Jeffrey Fajutagana 和 Kiana Khey

本文詳細(xì)討論在測(cè)試無線系統(tǒng)期間需要考慮的重要因素，尤其是涉及時(shí)序和同步的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試，還講述了在特定的誤差余量?jī)?nèi)，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)模塊之間無線傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，這些因素有多重要。本文中討論的因素將有助于開發(fā)測(cè)試用例，這些測(cè)試用例將確定功能性和非功能性規(guī)格、系統(tǒng)邊界和漏洞，以確保構(gòu)建高度可靠和同步的無線系統(tǒng)。

簡(jiǎn)介

無線技術(shù)的迅速發(fā)展開啟了無線通信的新紀(jì)元。它幾乎無處不在，對(duì)通信、醫(yī)療健康、汽車和空間探索行業(yè)等不同領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展產(chǎn)生了重大影響。該市場(chǎng)已然成熟，且正在經(jīng)歷一個(gè)充滿活力的增長(zhǎng)時(shí)期。2019年，其收入為14313億美元，預(yù)計(jì)到2024年，這個(gè)數(shù)值將增長(zhǎng)到55194億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為31%。無線技術(shù)仍在不斷發(fā)展，將會(huì)實(shí)現(xiàn)更高的準(zhǔn)確性、更高的運(yùn)營(yíng)效率、更快的決策速度、更高的數(shù)據(jù)速率和更多成本節(jié)省，繼續(xù)開辟更多的可能性。但是，隨著這些器件的功能不斷增加，無線系統(tǒng)級(jí)測(cè)試環(huán)境的復(fù)雜性也隨之增大。

準(zhǔn)確的時(shí)序和同步是保證無線系統(tǒng)正常工作的基本要求。這是指在給定的公差內(nèi)，匹配系統(tǒng)中的發(fā)射機(jī)時(shí)鐘和接收機(jī)時(shí)鐘的過程。它們用于確保最高的數(shù)據(jù)包完整性和優(yōu)化數(shù)據(jù)流，在實(shí)施無線系統(tǒng)測(cè)試和開發(fā)時(shí)，我們應(yīng)始終重點(diǎn)考慮這些因素。但是，要滿足這些要求是很困難的，因?yàn)闀r(shí)鐘源會(huì)漂移，這一點(diǎn)廣為人知。即使是幾毫秒的微小漂移，也會(huì)隨時(shí)間不斷累積增大，導(dǎo)致系統(tǒng)喪失同步。只有在時(shí)鐘完全匹配的時(shí)候，才能實(shí)現(xiàn)完全同步的無線系統(tǒng)。但實(shí)際上，這非常困難。漂移是時(shí)鐘的固有特性，會(huì)導(dǎo)致時(shí)鐘計(jì)數(shù)時(shí)間出現(xiàn)偏差，最終導(dǎo)致不同步。

同步不良的系統(tǒng)可能導(dǎo)致傳輸性能降低，進(jìn)而降低所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的質(zhì)量。此外，它還可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)完整性喪失，導(dǎo)致操作失敗，在可能影響健康、安全和人身安全的應(yīng)用中，上述這些問題將非常關(guān)鍵。在這些應(yīng)用中造成負(fù)面影響可能導(dǎo)致需要承擔(dān)法律責(zé)任，且會(huì)喪失客戶的信任。

鑒于對(duì)精確同步系統(tǒng)的需求如此之大，我們可以根據(jù)要求，例如精度和移動(dòng)程度，使用多種同步技術(shù)。它們分別是：

基于發(fā)射機(jī)-接收機(jī)的同步

圖1. 基于發(fā)射機(jī)-接收機(jī)的同步。

基于接收機(jī)-接收機(jī)的同步

圖2. 基于接收機(jī)-接收機(jī)的同步。

延遲測(cè)量同步

圖3. 延遲測(cè)量同步。

基于發(fā)射機(jī)-接收機(jī)的同步是一種雙向信息交換。傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)序同步協(xié)議(TPSN)就是這樣一個(gè)示例。在TPSN中，網(wǎng)絡(luò)同步是通過在節(jié)點(diǎn)之間發(fā)送和接收同步脈沖數(shù)據(jù)包實(shí)現(xiàn)的。會(huì)用時(shí)間戳標(biāo)記每次傳輸?shù)臅r(shí)間偏移并加以計(jì)算，以確定時(shí)鐘時(shí)間差，然后用于實(shí)施節(jié)點(diǎn)同步。

基于SFD的同步使用單向信息交換。參考廣播同步(RBS)使用這種同步。

延遲測(cè)量同步和基于接收機(jī)-接收機(jī)的同步一樣，也是一種單向信息交換；但是，它用于測(cè)量延遲。延遲測(cè)量時(shí)間同步(DMTS)就是這樣一個(gè)示例。

接下來我們將詳細(xì)討論使用TPSN的無線系統(tǒng)中使用的不同的時(shí)序和同步參數(shù)，每個(gè)參數(shù)如何影響系統(tǒng)的整體功能，以及如何配置這些參數(shù)，確保實(shí)現(xiàn)更可靠的同步系統(tǒng)。此外，在執(zhí)行無線系統(tǒng)級(jí)測(cè)試期間，這些參數(shù)將有助于識(shí)別與時(shí)序和同步相關(guān)的漏洞和系統(tǒng)邊界。

時(shí)序和同步參數(shù)

同步參考

無線電讓軟件能夠使用同步參考點(diǎn)來準(zhǔn)確安排發(fā)射和接收命令。以參考點(diǎn)作為基準(zhǔn)，按正偏移計(jì)劃事件，在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間實(shí)現(xiàn)同步。以下是無線系統(tǒng)中常用的參考點(diǎn)：

立即同步

同步參考點(diǎn)在處理同步命令(set_sync_ref(NOW))時(shí)置位。

圖4顯示被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包與被命令(set_sync_ref(NOW))設(shè)置的參考點(diǎn)之間的關(guān)系。

圖4. 立即同步。

同步SFD

同步參考點(diǎn)在幀開始(SOF)時(shí)置位，表示檢測(cè)到有效的同步字。

發(fā)送命令(set_sync_ref(SFD))之后，會(huì)在命令被發(fā)送之后檢測(cè)到首個(gè)幀開始(SFD)時(shí)置位參考點(diǎn)。在圖5中，第2個(gè)發(fā)射數(shù)據(jù)包是以SFD參考點(diǎn)為基準(zhǔn)進(jìn)行傳輸。

圖5. 同步SFD。

同步最新

在這個(gè)同步模式下，同步參考點(diǎn)在每個(gè)SOF時(shí)置位。如圖6所示，對(duì)于后續(xù)收到的每個(gè)有效數(shù)據(jù)包同步字，同步參考會(huì)更新到最新的SOF的時(shí)間戳?xí)r間。

圖6. 同步最新。

使用這些同步模式可以在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)同步。但是，需要注意的是，硬件時(shí)鐘以漂移而聞名，這導(dǎo)致其頻率隨時(shí)間變化，由此導(dǎo)致不準(zhǔn)確。所以，在任何給定時(shí)點(diǎn)，時(shí)鐘都可能不相同。不斷更新發(fā)送和接收時(shí)鐘的同步參考，最大限度地減少偏斜和偏移效應(yīng)。

時(shí)間偏移

時(shí)間偏移是指當(dāng)前時(shí)間與時(shí)間捕獲或同步參考開始時(shí)的時(shí)間差。在發(fā)送或接收時(shí)，會(huì)使用這個(gè)參數(shù)。

最小時(shí)間偏移開始是立即執(zhí)行發(fā)送/接收命令所需的最短時(shí)間。我們基于API和無線電固有的延遲來計(jì)算這個(gè)參數(shù)。如果數(shù)值比這個(gè)值更小，會(huì)導(dǎo)致調(diào)度錯(cuò)誤，使得發(fā)射/接收操作失敗。

圖7. 時(shí)間偏移。

圖8顯示一種場(chǎng)景，其中使用的時(shí)間偏移小于最小允許時(shí)間，導(dǎo)致命令被調(diào)度至已經(jīng)過去的時(shí)間。

圖8. 在超出設(shè)置偏移以外的時(shí)間調(diào)度數(shù)據(jù)包。

執(zhí)行兩個(gè)連續(xù)的發(fā)射和接收命令（發(fā)射-發(fā)射或接收-接收）時(shí)，如果兩個(gè)命令都使用單個(gè)時(shí)間參考，那么第一個(gè)數(shù)據(jù)包的大小是確定用于成功執(zhí)行第二個(gè)命令所需的時(shí)間偏移量的重要因素。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度增加時(shí)，第二個(gè)命令的時(shí)間偏移量也必須增加，以確保能成功執(zhí)行該命令。如果使用的時(shí)間偏移量小于可允許的最小時(shí)間偏移量，則會(huì)在仍在執(zhí)行第一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)調(diào)度第二個(gè)數(shù)據(jù)包，導(dǎo)致操作失敗。如圖9所示。

圖9. 使用時(shí)間偏移調(diào)度數(shù)據(jù)包。

最大時(shí)間偏移量

最大時(shí)間偏移量用于防止在設(shè)置時(shí)間外調(diào)度數(shù)據(jù)包。因?yàn)闀r(shí)鐘漂移，調(diào)度偏離同步參考太遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)包會(huì)導(dǎo)致調(diào)度不準(zhǔn)確，進(jìn)而導(dǎo)致信號(hào)檢測(cè)超時(shí)或SOF超時(shí)。我們將在超時(shí)章節(jié)詳細(xì)進(jìn)探討這些超時(shí)。

周轉(zhuǎn)時(shí)間

周轉(zhuǎn)時(shí)間是指物理層(PHY)從接收模式變更為發(fā)射模式（反之亦然）所需的時(shí)間。在周轉(zhuǎn)時(shí)間內(nèi)，模擬RF前端中的組件通電并達(dá)到穩(wěn)定，這需要很長(zhǎng)時(shí)間。這種時(shí)間消耗對(duì)低延遲反饋應(yīng)用來說會(huì)更加重要，例如工業(yè)系統(tǒng)中的工藝控制環(huán)路，其中涉及遠(yuǎn)程控制機(jī)械手臂或其他機(jī)器。周轉(zhuǎn)時(shí)間僅適用于半雙工收發(fā)器。

如果用戶需要在傳輸接收包之后，在物理層再次就緒時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)包，就會(huì)使用周轉(zhuǎn)時(shí)間（反之亦然）。

圖10顯示兩個(gè)數(shù)據(jù)包：接收包和發(fā)射包。在這個(gè)場(chǎng)景中，sched_rx_packet(0)使收發(fā)器準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)包。在本示例中，偏移量設(shè)置為0，這意味著收發(fā)器會(huì)在物理層就緒之后，即刻開始接收數(shù)據(jù)包。接收數(shù)據(jù)包期間，sched_tx_packet(0)命令被發(fā)送，導(dǎo)致物理層切換至周轉(zhuǎn)狀態(tài)。軟件將接收操作完成作為參考點(diǎn)來調(diào)度發(fā)射數(shù)據(jù)包，然后添加周轉(zhuǎn)時(shí)間值。

圖10. 采用周轉(zhuǎn)時(shí)間的數(shù)據(jù)包調(diào)度。

圖11顯示軟件中未設(shè)置周轉(zhuǎn)時(shí)間時(shí)會(huì)發(fā)生什么情況。由于沒有設(shè)置周轉(zhuǎn)時(shí)間值，調(diào)度程序設(shè)置在第一個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸完成后即刻開發(fā)發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)包。調(diào)度程序不知道物理層尚無法進(jìn)行發(fā)射/接收，因?yàn)樗€需要更改其狀態(tài)，導(dǎo)致無法成功傳輸下一個(gè)數(shù)據(jù)包。

圖11. 不采用周轉(zhuǎn)時(shí)間的數(shù)據(jù)包調(diào)度。

這說明了設(shè)置周轉(zhuǎn)時(shí)間的重要性。如果不進(jìn)行設(shè)置，用戶將無法知道在發(fā)送期間調(diào)度的接收能否成功執(zhí)行（反之亦然）。周轉(zhuǎn)時(shí)間值應(yīng)基于物理層從物理層發(fā)送狀態(tài)轉(zhuǎn)換到物理層接收狀態(tài)所需的時(shí)長(zhǎng)決定。本場(chǎng)景對(duì)射頻器件從發(fā)送狀態(tài)頻繁切換到接收狀態(tài)（反之亦然）的用例至關(guān)重要。

數(shù)據(jù)包之間的時(shí)間間隔

數(shù)據(jù)包之間的時(shí)間間隔是指前一個(gè)幀的最后一位和下一個(gè)幀的第一個(gè)位之間的時(shí)間間隔。與周轉(zhuǎn)時(shí)間一樣，數(shù)據(jù)包之間的時(shí)間間隔被用作參考，用于確定在發(fā)送/接收另一個(gè)數(shù)據(jù)包期間，發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)間間隔。區(qū)別在于，數(shù)據(jù)包之間的時(shí)間間隔是用于同類型的兩個(gè)數(shù)據(jù)包（發(fā)送-發(fā)送或接收-接收）之間。收發(fā)器需要使用數(shù)據(jù)包之間的時(shí)間間隔來讓物理層為下一個(gè)數(shù)據(jù)包做好準(zhǔn)備。

圖12顯示兩個(gè)數(shù)據(jù)包：發(fā)射包和發(fā)射包。在這個(gè)場(chǎng)景中，命令 sched_tx_packet(0)使收發(fā)器準(zhǔn)備好立即發(fā)送數(shù)據(jù)包。在第一個(gè)數(shù)據(jù)包尚未發(fā)送完成時(shí)發(fā)送另一個(gè)sched_tx_packet(0)命令，會(huì)導(dǎo)致調(diào)度程序設(shè)置在當(dāng)前數(shù)據(jù)包發(fā)送完成后，立即開始發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)包。調(diào)度程序?qū)?shù)據(jù)包之間的時(shí)間間隔用作參考，用于確定何時(shí)發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)包。其值由物理層的下降或上升時(shí)間決定。這用于確保物理層已準(zhǔn)備好進(jìn)行下一輪數(shù)據(jù)包發(fā)送/接收。

圖12. 采用數(shù)據(jù)包之間的時(shí)間間隔的數(shù)據(jù)包調(diào)度。

圖13顯示在未設(shè)置數(shù)據(jù)包之間的時(shí)間間隔時(shí)發(fā)生的錯(cuò)誤。調(diào)度程序設(shè)置下一個(gè)數(shù)據(jù)包在第一個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送/接收完成后立即開始發(fā)送。但是，與周轉(zhuǎn)時(shí)間相同，調(diào)度程序并不知道物理層尚未準(zhǔn)備好進(jìn)行另一輪發(fā)送/接收。

圖13. 不采用數(shù)據(jù)包之間的時(shí)間間隔的數(shù)據(jù)包調(diào)度。

超時(shí)

在無線系統(tǒng)中，超時(shí)用于防止器件無限等待響應(yīng)。超時(shí)設(shè)置了允許器件等待有效響應(yīng)的時(shí)間。如果在該時(shí)間段內(nèi)沒有收到有效響應(yīng)，將報(bào)告一個(gè)錯(cuò)誤。最常見的超時(shí)類型如下：

幀開始超時(shí)

檢測(cè)到無效同步時(shí)，會(huì)發(fā)生SOF超時(shí)。當(dāng)SOF定時(shí)器在接收到同步字之前過期時(shí)，也會(huì)發(fā)生SOF超時(shí)。

圖14顯示在SOF定時(shí)器周期內(nèi)檢測(cè)到的有效同步地址，圖15顯示在分配時(shí)間內(nèi)未檢測(cè)到有效同步地址時(shí)，發(fā)生SOF超時(shí)的場(chǎng)景。

圖15. 因?yàn)橥降刂窡o效，導(dǎo)致SOF超時(shí)錯(cuò)誤。

信號(hào)檢測(cè)超時(shí)

在SD周期內(nèi)未檢測(cè)到有效前同步碼，或者定時(shí)器在接收前同步碼之前過期，此時(shí)會(huì)發(fā)生信號(hào)檢測(cè)超時(shí)。分別如圖16和17所示。

圖16. 因?yàn)閿?shù)據(jù)包傳輸延遲，導(dǎo)致SD超時(shí)。

圖17. 因?yàn)槲礄z測(cè)到數(shù)據(jù)包，導(dǎo)致SD超時(shí)錯(cuò)誤。

圖18顯示在定時(shí)器周期內(nèi)檢測(cè)到有效的前同步碼的場(chǎng)景；所以，未檢測(cè)到超時(shí)。

圖18. 無SD超時(shí)。

設(shè)置正確的超時(shí)周期是非常重要的。超時(shí)時(shí)間不能太短或太長(zhǎng)。如果超時(shí)時(shí)間太短，會(huì)導(dǎo)致雜散檢測(cè)，也就是存在有效數(shù)據(jù)包，但因?yàn)槌瑫r(shí)時(shí)間太短，沒有足夠的時(shí)間去檢測(cè)。延長(zhǎng)超時(shí)時(shí)間會(huì)降低雜散超時(shí)的次數(shù)，但會(huì)導(dǎo)致器件更長(zhǎng)時(shí)間處于激活狀態(tài)，這會(huì)消耗和浪費(fèi)更多功率。

結(jié)論

對(duì)于無線系統(tǒng)，時(shí)間同步是一個(gè)非常重要的元素，尤其是對(duì)于極為重視數(shù)據(jù)完整性的應(yīng)用。有許多因素會(huì)影響到系統(tǒng)同步，充分了解時(shí)序參數(shù)的相關(guān)性和特點(diǎn)有助于工程師開發(fā)并對(duì)高度可靠的無線系統(tǒng)執(zhí)行無線系統(tǒng)級(jí)測(cè)試。

審核編輯：郭婷