引言
近年來，隨著國產(chǎn)手機品牌在國內(nèi)國際市場的強勢崛起，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。與此同時，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)定性和耐久性。因此，能否持續(xù)提供最佳的用戶體驗和信得過的品質(zhì)，成為手機品牌未來能否成功的關(guān)鍵。
今天的智能手機已經(jīng)不再是簡單的通訊工具，而是一個讓人們能夠隨時隨地聯(lián)網(wǎng)，工作和娛樂的個人計算平臺——而互聯(lián)網(wǎng)連接，是工作和娛樂的基礎(chǔ)。目前手機上提供網(wǎng)絡(luò)連接的有兩大技術(shù)，一是從伴隨著手機誕生的蜂窩移動網(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。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)運營商統(tǒng)計，無論在數(shù)據(jù)量上，還是在使用時間上手機WiFi都大大超過了移動通信。
圖1. 手機用戶移動網(wǎng)絡(luò)和WiFi使用比例
由于WiFi部件承載了智能手機用戶最多的數(shù)據(jù)流量和使用時間，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。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， 延遲高等幾大問題受到較多的用戶投訴，給這些手機品牌的形象帶來了負面影響。因此，如何提高手機WiFi的質(zhì)量成為各個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WiFi質(zhì)量問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
通過查看手機屏幕上方的WiFi圖標，用戶可以直接了解到當前WiFi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，射頻接收機會定期測量AP發(fā)出的廣播數(shù)據(jù)包，算出RSSI值（接收信號強度指示標識）。再根據(jù)RSSI值的大小，在操作系統(tǒng)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。而沒有接受過校準測試的手機，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 。因此沒有進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)顯示沒有信號了，用戶體驗不佳。
另一種情況，有時候用戶手機上明明能看見WiFi信號在一格以上，實際的上網(wǎng)速度卻非常慢，甚至形同斷網(wǎng)，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？問題出在手機的發(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)制造過程中我們需要對WiFi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，通過在生產(chǎn)制造過程中對手機WiFi發(fā)射功率和接收機靈敏度進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(nèi)保持匹配，而不會出現(xiàn)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(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頻點。但當用戶手機使用不同頻點接入路由器時，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WiFi工作在兩個主要頻段，2.4GHz和5GHz。每個頻段都細分為多個頻點，如2.4GHz頻段就有從2412MHz到2484MHz的14個可用頻點，而5GHz頻段由于帶寬更寬，則有分布在5180MHz到5825MHz范圍內(nèi)的24個頻點。對手機WiFi部件來說，不同頻段的不同頻點的射頻性能表現(xiàn)會有很大不同。因此在生產(chǎn)測試過程中時，應該對這兩個頻段內(nèi)的多個頻點依次進行校準和測試，從而保證手機出廠后在2.4GHz和5GHz的所有頻點都能夠正常工作。
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)，比蜂窩移動通信覆蓋范圍小，終端位置不變或只有低速移動。所以WiFi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160MHz帶寬以及MU-MIMO多用戶技術(shù)。以高通的驍龍835/836移動平臺為例，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：很多早期的測試儀表只支持80MHz或40MHz以下帶寬信號的生成和解調(diào)，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)量風險。雖然一些廠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(jié)果。但由于采用了非實時采樣（分多次抓取），這樣的結(jié)果無法最準確反映信號的真實特性，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的信號解調(diào)和產(chǎn)生，可以對這些高速率模式進行完整準確的測試。
而對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，因此同一時間只能對一條射頻鏈路進行驗證。對于支持MIMO的手機，只能采用分時切換的方式對每一條射頻鏈路依次驗證。采用這種做法的廠家無法得知DUT工作在MIMO模式時的真實性能表現(xiàn)。而IQXel-MW通過配置能夠支持最多4~8路MIMO通道同時測試，因此能夠支持MIMO場景下的手機射頻鏈路性能測試。
圖3.不同帶寬和MIMO天線數(shù)的組合
三、延時大
一些新的熱門互聯(lián)網(wǎng)應用比如在線游戲，由于其實時性和交互性，對網(wǎng)絡(luò)時延的要求很高。時延越低，游戲體驗越好，時延越高，游戲體驗越差，甚至無法正常游戲。因此時延是我們評估智能手機聯(lián)網(wǎng)性能的一個重要指標。造成時延的原因有很多。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無線網(wǎng)絡(luò)的時延主要是由于手機信號質(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。而手機的接收機性能不好也會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(diào)制偏離理想值的程度。EVM越高，信號質(zhì)量越差，再經(jīng)過無線信道的衰減之后，路由器接收機就很難正常解調(diào)該信號，造成丟包和重傳，從而延長了傳輸延時。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?shù)姆€(wěn)定和低延時。在手機生產(chǎn)制造過程中，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)出的射頻信號進行解調(diào)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高，就會疊加到被測信號而影響EVM測量結(jié)果的準確度。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(jié)果。而下一代的802.11ax標準要求支持1024QAM的調(diào)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(diào)制信號的EVM值。除了EVM以外，頻率誤差和符號時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指標進行測試。
圖4. 不同調(diào)制階數(shù)的EVM指標要求
手機之間WiFi信號互相干擾的一個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。這個比例越高，對其他頻點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)境造成的干擾會很大，整個網(wǎng)絡(luò)的重傳就會因此增多，造成延時增加和吞吐率下降。在802.11標準中，主要是通過頻譜發(fā)射模板（Transmit Spectral Mask）來對手機信號的頻譜性能進行評估。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手機的這個指標進行評估，以保證產(chǎn)品在實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延來說也非常重要，一個良好的接收機能夠正確接收對方發(fā)出的數(shù)據(jù)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)生較大的時延。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(diào)制編碼方案）的WiFi標準信號，通過測量手機接收機的PER（誤包率）來判斷接收機的性能。對于VSG來說，要求支持比較大的動態(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，動態(tài)范圍大，完全滿足WiFI接收機測試的要求。
結(jié)語
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)制約了智能手機用戶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的WiFi質(zhì)量問題如信號強度，速率以及延時等的成因。又從測試角度，探討了手機制造企業(yè)如何在生產(chǎn)制造過程中進行完整準確的測試，從而能夠最大程度避免這些潛在的質(zhì)量問題。
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