【導讀】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性能表現參差不齊。手機制造商如何在生產過程中經由完整的測試提升Wi-Fi質量...
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，智能手機領域的競爭進入了白熱化。但由于芯片和硬件技術的成熟，手機功能越來越趨同，性能參數也越來越相似，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、穩定度和耐久性。因此，能否持續提供最佳的用戶體驗和可靠的質量，成為手機品牌未來能否成功的關鍵。
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、工作和娛樂的個人運算平臺——而因特網連接，是工作和娛樂的基礎。目前有兩大技術可在手機上提供網絡連接，一是伴隨著手機誕生的蜂窩移動網絡，二是稍晚出現但飛速發展的IEEE 802.11無線局域網絡(WLAN)——更多是以Wi-Fi這個名稱被使用。802.11技術工作在免授權(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、企業內部與公共設施等場合都是用戶接取至因特網的首選方式。根據統計，在手機上，用戶使用Wi-Fi的數據流量遠大于使用蜂窩通信技術產生的數據流量。
移動網絡和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)網絡流量（來源：Cisco）
由于Wi-Fi組件承載了智能手機用戶最多的數據流量和使用時間，Wi-Fi組件的性能與質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組件質量不夠重視，導致手機的用戶體驗和品牌認可度持續降低。其中，Wi-Fi信號弱、上網速度慢、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的質量，成為各家廠商亟待重視的問題。本文嘗試從技術角度，深入探討影響手機Wi-Fi質量的原因及其因應方法，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，顯示的信號格數卻不同，于是用戶就會抱怨信號格數少的手機Wi-Fi信號差。這與手機Wi-Fi接收機的性能有關。Wi-Fi組件在與路由器連接狀態下，射頻(RF)接收機會定期測量接取點(AP)發出的廣播封包，算出無線接收信號強度(RSSI)，再根據RSSI值的大小，在操作系統上顯示信號的強弱。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Wi-Fi信號越弱。
經過校準和測試過的手機，測量得到的RSSI值和信號格數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。而未經過校準測試的手機，RSSI值和信號格數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，上網速度和工作的范圍都要差于經校準測試的手機，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？答案就在手機的發射機功率上。對手機來說，發射機功率非常重要——發射功率過高，會使手機耗電過快，需要頻繁充電。而發射功率過低，會使上行信號經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，在手機生產制造過程中，必須針對Wi-Fi發射功率進行嚴格的校準和測試，以確保發射功率的準確性。
由于無線通信是雙向的，透過在生產制造過程中對手機Wi-Fi發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)在最大工作范圍內保持匹配，而不會出現其中之一拖后腿的情況。
智能手機的發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主要工作在免授權頻段，頻譜比較擁擠，所以有經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。但當用戶手機使用不同頻率接取路由器時，有時會發現信號強度和上網速率會有明顯下降。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范圍內的24個頻率。對于手機Wi-Fi組件來說，不同頻段范圍內可用頻率的RF性能表現會有很大不同。因此在生產測試過程中時，應該對這兩個頻段內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。
上網速度不夠快？
接下來討論上網速度。Wi-Fi作為一種無線局域網絡技術，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于廣泛覆蓋的蜂窩網絡。因此，Wi-Fi可以更有效地利用高帶寬和多天線技術的優勢，大幅提升速率。目前市場主流的802.11ac Wave 2產品已經能支持高達160MHz帶寬以及多用戶-多輸入多輸出(MU-MIMO)技術。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。
然而，如果在生產制造過程中忽略了對這些新的特性進行測試，很可能導致產品在實際使用中出現上網速度慢的問題。例如，很多早期的測試儀器只支持80MHz或40MHz以下帶寬信號的產生和解調，導致在生產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品在高速率模式下是否存在質量問題，而在產品上市后將存在質量風險。雖然一些廠商采取頻譜拼接的方法取得手機RF模塊的發射機測試結果，但由于采用了非實時采樣(分多次擷取)，這樣的結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的信號解調和產生，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。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MIMO場景下的手機RF鏈路性能測試。
不同帶寬和MIMO天線數的組合
實現更低延遲
因特網上有一些新的熱門應用，例如在線游戲，由于其實時性和互動性，對于網絡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協議之下的媒體訪問控制(MAC)層和物理層(PHY)協議，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無線網絡的延遲主要是由于手機信號質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致下行的重傳增多。
評估手機Wi-Fi發射信號質量的主要指針是誤差向量幅度(EVM)。EVM反映了手機發射機信號IQ調變偏離理想值的程度。EVM越高，信號質量越差，再經過無線通道的衰減之后，路由器接收機就很難正常解調該信號，造成封包遺失和重傳，從而延長了傳輸延遲。因此，我們期望在手機發射端的信號質量盡可能好，才能確保傳輸的穩定和低延遲。在手機生產制造過程中，我們使用VSA儀器對手機發射機發出的RF信號進行解調分析，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測量結果的準確度。一般來說，儀器的噪聲層要低于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的噪信層需要低于-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。
不同調變階數的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通道之間的干擾。這項干擾主要是由于相鄰通道泄露造成；相鄰通道泄露比(ACLR)反映了手機發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。如果手機的相鄰通道抑制不佳，則對于環境造成的干擾就會很大，整個網絡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備，針對手機的這項指標進行評估，才能確保產品在實際工作中盡可能減少對相鄰通道的干擾。
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出的數據封包。如果接收失敗，則會造成重傳以及數據速率下降，從而產生較大延遲。評估接收機性能的方法主要是由測試儀表的VSG發出不同調變編碼機制(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范圍，并且對噪聲層也有較高的要求。
結語
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絡流量。因此，Wi-Fi組件的性能和質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。本文從技術角度分析智能手機中常見的Wi-Fi質量問題，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制造過程中實現完整準確的測試方法，從而使手機業者能夠盡可能地減少這些質量問題。
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