引言
近年來(lái)，隨著(zhù)國產(chǎn)手機品牌在國內國際市場(chǎng)的強勢崛起，智能手機領(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，手機功能越來(lái)越趨同，性能參數也越來(lái)越相似，手機品牌間的差異化越來(lái)越難。與此同時(shí)，新特性和跑分參數容易給消費者造成審美疲勞。因此，消費者越來(lái)越看重手機的用戶(hù)體驗，穩定性和耐久性。因此，能否持續提供最佳的用戶(hù)體驗和信得過(guò)的品質(zhì)，成為手機品牌未來(lái)能否成功的關(guān)鍵。
今天的智能手機已經(jīng)不再是簡(jiǎn)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(lè )的個(gè)人計算平臺——而互聯(lián)網(wǎng)連接，是工作和娛樂(lè )的基礎。目前手機上提供網(wǎng)絡(luò )連接的有兩大技術(shù)，一是從伴隨著(zhù)手機誕生的蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )，二是在稍晚出現但飛速發(fā)展的IEEE802.11無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)——更多的以WiFi這個(gè)名稱(chēng)為人熟知。802.11技術(shù)工作在非授權頻段，具有成本低，速率高，部署簡(jiǎn)單，覆蓋廣的特點(diǎn)。在家庭，商場(chǎng)，酒店，企業(yè)內部，公共設施等場(chǎng)合都是用戶(hù)接入互聯(lián)網(wǎng)的首選方式。 根據運營(yíng)商統計，無(wú)論在數據量上，還是在使用時(shí)間上手機WiFi都大大超過(guò)了移動(dòng)通信。
圖1. 手機用戶(hù)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用戶(hù)最多的數據流量和使用時(shí)間，WiFi部件的性能與質(zhì)量很大程度地影響著(zhù)用戶(hù)的使用體驗。然而今天，由于部分手機品牌對WiFi部件質(zhì)量不夠重視，造成了手機用戶(hù)體驗下降和品牌認可度降低。其中，WiFi信號弱，上網(wǎng)速度慢， 延遲高等幾大問(wèn)題受到較多的用戶(hù)投訴，給這些手機品牌的形象帶來(lái)了負面影響。因此，如何提高手機WiFi的質(zhì)量成為各個(gè)廠(chǎng)商亟待重視的問(wèn)題。本文將嘗試從技術(shù)角度，分析產(chǎn)生以上手機WiFi質(zhì)量問(wèn)題的深層次原因及應對方法，并揭示完整的WiFi測試對于智能手機的重要性。
一、信號差
通過(guò)查看手機屏幕上方的WiFi圖標，用戶(hù)可以直接了解到當前WiFi信號的強弱。有時(shí)候兩個(gè)不同品牌的手機明明在相同的位置，顯示的信號格數卻不同，于是用戶(hù)就會(huì )抱怨信號格數少的手機的WiFi信號差。這與手機WiFi接收機的性能有關(guān)。WiFi部件在與路由器連接狀態(tài)下，射頻接收機會(huì )定期測量AP發(fā)出的廣播數據包，算出RSSI值（接收信號強度指示標識）。再根據RSSI值的大小，在操作系統上顯示出信號的強弱。正常情況下，手機距離路由器越近，RSSI值越高，表示接收到的WiFi信號越強；手機距離路由器越遠，RSSI越低，表示W(wǎng)iFi信號越弱。
經(jīng)過(guò)校準和測試過(guò)的手機，測量得到的RSSI值和信號格數與真實(shí)的接收信號強度一致，對下行信號的接收性能也比較好。而沒(méi)有接受過(guò)校準測試的手機，RSSI值和信號格數與真實(shí)的接收信號不一致，對下行信號的接收性能較差 。因此沒(méi)有進(jìn)行接收機校準測試的手機WiFi不僅顯示信號弱，而且上網(wǎng)速度和工作的范圍都要差于經(jīng)過(guò)校準測試的手機。往往在正常手機能夠接收到WiFi信號的地方已經(jīng)顯示沒(méi)有信號了，用戶(hù)體驗不佳。
另一種情況，有時(shí)候用戶(hù)手機上明明能看見(jiàn)WiFi信號在一格以上，實(shí)際的上網(wǎng)速度卻非常慢，甚至形同斷網(wǎng)，用戶(hù)體驗受到嚴重影響。手機顯示有信號說(shuō)明接收機沒(méi)有問(wèn)題，那么問(wèn)題出在哪兒？問(wèn)題出在手機的發(fā)射機功率上。對手機來(lái)說(shuō)發(fā)射機功率非常重要——發(fā)射功率過(guò)高，會(huì )使手機耗電過(guò)快，需要頻繁充電。而發(fā)射功率過(guò)低，會(huì )使上行信號經(jīng)過(guò)路徑衰減后無(wú)法正常抵達路由器的接收天線(xiàn)，從而降低了手機的實(shí)際工作范圍。因此，在手機生產(chǎn)制造過(guò)程中我們需要對WiFi發(fā)射功率進(jìn)行嚴格的校準和測試，以確保發(fā)射功率的準確性。
由于無(wú)線(xiàn)通信是雙向的，通過(guò)在生產(chǎn)制造過(guò)程中對手機WiFi發(fā)射功率和接收機靈敏度進(jìn)行嚴格的校準和測試，我們可以確保手機的上行鏈路和下行鏈路在最大工作范圍內保持匹配，而不會(huì )出現其中之一拖后腿的情況。
圖2：手機發(fā)射機和接收機校準測試的影響
第三種情況，由于WiFi主要工作在非授權頻段，頻譜比較擁擠，所以有經(jīng)驗的用戶(hù)常常會(huì )選擇將路由器切換到干擾較小的頻點(diǎn)。但當用戶(hù)手機使用不同頻點(diǎn)接入路由器時(shí)，有時(shí)會(huì )發(fā)現信號強度和上網(wǎng)速率會(huì )有明顯下降。這是因為WiFi工作在兩個(gè)主要頻段，2.4GHz和5GHz。每個(gè)頻段都細分為多個(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范圍內的24個(gè)頻點(diǎn)。對手機WiFi部件來(lái)說(shuō)，不同頻段的不同頻點(diǎn)的射頻性能表現會(huì )有很大不同。因此在生產(chǎn)測試過(guò)程中時(shí)，應該對這兩個(gè)頻段內的多個(gè)頻點(diǎn)依次進(jìn)行校準和測試，從而保證手機出廠(chǎng)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(lái)我們討論上網(wǎng)速度。WiFi作為一種無(wú)線(xiàn)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信號所處無(wú)線(xiàn)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(xiàn)技術(shù)的優(yōu)勢實(shí)現大幅度的速率提升。目前市場(chǎng)主流的802.11ac Wave 2產(chǎn)品已經(jīng)能支持高達160MHz帶寬以及MU-MIMO多用戶(hù)技術(shù)。以高通的驍龍835/836移動(dòng)平臺為例，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(lái)的手機移動(dòng)平臺將會(huì )支持更高的帶寬和更多的MIMO天線(xiàn)數。
然而，如果在生產(chǎn)制造過(guò)程中忽略了對這些新的特性進(jìn)行測試，很可能導致產(chǎn)品在實(shí)際使用中出現上網(wǎng)速度慢的問(wèn)題。例如：很多早期的測試儀表只支持80MHz或40MHz以下帶寬信號的生成和解調，導致在生產(chǎn)測試中部分高速率模式?jīng)]能得到測試，因此我們無(wú)法得知產(chǎn)品在高速率模式下是否存在質(zhì)量問(wèn)題，產(chǎn)品上市后將存在質(zhì)量風(fēng)險。雖然一些廠(chǎng)家采取了頻譜拼接的方法去獲得手機射頻模塊的發(fā)射機測試結果。但由于采用了非實(shí)時(shí)采樣（分多次抓?。?，這樣的結果無(wú)法最準確反映信號的真實(shí)特性，存在一定程度的誤差。而LitePoint最新一代的無(wú)線(xiàn)通信測試儀IQXel-MW支持160MHz的信號解調和產(chǎn)生，可以對這些高速率模式進(jìn)行完整準確的測試。
而對MIMO的測試也存在相似的問(wèn)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)間只能對一條射頻鏈路進(jìn)行驗證。對于支持MIMO的手機，只能采用分時(shí)切換的方式對每一條射頻鏈路依次驗證。采用這種做法的廠(chǎng)家無(wú)法得知DUT工作在MIMO模式時(shí)的真實(shí)性能表現。而IQXel-MW通過(guò)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(chǎng)景下的手機射頻鏈路性能測試。
圖3.不同帶寬和MIMO天線(xiàn)數的組合
三、延時(shí)大
一些新的熱門(mén)互聯(lián)網(wǎng)應用比如在線(xiàn)游戲，由于其實(shí)時(shí)性和交互性，對網(wǎng)絡(luò )時(shí)延的要求很高。時(shí)延越低，游戲體驗越好，時(shí)延越高，游戲體驗越差，甚至無(wú)法正常游戲。因此時(shí)延是我們評估智能手機聯(lián)網(wǎng)性能的一個(gè)重要指標。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的沖突避免機制。因此，WiFi無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的時(shí)延主要是由于手機信號質(zhì)量不佳或者來(lái)自于其他WiFi設備的干擾引起多次重傳造成的。而手機的接收機性能不好也會(huì )導致下行的重傳增多。
我們評估手機WiFi發(fā)射信號質(zhì)量的主要指標是EVM，即誤差適量幅度。EVM反映了手機發(fā)射機信號IQ調制偏離理想值的程度。EVM越高，信號質(zhì)量越差，再經(jīng)過(guò)無(wú)線(xiàn)信道的衰減之后，路由器接收機就很難正常解調該信號，造成丟包和重傳，從而延長(cháng)了傳輸延時(shí)。因此我們期望在手機發(fā)射端的信號質(zhì)量應該盡可能好，這樣才能保證傳輸的穩定和低延時(shí)。在手機生產(chǎn)制造過(guò)程中，我們使用測試儀表的VSA（矢量信號分析儀）對手機發(fā)射機發(fā)出的射頻信號進(jìn)行解調分析，計算得出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(guò)高，就會(huì )疊加到被測信號而影響EVM測量結果的準確度。一般來(lái)說(shuō)，儀表的底噪要低于EVM規范要求的10dB左右。例如，11ac 256QAM信號的EVM要求不能高于-32dB，VSA的底噪需要低于-42dB才能夠得到相對準確的EVM測量結果。而下一代的802.11ax標準要求支持1024QAM的調制，EVM要求達到了-35dB。目前LitePoint IQXel-MW的EVM指標達到了-48dB，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制信號的EVM值。除了EVM以外，頻率誤差和符號時(shí)鐘誤差也是衡量手機WiFi信號質(zhì)量的重要指標，需要使用測試儀表對這兩個(gè)指標進(jìn)行測試。
圖4. 不同調制階數的EVM指標要求
手機之間WiFi信號互相干擾的一個(gè)重要原因是相鄰信道之間的干擾。這項干擾主要是由于鄰信道泄露造成，鄰信道泄露比（ACLR）反映了手機發(fā)射機信號泄露到相鄰信道的能量比例。這個(gè)比例越高，對其他頻點(diǎn)工作中的手機信號干擾越大。如果手機的鄰信道抑制不佳，則對環(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標準中，主要是通過(guò)頻譜發(fā)射模板（Transmit Spectral Mask）來(lái)對手機信號的頻譜性能進(jìn)行評估。我們需要通過(guò)測試設備的頻譜發(fā)射模板測試功能來(lái)對手機的這個(gè)指標進(jìn)行評估，以保證產(chǎn)品在實(shí)際工作中盡量減少對相鄰信道的干擾。
手機的接收機性能對時(shí)延來(lái)說(shuō)也非常重要，一個(gè)良好的接收機能夠正確接收對方發(fā)出的數據包。如果接收失敗，則會(huì )造成重傳以及數據速率下降。從而產(chǎn)生較大的時(shí)延。評估接收機性能的方法主要是由測試儀表的VSG（矢量信號發(fā)生器）發(fā)出不同MCS（調制編碼方案）的WiFi標準信號，通過(guò)測量手機接收機的PER（誤包率）來(lái)判斷接收機的性能。對于VSG來(lái)說(shuō)，要求支持比較大的動(dòng)態(tài)范圍，并且對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(mǎn)足WiFI接收機測試的要求。
結語(yǔ)
今天，智能手機在我們的生活中已經(jīng)幾乎不可或缺，各大智能手機品牌還在不斷的進(jìn)行技術(shù)革新。但無(wú)論智能手機增加什么樣的新特性和新功能，其中的WiFi部件依然承載著(zhù)最多的網(wǎng)絡(luò )流量。因此WiFi部件的性能和品質(zhì)制約了智能手機用戶(hù)的使用體驗和智能手機的品牌認可度。本文嘗試從技術(shù)角度，分析了智能手機中常見(jiàn)的WiFi質(zhì)量問(wèn)題如信號強度，速率以及延時(shí)等的成因。又從測試角度，探討了手機制造企業(yè)如何在生產(chǎn)制造過(guò)程中進(jìn)行完整準確的測試，從而能夠最大程度避免這些潛在的質(zhì)量問(wèn)題。
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