移动终端WLAN接收机最小输入电平项目分析

【摘要】随着WAPI产业的日渐成熟,WLAN网络获得了强有力的安全保障,国内移动用户终端WLAN功能进网检验已全面开展。文章针对其射频方面检验项目――接收机最小输入电平展开讨论,详细分析该检验项目的指标要求、测试原理及测试方法。

【关键词】WLAN WAPI 移动用户终端 接收机最小输入电平

1 引言

近年来,随着移动多媒体时代的到来,手机逐渐从简单的通话工具向智能化工具发展,尤其是在国内3G牌照发放后,移动通信网与无线局域网(WLAN)的融合已成为一种必然趋势,手机用户使用WLAN网络的安全问题迫在眉睫。鉴于IEEE 802.11定义的安全标准存在国际公认的严重安全漏洞和结构性缺陷等问题,我国自主研发了一种用于提供无线局域网中身份鉴别和数据机密性的安全接入技术标准――无线局域网鉴别与保密基础结构(WAPI)。2009年4月,工业和信息化部宣布今后国内所有2G和3G手机都可以使用WAPI技术,并提出了具体的参考标准及检测项目。

标准对移动用户终端WLAN技术要求进行了详细规定,包括空中接口物理层、功能、性能等多个方面。进网检验需要对其中关键的12个项目进行测试,是对国内市场的移动终端支持WLAN功能的最基本要求,主要有接收机最小输入电平、扫描AP功能、同一AS域内AP间切换功能、WLAN信息显示功能、WAPI安全功能(7项)、无线接口吞吐量等检验项目。文章重点针对接收机最小输入电平检验项目展开讨论,根据项目指标要求,详细分析其测试原理,并给出具体的测试方法。文章所阐述的测试方法可应用于标准中规定的其他接收机相关检验项目。

2 指标要求

接收机最小输入电平定义为FER或PER不超过限值时的输入电平值,针对不同的传输速率规定了相应的指标要求,具体如下:

(1)对于GB 15629.11-2003中规定的2Mbit/s DQPSK调制,输入电平为-80dBm,MPDU长度为1024个八位位组时,FER应小于8×10-2。

(2)对于GB 15629.1102-2003中规定的11Mbit/s CCK调制,输入电平为-80dBm,PSDU长度为1024个八位位组时,FER应小于8×10-2。

(3)对于GB 15629.1104-2006中规定的OFDM、DSSS-OFDM方式,输入电平为表1中规定的接收机最小输入电平,当PSDU长度为1000个八位位组时,PER应小于10%。

3 测试原理

进行接收机最小输入电平检测时,被测手机(DUT)应工作在正常网络模式,即使用具有接入点(AP)参与的基础结构型网络环境。根据该检测项目的指标要求,测试时需要计算FER或PER,按照WLAN工作原理,可以通过统计被测手机在正常网络连接状态时回应的ACK信息来获得FER或PER值,这里详细介绍基础结构型网络下与实现此功能相关的工作原理与技术细节。

3.1 WLAN通信机制

由于无线信道的不确定性,和有线网络链路层协议不同,国际通用的IEEE 802.11定义的无线局域网标准采用肯定确认机制,所有发送出去的帧都必须得到响应,如图1所示。整个过程被视为单一的不可分割的操作,只要图中任何一个步骤失败,则整个操作被视为失败。数据帧的发送者必须收到响应,否则该帧即被视为已经丢失,需要予以重传。

图1 WLAN肯定确认机制

使用无线网络之前,工作站(STA)首先必须找出网络的存在,在所在区域识别现有网络的过程称为“扫描”,分为“主动扫描”和“被动扫描”两种方式。使用主动扫描时,STA在每个信道上都会发出探询请求(Probe Request)帧来请求某个特定网络予以回应,而如果网络收到搜寻其所属的基本服务集的Probe Request,就会发出探询回应(Probe Response)帧。STA使用主动扫描方式获得网络资源信息的通信过程示例如图2所示。STA与AP网络建立关联,并进行必要的安全认证之后,STA接收到AP发送给它的数据信息后,需要回应ACK帧。

按照上述WLAN通信机制,可以使被测手机与WLAN测试系统进行关联后,WLAN测试系统向被测手机定期持续发送一定数目的数据包,进而采用统计被测手机返回的ACK包数量的方式计算FER或PER值。

3.2 节能方式

WLAN网络中,信标(Beacon)帧对于电池节能起到了至关重要的作用,Beacon帧主要是用来声明某个网络的存在,并实时调整加入该网络所必需的参数。在基础结构型网络中,AP负责传送Beacon帧,Beacon帧所覆盖的范围即为基本服务区域。

首先被动扫描可以节省电池的电力,因为在这种方式下STA不需要发送任何信号。STA只需在信道列表所列的各个信道之间不断切换并侦听Beacon帧,并从Beacon帧中获知其所在的基本服务集的相关信息。

在进行数据通信时,AP在电源管理上扮演着关键性的角色,主要具有两项任务:其一,因为AP知道所关联的每个STA的电源管理状态,因此只要该STA处于“活跃(active)”状态,AP即可判断应该将帧发送至无线网络,否则就为之缓存帧;其二,具有缓存帧时,定期通过Beacon帧声明有数据需要传送的STA信息。移动式STA在节能模式下,可以休眠一段时间不去使用无线网络接口,但必须定期醒来进入活跃状态接收Beacon帧以确定AP是否为之缓存数据,如果确认AP为之缓存了数据,则可以使用PS-Poll帧获得这些数据。STA只是定期开启接收器侦听缓存状态远比周期性发送轮询帧所耗费的电力要少得多,除非接收到必要的通知,否则STA根本不用耗费电力来启动发送器发送轮询帧。STA处于节能模式时从AP获取数据帧的流程见图3所示,假设STA从睡眠状态醒来后通过接收AP发送的Beacon帧得知AP为之缓存了两帧数据。

综上分析,如果被测手机工作在节能模式,将不会及时处理WLAN测试系统发送的数据信息,无法按照“发送数据-返回ACK”的模式进行工作,于是在节能模式下将无法通过统计回复的ACK信息来计算FER或PER值。因此,进行FER或PER测试时,应关闭DUT的节能模式。

4 测试方法

综上分析,设计的接收机最小输入电平测试系统如图4所示。具体的测试方法为:通过控制台控制WLAN测试系统工作在指定的信道、数据速率,使DUT工作在正常WLAN网络模式、关闭WLAN节能模式,并与WLAN测试系统建立连接。控制WLAN测试系统循环发送指定信道、指定数据速率的信号,数据信息应包含DUT的MAC地址及接入点的BSSID信息,控制台统计WLAN测试系统接收到的DUT返回的ACK信息,计算本次循环的FER或PER值,如果在指标要求范围内,降低信号发射功率重复上述过程,直至FER或PER最接近且不超过指标要求时,计算得到DUT的接收机最小输入电平。

进网检测需要在最低、中间、最高三个信道下(详见表2),针对指标要求的所有数据速率进行测试,并满足指标要求。

5 结束语

自从国内移动用户终端WLAN进网测试开展以来,各手机制造商纷纷推出其具备WLAN功能并支持WAPI安全机制的上市手机,已有几十款手机通过测试。随着3G+WLAN网络的日渐融合,无缝切换、资源共享等是“水到渠成”的结果,定将吸引更多的移动用户使用3G+WLAN网络,而WAPI机制提供了不可或缺的安全保障。

参考文献

[1]YDC 079-2009.移动用户终端无线局域网技术指标和测试方法[S]. 中华人民共和国工业和信息化部,2009.

[2](美)加斯特(Gast, M. S.)著,O'Reilly Taiwan公司编译. 802.11无线网络权威指南(第二版)[M]. 南京:东南大学出版社, 2007.

[3]GB 15629.11-2003. 信息技术系统间远程通信和信息交换局域网和城域网特定要求第11部分:无线局域网媒体访问控制和物理层规范[S]. 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,2003.

[4]GB 15629.1102-2003.信息技术系统间远程通信和信息交换局域网和城域网特定要求第11部分:无线局域网媒体访问控制和物理层规范:2.4GHz频段较高速物理层扩展规范[S]. 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 2003.

[5]GB 15629.1104-2006.信息技术系统间远程通信和信息交换局域网和城域网特定要求第11部分:无线局域网媒体访问控制和物理层规范:2.4GHz频段更高数据速率扩展规范[S]. 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会,2006.

【作者简介】

温 蕾:工业和信息化部电信研究院泰尔实验室工程师,北京邮电大学通信与信息系统专业硕士,主要从事移动通信产品的测试和标准研究工作。

张 翔:工业和信息化部电信研究院泰尔实验室无线通信部主任,毕业于北京邮电大学无线工程专业,主要从事移动通信、无线接入领域相关技术的研究工作。

贺 鹏:工业和信息化部电信研究院泰尔实验室无线通信部主任,清华大学通信与信息系统专业硕士,主要从事移动通信、无线接入领域相关技术的研究工作。