Le sfide del collaudo di Ieee 802.11ac

L'evoluzione dello standard wireless Ieee 802.11ac rappresenta una sfida continua per coloro che si occupano di test e misure nei sistemi wireless. I prodotti basati sullo standard Ieee 802.11ac continuano ad aggiungere sistemi di modulazione con densità maggiori, larghezze di banda più ampie e antenne Mimo (Multiple input, multiple output). Per il collaudo di questi prodotti sono dunque necessari strumenti di test con prestazioni elevate e strategie di misura.

Gli standard per la comunicazione wireless
A partire dal rilascio nel 1997, la famiglia degli standard per la comunicazione wireless Ieee 802.11 si è evoluta per offrire trasferimenti dati sempre più veloci: 2 Mb/s nel 1997 e quasi 7 Gb/s oggi. Nel 2012 diverse modifiche dell'Ieee 802.11 furono inglobate in un unico standard, contenente tecnologia Dsss (Direct-sequence-spread-spectrum), Ofdm (Orthogonal-frequency-division-multiplexing) e specifiche Ht (Hhigh-throughput). Si è aperta così la strada per il rilascio imminente dell'Vht (Very-high-throughput) Ieee 802.11ac. Mentre l'Ht ha aumentato la velocità di trasmissione massima di un ordine di grandezza rispetto alla modulazione Ofdm, la versione Vht incrementa la velocità di trasmissione dati massima di un ulteriore ordine di grandezza. Un risultato importante nelle versioni Ieee 802.11 del 2012 è stato il cambio della nomenclatura rispetto al passato. Anche se l'industria wireless si è sempre riferita alle tecnologie Wi-Fi modificando una lettera (ad esempio, Ieee 802.11a o Ieee 802.1g), si è scelto di rinominare queste tecnologie e chiamarle Dsss, Ofdm, ecc. Dal 1997, ogni modifica allo standard 802.11 è stato un tentativo di velocizzare la trasmissione dei dati rispetto alle generazioni precedenti. Come abbiamo visto con l'Ht, la velocità di trasferimento dati viene incrementata mediante diversi meccanismi: un maggior numero di flussi spaziali attraverso l'utilizzo della tecnologia Mimo, larghezze di banda con canali più ampi (di conseguenza più sottoportanti per i dati) e addirittura tassi di codifica più elevati.

I vantaggi del Very-high-throughput
Il modello Vht genera una velocità di trasferimento dati massima di circa un ordine di grandezza superiore rispetto all'Ht e di due ordini rispetto a Ofdm. Il Vht permette l'utilizzo di canali con larghezze di banda da 160 MHz, quattro volte più ampie della larghezza di banda massima da 40 MHz proposta da HT e otto volte superiori alla larghezza di banda da 20 MHz fornita da Ofdm. Le larghezze di banda più ampie permettono di gestire un numero maggiore di sottoportanti. La tecnologia Vht, inoltre, utilizza una concentrazione di supporto per dati per larghezza di banda leggermente più alta rispetto ad HT e Ofdm. Ad esempio, in un canale Vht da 160-MHz il 91.4% (468/512) delle sottoportanti sono dati sottoportanti contro il 75% (48/64) dell'Ofdm. L'aumento dei flussi spaziali, da Ofdm a Vht, rappresenta uno dei principali contributi per la velocità di trasmissione dati massima. L'aumento dei flussi spaziali, grazie all'uso della tecnologia Mimo, è quadruplicato rispetto all'Ofdm, che dispone di un sistema Siso (Single-input, single-output) e l'HT con un sistema di antenne Mimo 4 x 4 (4 x 4 multiple-input, multiple-output). Il Vht raddoppia il numero dei flussi spaziali ulteriormente, passando da 4 ad 8. Infine, l'ultima grande innovazione, passando da Ofdm a HT fino a Vht, è la maggiore complessità dello schema di modulazione/codifica. L'HT ha introdotto, ad esempio, il tasso di codifica 5/6 con l'utilizzo di uno schema di modulazione da 64Qam, aumentando del 11% il data rate rispetto al tasso di codifica 3/4 dell'Ofdm e mantenendo tutto il resto uguale. Il sistema Vht ha aggiunto lo schema di modulazione 256Qam, con un aumento del 33% del numero di bit per simbolo, dovuto alla modulazione di ordine superiore impiegata. I notevoli progressi nel modello Vht a livello di velocità di trasmissione vanno, però, a scapito delle prestazioni e delle esigenze delle apparecchiature di test più complesse. L'accuratezza della modulazione, ad esempio, necessaria ai dispositivi per poter impiegare schemi più complessi, come il 256Qam, richiede sistemi di test RF per ottenere maggiore linearità e prestazioni migliori in termini di rumore di fase rispetto alle iterazioni precedenti. Nello specifico, per le misure chiave dei trasmettitori, come l'Evm (Error vector magnitude) è necessario prestare particolare attenzione alle varie impostazioni dell'analizzatore di segnali RF utilizzato per misurare il trasmettitore.

L’Error vector magnitude
Misurare l'accuratezza di modulazione di un trasmettitore è una delle fasi più importanti per garantire le prestazioni desiderate. La figura chiave solitamente considerata, in riferimento alla precisione di modulazione, è l'Evm. Per comprendere una misura Evm, è necessario, prima di tutto, capire che i segnali possono essere rappresentati nel piano cartesiano come coordinate polari. Ogni "stato" del vettore trasmesso viene chiamato "simbolo" e impiegato per comunicare un unico flusso digitale di bit. Per gli schemi di modulazione, come il 16Qam mostrato in Fig. 1, ad ogni simbolo è associato un singolo flusso di bit con quattro bit logici unici. Per trasmettere un flusso di bit di un messaggio digitale, si divide il messaggio in gruppi di 4 bit e il trasmettitore genera un simbolo alla volta alla frequenza del simbolo indicato. Dall'altra parte, un ricevitore decodifica ciascun simbolo e - applicando la mappatura del simbolo corretta - ricostruisce il flusso di bit originale. Con gli schemi di modulazione sempre più complessi (da 16Qam fino a 256Qam), la fase relativa e la differenza in ampiezza tra i simboli adiacenti diventa minore. La misura Evm è il parametro principale per la qualità della modulazione; è definito come il rapporto tra un "vettore errore" e un "vettore di ampiezza". Il "vettore errore" può essere descritto graficamente come la differenza, in termini di ampiezza e fase, misurata del simbolo, rispetto la sua posizione ideale. Il valore di questa differenza vettoriale è noto come Evm. Per misurare l'Evm, è necessario un analizzatore di segnali vettoriali, in grado di misurare sia l'ampiezza che la fase dei segnali ricevuti. A livello pratico, per misurare con precisione la trasmissione Evm di un dispositivo Ieee 802.11ac bisogna prestare particolare attenzione al rapporto segnale/rumore o Snr dell'analizzatore di segnali RF. La specifica Ieee 802.11ac necessita di un trasmettitore con un valore Evm di -32 dB e di strumenti di test in grado di misurare un Evm di 10 dB superiore (-42 dB). Il PAPR (peak-to-average power ratio) elevato dei segnali Ofdm (spesso fino a 13 dB), utilizzato nell'Ieee 802.11ac, ha bisogno di un analizzatore di segnali con un Snr di oltre 60 dB. Di conseguenza, per definire il trasmettitore è necessario massimizzare l'Snr dell'analizzatore. Impostare correttamente il livello di riferimento dell'analizzatore di segnali è uno dei modi più semplici per portare al massimo l'Snr dello strumento di misura. Molti strumenti impostano i livelli automaticamente e sono in grado di determinare in modo dinamico l'ampiezza massima dei segnali Ieee 802.11, adeguando il livello di riferimento. Questa opzione, quando le misure sono automatiche, va a scapito però dei tempi di misura. Con i tempi di misura più lunghi dei segnali Vht, dovuti a regimi di modulazione più densi, è consigliabile impostare il livello di riferimento manualmente, così da recuperare il tempo perso nell'automazione. Sfruttare al massimo le prestazioni Evm e comprendere il Papr del segnale stesso è un buon inizio per determinare il livello di riferimento. La maggior parte dei segnali Ofdm ha un Papr che può oscillare tra 10 e 12 dB. Gran parte degli analizzatori di segnali RF, inoltre, è progettata in modo da avere un livello massimo di saturazione di 6 o 8 dB superiore al livello di riferimento. Di conseguenza, il livello di riferimento ideale di un classico analizzatore di segnali è solitamente di 4 o al massimo 8 dB oltre la potenza media del segnale. Se il livello di riferimento è troppo basso si assisterà alla saturazione del segnale acquisito e ad una degradazione del valore Evm misurato. Se il livello di riferimento è troppo alto, il rumore di fondo dell'analizzatore influenzerebbe il risultato della misura, degradando anche il valore di Evm.

Il ricetrasmettitore di segnali vettoriali PXIe-5644R
Per illustrare questo punto, è stato utilizzato il ricetrasmettitore di segnali vettoriali PXIe-5644R di National Instruments, in grado di generare e analizzare un segnale Ieee 802.11ac, i vari indici Mcs (Modulation-and-coding-scheme) e le larghezze di banda dei canali. Il modello PXIe-5644R è un generatore di segnali e un analizzatore, in formato PXI. L'intervallo di frequenza va da 65 MHz a 6 GHz, con una larghezza di banda istantanea di 80-MHz e un rumore di fondo di -161 dBm/Hz. L'uscita del generatore del ricetrasmettitore è stata collegata direttamente all'ingresso dell'analizzatore su scheda. Mentre il generatore di segnali produce il segnale Ieee 802.11ac a un livello di potenza costante, vengono eseguite una serie di misure per l'accuratezza della modulazione, variando il livello di riferimento. L'asse x corrisponde alla differenza tra il livello di riferimento e la potenza media del pacchetto, in dB. Il segno 0-dB rappresenta il livello di riferimento ed è uguale alla potenza media del pacchetto. I numeri negativi corrispondono al livello di riferimento impostato al di sotto del livello di potenza medio, mentre i valori positivi rappresentano il livello di riferimento fissato al di sopra del livello di potenza medio. Il valore Evm degrada notevolmente quando il livello di riferimento è troppo basso, perché la saturazione all'interno dell'analizzatore influenza in modo significativo la qualità della modulazione. Aumentando lentamente il livello di riferimento, il rumore di fondo dello stesso analizzatore diventa il fattore più rilevante per l'incertezza della misura. Il livello di riferimento ideale per questo tipo di segnale è di circa 6 dB in più rispetto alla potenza media e al segnale. I risultati di questo esperimento confermano l'utilizzo di regole empiriche per l'impostazione del livello di riferimento. Il Papr dei segnali Ofdm descritti in precedenza è stato estratto dalla Ccdf (Complementary cumulative distribution function). Potrebbe avere senso impostare il livello di riferimento ideale alla somma tra la potenza media del pacchetto prevista e il Papr, essendo questo il livello massimo del segnale previsto.Anche se il Papr cattura l'indice della potenza massima, come abbiamo visto nel Ccdf, gran parte delle informazioni è contenuta in un insieme di livelli di potenza molto più bassi. Impostando, invece, il livello di riferimento al livello di potenza massimo si elimina l'intervallo dinamico dalla maggior parte dei pacchetti. Dal Ccdf si può vedere che il Papr è di circa 11 dB. Per eseguire misure Evm corrette, il livello di riferimento dovrebbe essere, invece, ottimizzato ad un valore delta più vicino a 7 dB, o a circa 4 dB in meno rispetto alla somma tra la media prevista e il Papr.

Ottimizzare i parametri di misura
Oltre ai requisiti Snr più rigidi per i segnali Ieee 802.11ac, le larghezze di banda più ampie e gli schemi di modulazione più complessi richiedono anche una maggiore elaborazione del segnale durante le misure di demodulazione. Di conseguenza, i tempi di misura per i segnali Ieee 802.11ac aumentano rispetto alle precedenti versioni dello standard. Con i test di misura più lunghi, è opportuno ottimizzare in modo intelligente i parametri di misura con un certo riguardo alla durata e alla qualità delle misure. Uno dei parametri che permette l'accuratezza della modulazione è il numero dei valori medi su cui si basa la misura Evm. Gli standard Ieee 802.11 stabiliscono 10 valori medi per misura, ma questo numero di valori medi può comportare tempi di misura molto più lunghi. Per questo motivo, quando si testa un dispositivo, il trucco è individuare il numero dei valori medi necessari per ottenere la ripetibilità della misura desiderata. La ripetibilità delle misure migliora gradatamente man mano che vengono utilizzati più valori medi per calcolare il risultato delle misure. A livello pratico, la ripetibilità delle misure nell'intervallo di 0,1 dB è sufficiente per la maggior parte delle applicazioni di test automatizzate. Se si dovesse accettare una variazione più ampia, tre valori medi dovrebbero dare buoni risultati richiedendo minor tempo per i test. Viceversa, se la ripetibilità risulta fondamentale, aumentare il numero dei valori medi porterà a risultati più consistenti, ma con tempi di misura più lunghi. Quando si mettono a paragone i risultati di misura di diverse applicazioni, sia i valori Evm che i tempi di test, è importante tener presente anche il numero dei valori medi usati in ciascuna.

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