【導(dǎo)讀】智能手機如今在我們的生活中已不可或缺，但不同品牌手機的Wi-Fi性能表現(xiàn)參差不齊。手機制造商如何在生產(chǎn)過程中經(jīng)由完整的測試提升Wi-Fi質(zhì)量...
近年來，隨著中國手機品牌在中國市場與國際市場強勢崛起，智能手機領(lǐng)域的競爭進入了白熱化。但由于芯片和硬件技術(shù)的成熟，手機功能越來越趨同，性能參數(shù)也越來越相似，手機品牌間的差異化越來越難。同時，新特性和跑分參數(shù)容易給消費者造成審美疲勞。因此，消費者越來越看重手機的用戶體驗、穩(wěn)定度和耐久性。因此，能否持續(xù)提供最佳的用戶體驗和可靠的質(zhì)量，成為手機品牌未來能否成功的關(guān)鍵。
今天的智能手機不再是簡單的通信工具，而是一個讓人們能夠隨時隨地連網(wǎng)、工作和娛樂的個人運算平臺——而因特網(wǎng)連接，是工作和娛樂的基礎(chǔ)。目前有兩大技術(shù)可在手機上提供網(wǎng)絡(luò)連接，一是伴隨著手機誕生的蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)，二是稍晚出現(xiàn)但飛速發(fā)展的IEEE 802.11無線局域網(wǎng)絡(luò)(WLAN)——更多是以Wi-Fi這個名稱被使用。802.11技術(shù)工作在免授權(quán)(unlicensed)頻段，具有成本低、速率高、部署簡單以及覆蓋廣的特點。在家庭、商場、酒店、企業(yè)內(nèi)部與公共設(shè)施等場合都是用戶接取至因特網(wǎng)的首選方式。根據(jù)統(tǒng)計，在手機上，用戶使用Wi-Fi的數(shù)據(jù)流量遠大于使用蜂窩通信技術(shù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量。
移動網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi流量占有率比較。固定式/Wi-Fi流量自2018年起超越固定式/有線(wired)網(wǎng)絡(luò)流量（來源：Cisco）
由于Wi-Fi組件承載了智能手機用戶最多的數(shù)據(jù)流量和使用時間，Wi-Fi組件的性能與質(zhì)量很大程度地影響著用戶的使用體驗。然而，由于一些手機品牌對于Wi-Fi組件質(zhì)量不夠重視，導(dǎo)致手機的用戶體驗和品牌認可度持續(xù)降低。其中，Wi-Fi信號弱、上網(wǎng)速度慢、延遲高等幾大問題受到了較多的用戶投訴，對于這些手機品牌的形象帶來了負面影響。因此，如何提高手機Wi-Fi的質(zhì)量，成為各家廠商亟待重視的問題。本文嘗試從技術(shù)角度，深入探討影響手機Wi-Fi質(zhì)量的原因及其因應(yīng)方法，并揭示完整的Wi-Fi測試對于智能手機的重要性。
信號質(zhì)量
用戶透過查看手機屏幕上方的Wi-Fi圖標，可以直接了解到當(dāng)前Wi-Fi信號的強弱。有時候兩個不同品牌的手機明明在相同的位置，顯示的信號格數(shù)卻不同，于是用戶就會抱怨信號格數(shù)少的手機Wi-Fi信號差。這與手機Wi-Fi接收機的性能有關(guān)。Wi-Fi組件在與路由器連接狀態(tài)下，射頻(RF)接收機會定期測量接取點(AP)發(fā)出的廣播封包，算出無線接收信號強度(RSSI)，再根據(jù)RSSI值的大小，在操作系統(tǒng)上顯示信號的強弱。正常情況下，手機距離路由器越近，RSSI值越高，表示接收到的Wi-Fi信號越強；手機距離路由器越遠，RSSI越低，表示W(wǎng)i-Fi信號越弱。
經(jīng)過校準和測試過的手機，測量得到的RSSI值和信號格數(shù)與真實的接收信號強度一致，對下行信號的接收性能也比較好。而未經(jīng)過校準測試的手機，RSSI值和信號格數(shù)與真實的接收信號不一致，對下行信號的接收性能較差。因此，未進行接收機校準測試的手機Wi-Fi不僅顯示信號弱，上網(wǎng)速度和工作的范圍都要差于經(jīng)校準測試的手機，往往在正常手機能夠接收到Wi-Fi信號的地方卻顯示沒有信號，導(dǎo)致用戶體驗不佳。
另一種情況是使用者的手機有時候明明能看見一格以上的Wi-Fi信號，實際的上網(wǎng)速度卻非常慢，甚至形同斷線，用戶體驗受到嚴重影響。手機顯示有信號說明接收機沒有問題，那么問題出在哪兒？答案就在手機的發(fā)射機功率上。對手機來說，發(fā)射機功率非常重要——發(fā)射功率過高，會使手機耗電過快，需要頻繁充電。而發(fā)射功率過低，會使上行信號經(jīng)過路徑衰減后無法正常抵達路由器的接收天線，從而降低了手機的實際工作范圍。因此，在手機生產(chǎn)制造過程中，必須針對Wi-Fi發(fā)射功率進行嚴格的校準和測試，以確保發(fā)射功率的準確性。
由于無線通信是雙向的，透過在生產(chǎn)制造過程中對手機Wi-Fi發(fā)射功率和接收機靈敏度進行嚴格的校準和測試，可以確保手機的上行鏈路(uplink)和下行鏈路(downlink)在最大工作范圍內(nèi)保持匹配，而不會出現(xiàn)其中之一拖后腿的情況。
智能手機的發(fā)射機和接收機在進行校準測試前后比較
第三種情況，由于Wi-Fi主要工作在免授權(quán)頻段，頻譜比較擁擠，所以有經(jīng)驗的用戶常常會選擇將路由器切換到干擾較小的特定頻率。但當(dāng)用戶手機使用不同頻率接取路由器時，有時會發(fā)現(xiàn)信號強度和上網(wǎng)速率會有明顯下降。這是因為Wi-Fi工作在兩個主要頻段，2.4GHz和5GHz。每個頻段都細分為多個頻率，如2.4GHz頻段就有從2412MHz到2484MHz的14個可用頻率，而5GHz頻段由于帶寬更寬，則有分布在5180MHz到5825MHz范圍內(nèi)的24個頻率。對于手機Wi-Fi組件來說，不同頻段范圍內(nèi)可用頻率的RF性能表現(xiàn)會有很大不同。因此在生產(chǎn)測試過程中時，應(yīng)該對這兩個頻段內(nèi)的多個頻率依次進行校準和測試，從而確保手機出廠后在2.4GHz和5GHz的所有頻率都能夠正常運作。
上網(wǎng)速度不夠快？
接下來討論上網(wǎng)速度。Wi-Fi作為一種無線局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，覆蓋范圍不如蜂窩移動通信覆蓋范圍，終端位置通常相對固定。所以，Wi-Fi信號所處無線信道的頻率選擇性和空間正交性都要優(yōu)于廣泛覆蓋的蜂窩網(wǎng)絡(luò)。因此，Wi-Fi可以更有效地利用高帶寬和多天線技術(shù)的優(yōu)勢，大幅提升速率。目前市場主流的802.11ac Wave 2產(chǎn)品已經(jīng)能支持高達160MHz帶寬以及多用戶-多輸入多輸出(MU-MIMO)技術(shù)。以高通(Qualcomm)驍龍835/836移動平臺為例，它可支持802.11ac 2x2 MU-MIMO，傳輸速率比前代產(chǎn)品提升一倍以上。而未來的手機移動平臺將會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這些新的特性進行測試，很可能導(dǎo)致產(chǎn)品在實際使用中出現(xiàn)上網(wǎng)速度慢的問題。例如，很多早期的測試儀器只支持80MHz或40MHz以下帶寬信號的產(chǎn)生和解調(diào)，導(dǎo)致在生產(chǎn)測試中部份高速率模式未能進行測試，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，而在產(chǎn)品上市后將存在質(zhì)量風(fēng)險。雖然一些廠商采取頻譜拼接的方法取得手機RF模塊的發(fā)射機測試結(jié)果，但由于采用了非實時采樣(分多次擷取)，這樣的結(jié)果無法準確地反映信號的真實特性，存在一定程度的誤差。透過最新一代的無線通信測試儀(如LitePoint IQXel-MW)，支持160MHz的信號解調(diào)和產(chǎn)生，可以對這些高速率模式進行完整的測試。
而對MIMO的測試也存在相似的問題，由于早期的儀器大多只有一套向量信號分析儀/向量信號產(chǎn)生器(VSA/VSG)組合，因此同一時間只能對一條RF鏈路進行驗證。針對支持MIMO的手機，只能采用分時切換的方式對每一條RF鏈路依次驗證。采用這種做法的廠商無法得知待測物(DUT)工作在MIMO模式的真實性能表現(xiàn)。透過像IQXel-MW等新的無線通信測試儀，能夠支持最多4~8路MIMO通道同步測試，實現(xiàn)MIMO場景下的手機RF鏈路性能測試。
不同帶寬和MIMO天線數(shù)的組合
實現(xiàn)更低延遲
因特網(wǎng)上有一些新的熱門應(yīng)用，例如在線游戲，由于其實時性和互動性，對于網(wǎng)絡(luò)等待時間的要求很高。延遲越低，游戲體驗越好，延遲越高，游戲體驗越差，甚至無法正常游戲。因此，延遲是評估智能手機連網(wǎng)性能的一個重要指針。造成延遲的原因有很多。由于IEEE 802.11是工作在TCP/IP協(xié)議之下的媒體訪問控制(MAC)層和物理層(PHY)協(xié)議，采用了“載波偵聽多路存取/碰撞檢測”(CSMA/CD)的沖突避免機制。因此，Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)的延遲主要是由于手機信號質(zhì)量不佳或者來自其他Wi-Fi裝置的干擾引起多次重傳造成的。不過，手機的接收機性能不好也會導(dǎo)致下行的重傳增多。
評估手機Wi-Fi發(fā)射信號質(zhì)量的主要指針是誤差向量幅度(EVM)。EVM反映了手機發(fā)射機信號IQ調(diào)變偏離理想值的程度。EVM越高，信號質(zhì)量越差，再經(jīng)過無線通道的衰減之后，路由器接收機就很難正常解調(diào)該信號，造成封包遺失和重傳，從而延長了傳輸延遲。因此，我們期望在手機發(fā)射端的信號質(zhì)量盡可能好，才能確保傳輸?shù)姆€(wěn)定和低延遲。在手機生產(chǎn)制造過程中，我們使用VSA儀器對手機發(fā)射機發(fā)出的RF信號進行解調(diào)分析，即可計算出EVM值。
由于EVM值反映的是RF鏈路的噪聲性能，因此如果測試儀器的噪聲層(noise floor)過高，就會迭加到待測信號而影響EVM測量結(jié)果的準確度。一般來說，儀器的噪聲層要低于EVM規(guī)范要求的10dB左右。例如，11ac 256QAM信號的EVM要求不能高于-32dB，VSA的噪信層需要低于-42dB才能夠得到相對準確的EVM測量結(jié)果。而下一代的802.11ax標準要求支持1024QAM的調(diào)變，EVM必須達到-35dB。上述IQXel-MW的EVM可達到-48dB以下，相對于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)變信號的EVM值。除了EVM以外，頻率誤差和符號頻率誤差也是衡量手機Wi-Fi信號質(zhì)量的重要指針，必須使用測試儀器對這兩項指針進行測試。
不同調(diào)變階數(shù)的EVM指標要求
手機之間Wi-Fi信號互相干擾的一個重要原因是相鄰?fù)ǖ乐g的干擾。這項干擾主要是由于相鄰?fù)ǖ佬孤对斐?；相鄰?fù)ǖ佬孤侗?ACLR)反映了手機發(fā)射機信號泄露到相鄰信道的能量比例。這個比例越高，對其他頻率工作中的手機信號干擾越大。如果手機的相鄰?fù)ǖ酪种撇患?，則對于環(huán)境造成的干擾就會很大，整個網(wǎng)絡(luò)的重傳就會因此增多，造成延遲增加和傳輸速率降低。802.11標準主要透過傳輸頻譜屏蔽(Transmit Spectral Mask)對手機信號的頻譜性能進行評估。透過支持傳輸頻譜屏蔽測試功能的測試設(shè)備，針對手機的這項指標進行評估，才能確保產(chǎn)品在實際工作中盡可能減少對相鄰?fù)ǖ赖母蓴_。
手機的接收機性能對延遲來說也非常重要，一個良好的接收機能夠正確接收遠程發(fā)出的數(shù)據(jù)封包。如果接收失敗，則會造成重傳以及數(shù)據(jù)速率下降，從而產(chǎn)生較大延遲。評估接收機性能的方法主要是由測試儀表的VSG發(fā)出不同調(diào)變編碼機制(MCS)的Wi-Fi標準信號，透過測量手機接收機的封包錯誤率(PER)來判斷接收機的性能。對于VSG來說，要求支持較大的動態(tài)范圍，并且對噪聲層也有較高的要求。
結(jié)語
今天，智能手機在我們的生活中幾乎不可或缺，各大智能手機品牌還在不斷的進行技術(shù)革新。但無論智能手機增加什么樣的新特性和新功能，其中的Wi-Fi組件依然承載著最多的網(wǎng)絡(luò)流量。因此，Wi-Fi組件的性能和質(zhì)量影響著智能手機用戶的使用體驗和智能手機的品牌認同度。本文從技術(shù)角度分析智能手機中常見的Wi-Fi質(zhì)量問題，如信號強度、速率與延遲等的成因；同時從測試角度提供手機制造商如何在生產(chǎn)制造過程中實現(xiàn)完整準確的測試方法，從而使手機業(yè)者能夠盡可能地減少這些質(zhì)量問題。
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