发现信号强度和上网速率会有明显下降。这是因为WiFi工作在两个主要频段，2.4GHz和5GHz。每个频段都细分为多个频点，如2.4GHz频段就有从2412MHz到2484MHz的14个可用频点，而5GHz频段由于带宽更宽，则有分布在5180MHz到5825MHz范围内的24个频点。对手机WiFi部件来说，不同频段的不同频点的射频性能表现会有很大不同。因此在生产测试过程中时，应该对这两个频段内的多个频点依次进行校准和测试，从而保证手机出厂后在2.4GHz和5GHz的所有频点都能够正常工作。


二、上网速度不够快

接下来我们讨论上网速度。WiFi作为一种无线局域网技术，比蜂窝移动通信覆盖范围小，终端位置不变或只有低速移动。所以WiFi信号所处无线信道的频率选择性和空间正交性都要优于广覆盖的蜂窝网络。因此WiFi可以更好的利用高带宽和多天线技术的优势实现大幅度的速率提升。目前市场主流的802.11ac Wave 2产品已经能支持高达160MHz带宽以及MU-MIMO多用户技术。以高通的骁龙835/836移动平台为例，它支持802.11ac 2x2 MU-MIMO，吞吐率比前代产品提升一倍以上。而未来的手机移动平台将会支持更高的带宽和更多的MIMO天线数。
然而，如果在生产制造过程中忽略了对这些新的特性进行测试，很可能导致产品在实际使用中出现上网速度慢的问题。例如：很多早期的测试仪表只支持80MHz或40MHz以下带宽信号的生成和解调，导致在生产测试中部分高速率模式没能得到测试，因此我们无法得知产品在高速率模式下是否存在质量问题，产品上市后将存在质量风险。虽然一些厂家采取了频谱拼接的方法去获得手机射频模块的发射机测试结果。但由于采用了非实时采样（分多次抓取），这样的结果无法最准确反映信号的真实特性，存在一定程度的误差。而LitePoint最新一代的无线通信测试仪IQXel-MW支持160MHz的信号解调和产生，可以对这些高速率模式进行完整准确的测试。
而对MIMO的测试也存在相似的问题，由于早期的仪表大多只含有一套VSA/VSG组合，因此同一时间只能对一条射频链路进行验证。对于支持MIMO的手机，只能采用分时切换的方式对每一条射频链路依次验证。采用这种做法的厂家无法得知DUT工作在MIMO模式时的真实性能表现。而IQXel-MW通过配置能够支持最多4~8路MIMO通道同时测试，因此能够支持MIMO场景下的手机射频链路性能测试。

                               
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图3.不同带宽和MIMO天线数的组合


三、延时大

一些新的热门互联网应用比如在线游戏，由于其实时性和交互性，对网络时延的要求很高。时延越低，游戏体验越好，时延越高，游戏体验越差，甚至无法正常游戏。因此时延是我们评估智能手机联网性能的一个重要指标。造成时延的原因有很多。由于IEEE802.11是工作在TCP/IP协议之下的MAC层和物理层协议，采用了CSMA/CD的冲突避免机制。因此，WiFi无线网络的时延主要是由于手机信号质量不佳或者来自于其他WiFi设备的干扰引起多次重传造成的。而手机的接收机性能不好也会导致下行的重传增多。
我们评估手机WiFi发射信号质量的主要指标是EVM，即误差适量幅度。EVM反映了手机发射机信号IQ调制偏离理想值的程度。EVM越高，信号质量越差，再经过无线信道的衰减之后，路由器接收机就很难正常解调该信号，造成丢包和重传，从而延长了传输延时。因此我们期望在手机发射端的信号质量应该尽可能好，这样才能保证传输的稳定和低延时。在手机生产制造过程中，我们使用测试仪表的VSA（矢量信号分析仪）对手机发射机发出的射频信号进行解调分析，计算得出EVM值。
由于EVM值反映的是射频链路的噪声性能，因此如果测试仪表的底噪过高，就会叠加到被测信号而影响EVM测量结果的准确度。一般来说，仪表的底噪要低于EVM规范要求的10dB左右。例如，11ac 256QAM信号的EVM要求不能高于-32dB，VSA的底噪需要低于-42dB才能够得到相对准确的EVM测量结果。而下一代的802.11ax标准要求支持1024QAM的调制，EVM要求达到了-35dB。目前LitePoint IQXel-MW的EVM指标达到了-48dB，相对于11ax的要求有13dB以上的余量，因此能够精确测量这些高阶调制信号的EVM值。除了EVM以外，频率误差和符号时钟误差也是衡量手机WiFi信号质量的重要指标，需要使用测试仪表对这两个指标进行测试。

                               
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图4. 不同调制阶数的EVM指标要求
手机之间WiFi信号互相干扰的一个重要原因是相邻信道之间的干扰。这项干扰主要是由于邻信道泄露造成，邻信道泄露比（ACLR）反映了手机发射机信号泄露到相邻信道的能量比例。这个比例越高，对其他频点工作中的手机信号干扰越大。如果手机的邻信道抑制不佳，则对环境造成的干扰会很大，整个网络的重传就会因此增多，造成延时增加和吞吐率下降。在802.11标准中，主要是通过频谱发射模板（Transmit Spectral Mask）来对手机信号的频谱性能进行评估。我们需要通过测试设备的频谱发射模板测试功能来对手机的这个指标进行评估，以保证产品在实际工作中尽量减少对相邻信道的干扰。
手机的接收机性能对时延来说也非常重要，一个良好的接收机能够正确接收对方发出的数据包。如果接收失败，则会造成重传以及数据速率下降。从而产生较大的时延。评估接收机性能的方法主要是由测试仪表的VSG（矢量信号发生器）发出不同MCS（调制编码方案）的WiFi标准信号，通过测量手机接收机的PER（误包率）来判断接收机的性能。对于VSG来说，要求支持比较大的动态范围，并且对底噪也有较高的要求。而IQXel-MW的VSG底噪在-48dB以下，动态范围大，完全满足WiFI接收机测试的要求。


结语

今天，智能手机在我们的生活中已经几乎不可或缺，各大智能手机品牌还在不断的进行技术革新。但无论智能手机增加什么样的新特性和新功能，其中的WiFi部件依然承载着最多的网络流量。因此WiFi部件的性能和品质制约了智能手机用户的使用体验和智能手机的品牌认可度。本文尝试从技术角度，分析了智能手机中常见的WiFi质量问题如信号强度，速率以及延时等的成因。又从测试角度，探讨了手机制造企业如何在生产制造过程中进行完整准确的测试，从而能够最大程度避免这些潜在的质量问题。

张宇12122

很不错，长见识