符合 802.11ax Wi-Fi 标准的设计：常见挑战及解决方法

在前一篇博客文章中，我们介绍了读者应该了解的关于802.11ax的五个关键问题。802.11ax 是下一个 Wi-Fi 标准。我们来了解下射频工程师根据 802.11ax 进行设计时将面临的一些挑战及解决方法。

下面是一些背景信息：802.11ax 的五种 OFDMA PPDU 格式

但首先，我们来看一下 802.11ax 的基本信号结构，也就是Wi-Fi 客户端和设备用于通信的物理层协议数据单元。

802.11ax 采用五种 OFDMA PPDU 格式：

单一用户(HE-SU)用于传输单个用户的数据。

多用户(HE-MU)用于将不响应触发帧的数据传输至一个或多个用户。

室外(HE-xSU)用于单个用户的室外传输。这种是802.11ax标准中的新格式。

触发器响应(HE-TRIG)用于传输响应触发帧的数据。用于实现上行MU-MIMO或上行OFDMA传输与接入点之间的协调。

下行信道声探(HE-NDP)用于波束成形和下行信道声探

术语表:

EVM:Error Vector Magnitude

HE:High efficiency

HEW:High-Efficiency WLAN (or High-Efficiency Wireless)

MU-MIMO:Multi-user multiple input/multiple output

NDP:Null data packet

OFDMA:Orthogonal frequency-division multiple access

PLCP:Physical Layer Convergence Procedure

PPDU:PLCP Protocol Data Unit

QAM: Quadrature amplitude modulation

TWT:Target wait time

等待或睡眠时间：射频前端面临的挑战是什么？

802.11ax 增加的一个内容就是目标等待时间 (TWT)（亦称为睡眠时间），允许设备在传输数据之前长时间处于睡眠状态。这种资源调度可延长电池续航时间，并提供更优的用户体验。 

然而，开机模式下的延迟可能会是一大挑战。TWT 还会带来下述问题：  

对OFDMA中的频率和时钟偏置具有高敏感性。与LTE基站技术不同的是，802.11ax 并没有同步时钟信号。因此，设备将依靠接入点确保网络上所有设备的同步。此外，11ax 采用比11ac更长的OFDM符号，这意味着可获得更多数据。简而言之，接入点将不得不比过去更高负荷工作，且必须更精确。

维持更长时间的平坦度。一些芯片组合作伙伴提供的规范表明，802.11ax 中的功率放大器 (PA) 初始开机时间并未改变，仍是 200-400 纳秒。然而，增益平坦度却得到了扩展，从而保证前端模块 (FEM) 在数据包传输期间不会出现增益扩增或增益下降。 

室内与室外 Wi-Fi：两者之间的相似之处和不同之处是什么？

为了使 802.11ax 能够用于所有环境中，需要使用室内 Wi-Fi 和室外基站或小基站。

室内和室外环境下的前端开发非常相似。在共存战略（带外抑制、谐波滤波器和频率范围）方面也很相似。

室内和室外环境的主要不同之处包括：

室外环境采用新的数据包结构。如我们在前面提到的那样，802.11ax 针对室外 Wi-Fi，即 HE-xSU PPDU 格式（如本博客文章结束部分的 

功率水平及由此产生的散热问题。尽管一些用户端设备 (CPE) 应用与移动应用的功率目标相似，但也存在高功率类设备，这意味着热管理更加重要。

了解更多设计技巧：如何防止运转过热：克服Wi-Fi前端设计中的热量难题

符合 802.11ax 中更高系统要求的设计

802.11ax采用的调制方案，1024 QAM，将无线速度提高了 4 倍。但这也意味着，系统变得对内部和外部损坏更敏感。

下面是工程师应清楚的一些设计挑战：

更严格的PA线性度规范。在 802.11ax 中，1024 QAM 中更严格的星座点密度要求将 PA线性度要求提高至大约 ‑47 dB EVM。（然而，我们正努力根据IEEE doc 11-17-1350的规定降低系统 EVM 要求。）另外，不要忘记对衡量 FEM/iFEM 的 EVM 测试系统进行评估。

LNA必须具备更低的噪声系数(NF)。早期的参考设计要求将低噪声放大器 (LNA) 的噪声系数 (NF) 目标设置为 2.5-3.0 dB。而在 802.11ax 中，系统灵敏度目标将 LNA 的 NF 新目标设置为 1.5-1.8 dB。

增益扩增/下降。十年前，增益失衡目标为 1 dB，而如今已降至 0.3-0.5 dB。如下图所示，增益和相位失衡逐渐被推至左下角，以实现 -47 dB EVM 目标。 

T系统的总容限。从设计角度来看，目标 PA 规范为 -47 dB EVM，但是实际的系统规范为‑35 dB EVM。通常，芯片组合作伙伴将力求实现系统容限。

为解决所有这些设计问题，工程师和市场营销人员可进行下述考虑：

提高功耗以实现EVM目标。如果提高 Icc，系统通常将实现更优的 EVM，但是也会降低功率附加效率 (PAE)。为了适当地权衡 PAE 和线性度，我们需要优化下述重点领域：

负载线路

级间匹配

偏置电路设计

数字预失真 (DPD)

包络跟踪 (ET)

设计依据：设备是需要成为高端市场的一流产品，还是服务大众市场。答案完全取决于市场，因为具体要求会随客户和应用的不同而变化。早期采用者和旗舰顶级产品可能需要努力实现最优性能 (‑47 dB EVM)。相反，如果产品针对大众市场或低成本市场，则可能在 802.11ax 于高端市场首次推出后一两年都无需支持这项标准。

最后一个问题：根据仍不稳定的标准进行设计

首先，请记住 802.11ax 规范仍有待确定，我们应与应用团队共同按照现有标准最大限度地完善产品设计。随着这个 Wi-Fi 标准逐渐成形，Qorvo 致力于帮助客户满足标准要求，并提供专业设计协助。有关技术指导和应用支持，请访问我们的技术支持网页。

Y您还可以阅读我们的一些硬件合作伙伴提供的资源，以了解这项新兴技术的详情。

有关 802.11ax 的技术资源

802.11ax高效率Wi-Fi技术简介，来自 National Instruments

IEEE 802.11ax技术引进白皮书，来自 Rohde & Schwarz

802.11ax标准探讨：802.11Ax是什么及如何克服它带来的设计和测试挑战，来自 Keysight Technologies

功率放大器EVM测试缺陷(PDF)，来自 LitePoint

 

审核编辑 黄昊宇