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一文了解802.11ax高效率无线标准

2018-10-14
关键词: 802.11ax 高效率无线

  概览

  802.11ax,也称为高效无线(HEW),的目标是在密集用户环境中将用户的平均吞吐量提高至少4倍,这一目标极具挑战性。 这一新标准侧重于实现机制,旨在在多用户环境中为更多用户提供一个一致、可靠的数据流(平均吞吐量)。 本文将探讨新兴的机制,使广受欢迎的802.11ax标准成为高效无线的标题。

  在密集用户环境中提高用户吞吐量

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  引言

  2015年,著名的汽车制造商法拉利发布了新版本的入门级车型: the Ferrari California T. 这款时尚跑车配备3.9升涡轮增压V8发动机,能够产生超过412千瓦(553马力)的动力,可在3.6秒钟内从零加速至100公里/小时(0至62英里/小时),这简直是工程界的一大奇迹。 [1]

  法拉利的设计师考虑了发动机、车身和内饰的许多细节,使这款车辆成为日常车型,同时以惊人的速度提供最精确的处理、流体运动和性能。这个伟大设计将大大缩短了每天上下班的时间。 然而,在大城市大部分时间停停走走的拥挤交通状况下,红色法拉利敞篷车又能如何发挥作用呢?

  今天很多人发现自己处于这种情况。驾驶意大利跑车可能不是特权,但是却能够享受快速的无线连接链路。第一个802.11b Wi-Fi标准(1999年)的最高链路速率为11 Mbps。这是很好的开始,但明显慢于有线连接。几年后,随着正交频分复用(OFDM)技术的出现,802.11a/g标准(2003年)将速度提高到54Mbps。

  接下来的链路速度提高归功于802.11n(2009年),为用户提供高达150 Mbps的单流链路。802.11ac标准(2013年)提供了更宽的信道(160MHz)和更高阶的调制(256-QAM),使得单个空间流的链路速度达到866Mbps成为可能。如果使用规定的最高8个空间流,这一工程奇迹的最高速度理论上将达到6.97 Gbps。理论上,使用802.11ac相当于用一台加强马力的法拉利来替代自行车,甚至是替代家庭轿车。

  然而,接近7Gbps的速度可能只能在RF实验室的受控跑到环境中实现。实际上,当用户使用忙碌的机场终端的公共Wi-Fi查看电子邮件时,数据流量通常会令人沮丧。IEEE 802.11无线局域网标准——802.11ax——新修订的版本正是为了改善这一状况。

  802.11ax,也称为高效无线(HEW),的目标是在密集用户环境中将用户的平均吞吐量提高至少4倍,这一目标极具挑战性。这一新标准提供了超过802.11ac的原始链路速度,实现了多种机制,可以在拥挤的无线环境中为更多的用户提供一致且可靠的数据吞吐量。

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  主要特点和应用

  高效无线包括以下主要功能:

  向后兼容802.11a/b/g/n/ac

  在高密度情景下,如火车站、机场和体育馆,将用户平均吞吐量提高4倍。

  与802.11ac类似的数据速率和信道宽度,但采用基于1024-QAM的新调制方案和编码集(MCS 10和11)。

  通过MU-MIMO和正交频分多址(OFDMA)技术指定下行链路和上行链路多用户操作。

  更大型的OFDM FFT(大4倍)、较窄的子载波间隔(近4倍)和更长的符号时间(4倍),以提高多径衰落环境和室外的鲁棒性和性能。

  优化了流量和信道访问

  更好的电源管理,延长电池使用寿命

  高效无线还适用于以下目标应用:

  移动数据卸载: 到2020年,每月将产生38.1埃字节的Wi-Fi卸载流量,而且将持续超过预计的每月移动/蜂窝流量(30.6埃字节)。 [2]这

  相当于每分钟通过这些网络传输6000多部蓝光电影。

  具有多个接入点的环境和具有异构设备的高集中用户(机场Wi-Fi≠家庭Wi-Fi)

  室内/户外混合环境

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  图 1. 802.11ax要部署的场景示例包括具有高用户密度和混合环境的体育场

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  当前密集环境下的Wi-Fi吞吐量挑战

  802.11协议使用载波侦听多路访问(CSMA)方法,其中无线站(STA) 首先感测信道,并且仅当它们感知信道空闲时才会发射信号,以避免冲突。空闲是指无线站没有检测到任何802.11信号。当一个STA检测到另一信道时,它会在随机时间段内等待此STA停止传输,而后再次监听此信道是否将进入空闲状态。当STA能够传输时,他们会传输整个数据包的数据。

  Wi-Fi STA可以使用请求发送/清除发送(RTS/CTS)调解对共享媒体的访问。接入点(AP)每次仅为一个站点签发一个CTS数据包,反过来,STA会将其整帧发送至该AP。 然后,STA等待来自AP的确认字符(ACK),表示已正确接收该数据包。 如果STA没能及时接收ACK,它将假设此ACK数据包与某个传送中的数据包相撞,这时该STA将被移入二进制指数退避阶段。 它会尝试访问媒体并在退避计数器失效时重新传输数据包。

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  图 2. 空闲信道评估协议

  在冲突域范围内所有参与者公平共享信道方面,此空闲信道评估和防冲突协议发挥了良好的作用,但当参与者数量大幅增长时,传输效率就会下降。 另一个导致网络效率低下的因素是存在众多带有重叠服务区的AP。 图3中左图描绘了一个从属于基本服务集(BSS,指一组与某AP相关联的无线客户)的用户(用户1)。 用户1将与另一个BSS集中的用户争夺媒体接入权,然后与其AP交换数据。 但是,此用户仍能够监听来自右侧重叠BSS的通信量。

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  图 3. 因重叠BSS造成的媒体访问效率低下

  在这种情况下,来自OBSS的流量将触发用户1的避退程序。这类情况会造成用户必须等待更长时间才能获得传输机会,大大降低了它们的平均数据吞吐量。

  第三个需要考虑的因素是更宽信道的共享。例如,北美地区的802.11ac运营只有一条160MHz的可用信道,欧洲仅有两条可用信道。

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  4. 5GHz频段的802.11ax信道分配示例

  因此,在信道数量减少的情况下,密集覆盖的规划变得非常困难。 如缺乏准确和审慎的功率管理,用户将会遭遇同信道干扰,这会降低性能,抵消来自更宽信道的大部分预期增益。 这种情况更易出现在MCS 8、9、10和11的最高数据速率情况下,因为此速率更易受到信噪比的影响。 同时,一个用户使用与80 MHz信道重叠的20 MHz信道传输,基本上都会导致80MHz信道无效。 在高度密集网络中执行802.11ac的信道共享会损害用于20 MHz信道传输的80MHz信道增益。

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  高效PHY机制

  PHY变化

  规范为本标准的物理层带来了重大变化。 但该规范仍可向后兼容802.11a/b/g/n和/ac设备,因此802.11ax STA可以与传统STA相互发送或接收数据。 802.11ax STA传输时,这些传统客户还能够解调和解码802.11 ax数据包(但并非整个802.11ax数据包)报头和退避。 下表通过与现行802.11ac标准的执行相对比,突出强调了802.11ax标准此次修订中最重要的变更。

  下表通过与现行802.11ac标准的执行相对比,突出强调了802.11ax标准此次修订中最重要的变更。

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  表1. 802.11ac与802.11ax比较

  注意,802.11ax标准将在2.4GHz和5GHz带宽下运行。 此标准明确定义了四倍大的FFT,乘以副载波的数量。 但是,802.11ax标准提供的一个重要变化是副载波间隔减少到此前802.11修订版中副载波间隔的四分之一,同时保留了现有的信道带宽(图4)。

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  图 5. 较窄的副载波间隔

  OFDM(正交频分多路复用)符号持续时间和循环前缀也增长了四倍,原始链接数据率保持与802.11ac相同,但提高了在室内/户外及混合环境下的效率和稳健性。 但此标准的确规定了室内环境下的1024-QAM和更低的循环前缀比率,这将提升最大数据速率。

  波束形成

  802.11ax将采用类似于802.11ac的显式波束成形过程。 在该过程下,波束形成器利用空数据包启动信道探测程序。 波束形成器会测量信道并使用包含压缩反馈矩阵的波束形成反馈帧进行响应。 波束形成器使用该信息来计算信道矩阵H, 然后使用该信道矩阵将RF能量聚焦到每个用户。

  多用户操作: MU-MIMO和OFDMA

  802.11ax标准有两种工作模式:

  单用户: 在这种顺序模式中,无线STA在安全访问媒介后一次发送和接收一个数据,如上所述。

  多用户: 此模式允许同时运行多个非AP STA。 该标准将此模式进一步分为下行和上行多用户模式。

  下行多用户是指接入点同时为多个相关无线STA提供的数据。 现有的802.11ac标准也包含了此功能。

  上行多用户模式是指数据从多个STA到AP的同步传输。 这是802.11ax标准的新增功能,以往任何版本的Wi-Fi标准皆不具备这项功能。

  在多用户操作模式下,该标准还规定了两种能够在一定区域内多路传输更多用户的方式: 多用户MIMO和正交频分多址(OFDMA)。 在这两种方法中,AP作为中央控制器控制多用户操作的各个方面,这与LTE蜂窝基站控制多个用户的多路复用相似。 802.11ax AP还可将MU-MIMO与OFDMA操作结合起来。

  多用户MIMO

  802.11ax设备借鉴了802.11ac的部署经验,将使用波束成形技术同步将数据包发送至不同空间的用户(图5)。 换言之,AP会计算每个用户的信道矩阵,并同时将波束导向不同的用户——每路波束包含针对其目标用户的特定数据包。 802.11ax一次可支持8个多用户MIMO传输包的发送,而802.11ac一次可支持4个MIMO数据包。 而且,每次MU-MIMO传输都可能有自己的调制和解码集(MCS)和不同数量的空间串流。 以此类推,当使用MU-MIMO空间复用时,接入点会与以太网交换机进行比较,将冲突域从大型计算机网络缩小至单个端口。

  作为MU-MIMO上行方向的新增功能,AP将通过一个触发帧从每个STA发起上行同步传输。 当多个用户及其数据包同时响应时,AP将信道矩阵应用于所接收的波束并将每个上行波束包含的信息分开, 同时它还可能发起上行多用户传输,从而接收来自所有参与STA的波束形成反馈信息(图7)。

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  图 6. AP使用MU-MIMO波束成形为坐落在不同空间位置的多个用户服务

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  图 7. 波束成形AP请求MU-MIMO操作的信道信息

  多用户OFDMA

  802.11ax标准借鉴4G蜂窝技术的技术进步,在相同信道带宽中服务更多用户的另一技术是: 正交频分多址(OFDMA)。 基于802.11ac已经使用的现有正交频分多路复用(OFDM)数字调制方案,802.11ax标准进一步将特定的子载波集分配给个体用户, 即,它将现有的802.11信道(20、40、80和160MHz频宽)分为带有预定义数量的副载波的更小子信道。 802.11ax标准还借用现代LTE术语,将最小子信道称为资源单元(RU),最少包含26个副载波。

  AP依据多个用户的通信需求决定如何分配信道,始终在下行方向分配所有可用的资源单元。 它可能一次将整个信道仅分配给一个用户——与802.11ac当前功能相同——或者它可能对其进行分区,以便同时服务多个用户(图8)。

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  图 8. 使用信道的单个用户与使用正交频分多址的同信道中的多类用户

  在密集用户环境下,许多用户通常无力争夺信道的使用机会,现在正交频分多址使用更小巧——但更具专用性的子信道同时服务多个用户,因此提升了每个用户的平均数据吞吐量。 802.11ax系统可能通过不同的资源单元规模实现信道的多路复用(图9)。 注意,对于每20MHz带宽,信道的最小部分可容纳9个用户。 [4]

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  图 9. 使用多种资源单元规模细分Wi-Fi信道

  下表显示当802.11ax AP和各STA协调用于MU-OFDMA操作时当前能够获得频率多路复用访问权的用户数量。

  表2. 不同信道带宽的RU总数量

  多用户上行操作

  为了协调上行MU-MIMO或上行OFDMA传输,AP需向所有用户发送一个触发帧。 此帧显示了空间流的数量和/或每个用户的OFDMA分配(频率和资源单元的大小)。 它还包含功率控制信息,因此个人用户能够提高或降低他们的传输功率,以便均分AP从所有上行用户接收的功率并提升来自较远节点的各帧的接收。 AP还通知所有用户传输开始和结束的时间。 AP向所有用户发送一个多用户上行触发帧(图10),用于指示整体开始传输的确切时间以及各帧的确切持续时间,以确保各用户同时完成传输。 AP接收到来自所有用户的帧后,会向用户返回一个块确认以结束操作。

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  图 10. 协调上行多用户操作

  802.11ax的主要目标之一是在密集用户环境下将当前平均每位用户的数据吞吐量提升三倍。 基于这一目标,该标准的制定者已明确指出802.11ax设备支持下行和上行MU-MIMO操作,MU-OPDMA操作,或更大数量并发用户的MU-MIMO操作和MU-OPDMA操作。

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  高效MAC机制

  基于色码的空间复用

  为了改善密集部署场景中的系统层级性能以及频谱资源的使用效率,802.11ax标准实现了空间重用技术。 STA可以识别来自重叠基本服务集(BSS)的信号,并根据这项信息来做出媒体竞争和干扰管理决策。

  当正在主动收听媒体的STA侦测到802.11ax讯框时,它就会检查BSS色彩位(Color Bit)或MAC表头文件中的MAC地址。 如果所侦测的协议数据单元(PPDU)中的BSS色彩与所关联AP已公布的色彩相同,STA就会将该帧视为Intra-BSS帧。

  然而,如果所侦测帧的BSS色彩不同,STA就会将该帧视为来自重叠BSS的Inter-BSS帧。 在这之后,只有在需要STA验证帧是否是Inter-BSS帧期间,STA才将媒体当成忙碌中(BUSY)。不过,这段期间不会超过指定的帧负载时间长度。

  尽管标准仍需定义某些机制来忽略来自重叠BSS的流量,在实现上,则可包含提高Inter-BSS帧的空闲信道评估信号检测(SD)阈值,并同时为Intra-BSS流量维持较低的阈值(图11)。 这样一来,来自相邻BSS的通信量就不会产生不必要的信道访问权竞争。

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  图 11. 使用色码进行空闲通道评估

  当802.11ax STA使用基于颜色代码的CCA规则时,也可以调整OBSS信号检测阈值以及发射功率控制。 这种调整提高了系统级性能和频谱资源的使用。 此外,802.11ax STA可以调整CCA参数,例如能量检测级别和信号检测级别。

  除了使用CCA来帮助当前帧确定媒体的忙闲状态之外,802.11标准采用网络分配向量(NAV)来为STA指示媒体传输当前帧所需的时间,以及尝试下一次传输之前需等待的时间,NAV是一种预测未来流量的定时器机制。 NAV充当虚拟载波侦听,确保为对于802.11协议操作(例如控制帧、RTS/CTS交换之后的数据和ACK)至关重要的帧保留媒体。

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  图 12. MU PPDU交换和NAV设定范例

  负责开发高效率无线标准的802.11工作团队可能会在802.11ax标准中包含不止一个NAV字段,很可能采用两个不同的NAV。 同时拥有Intra-BSS NAV和Inter-BSS NAV不仅可协助STA预测自身BSS内的流量,还能让它们在得知重叠流量状态时自由传输。

  通过目标唤醒时间省电

  802.11ax AP可以和参与其中的STA协调目标唤醒时间(TWT)功能的使用,以定义让个别基站访问媒体的特定时间或一组时间。 STA和AP会交换信息,包括预计的活动持续时间。 如此一来,AP就可控制需要访问媒体的STA之间的竞争和重叠情况。 802.11ax STA可以使用TWT来降低能量损耗,在自身的TWT来临之前进入睡眠状态。 另外,AP还可另外设定时间计划并将TWT值提供给STA,这样一来,双方之间就不需要存在独立的TWT协议。 标准将此过程称为"广播目标唤醒时间操作"(见图13)。

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  图 13. 广播目标唤醒时间操作示例

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  802.11ax测试挑战

  更严格的EVM要求

  802.11ax标准现在要求1024-QAM支持。 另外,子载波彼此之间的间隔只有78.125KHz。 这意味着802.11ax设备需要具有更低相位噪声的振荡器,且RF前端具有更好的线性度。 测量DUT行为的测试仪器反过来要求其EVM本底噪声明显低于DUT。

  下表列出了符合802.11ax标准的设备可能必须满足的EVM级别。

  表3. 802.11ax EVM要求

  NI WLAN测试系统将RF矢量信号收发器(VST)与NI WLAN测量套件相结合,以支持802.11ax信号的生成和分析。 该软件支持从BPSK (MCS0)到1024-QAM (MCS10和MCS11)的波形。 此外,NI VST硬件始终为RF特性分析和生产测试需求提供出色的EVM本底噪声测量。

  绝对和相对频率误差

  OFDMA系统对频率和时钟偏移具有非常高的灵敏性。 因此,802.11ax多用户OFDMA性能需要非常严格的频率同步和时钟偏移校正。 这确保所有STA在其分配的子信道内精确地操作,最大程度减少频谱泄漏。 另外,严格的时序要求保证了所有STA在响应AP的MU触发帧时同时发送。

  对于4G LTE系统,基站的一大优势是采用GPS驯服时钟来实现所有相关设备的同步。 然而,802.11ax AP可能不会这样奢侈,它们必须使用其内置振荡器作为参考时钟来保持系统同步。 然后,STA从AP获取的触发帧中提取偏移信息来调整其内部时钟和频率参考。

  802.11ax设备的频率和时钟偏移测试将涉及以下测试:

  绝对频率误差: DUT发送802.11ax帧,测试仪器根据标准参考值测量频率和时钟偏移。 这将与当前802.11ac规范的规定类似,限制值约为±20ppm。

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  图 14. 简单的绝对频率误差测量装置

  相对频率误差: 用于测试参与上行链路多用户传输的非AP STA将其频率调整为与AP的频率一致的能力。 测试过程分为两个步骤。 首先,测试仪器向DUT发送触发帧。 DUT根据从触发帧导出的频率和时钟信息调整自身的频率和时钟。 然后DUT通过频率校正帧进行响应。 测试仪器测量的是这些帧的频率误差。 经过载波频率偏移和定时补偿之后,这些误差的上下限严格保持在大约350 Hz和±0.4μs附近(相对于AP的触发帧)。

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  图 15. 相对频率误差测量装置

  STA电源控制

  与降低频率和时钟误差要求类似,对于所有用户,AP在上行链路多用户传输期间接收的功率不应有很大的差异。 这要求AP控制每个STA的发射功率。 AP可以使用包含每个STA的发射功率信息的触发帧来进行控制。 开发人员可以通过两个步骤测试此功能,方法与频率误差测试类似。

  接入点接收机灵敏度

  由于AP用作为时钟和频率参考,测试802.11ax AP的接收机灵敏度会存在额外的挑战。因此,在向AP发送数据包已进行数据包误码率灵敏性测试之前,测试仪器必须锁定到AP。

  当AP发送触发帧开始启动时,测试仪器会调整其频率和时钟以匹配AP,然后按照预期的配置,发送预定数量的数据包来响应AP DUT。

  挑战来自于802.11ax的严格相对频率误差上下限。 测试仪器必须从AP发送的触发帧中得到非常精确的频率和时钟信息。 这可能需要对多个触发帧执行此计算,以确保正确的频率和时钟同步。 因此,该过程可能会给测试程序带来显着的延迟。

  加速测试程序的一个解决方法是让AP导出其参考时钟,以便测试设备可以将其时钟锁定到参考时钟。 这避免了基于触发帧的初始同步过程,从而缩短AP接收机灵敏度测试时间。

  上行带内辐射

  当STA在MU-OFDMA模式下工作时,根据AP定义的RU分配向AP发送数据包。 也就是说,STA只使用了通道的一部分。 802.11ax标准可能会对上行链路带内辐射测试进行规定,以分析和测量发射机仅使用部分频率分配时产生的辐射。

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  图 16. 上行带内辐射测试的部分掩模

  多用户和更高阶的MIMO

  使用MIMO测试具有多达8个天线的802.11ax设备所得到的结果可能会与按顺序分别地测试每个信号链的结果截然不同。 例如,每个天线的信号可能相互破坏性地干扰并影响功率和EVM性能,而且可能吞吐量产生显著的不良影响。

  测试仪器必须能够支持每个信号链中本地振荡器的亚纳秒同步,以确保多个通道的正确相位对齐和MIMO性能。 NI测试解决方案基于NI VST,使用获得专利的硬件和软件技术,实现了具有高达8、16个甚至64个同步通道的灵活大规模MIMO配置。

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  结论

  802.11ax有望在密集环境中将用户平均数据吞吐量提高4倍。这种效率最大的推动因素之一是多用户技术,包括MU-MIMO和MU-OFDMA。在拥挤的环境中频谱利用率的改进可能会使802.11ax以比以往任何标准都更快地被市场接受。然而,实现这一功能将给负责让这些工程奇迹变成现实的科学家、工程师和技术人员带来全新的挑战。

  NI的灵活和模块化平台提供了具有干净振荡器低本底EVM的高性能硬件,采用1024-QAM测量技术,副载波间隔减小了仅4倍。 WLAN测量套件可以适应最新的802.11ax标准,以帮助您设计、表征、验证和测试802.11ax设备,并为多用户革命做好准备。

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  关于NI和802.11ax标准

  NI是基于平台的系统的提供商,致力于帮助工程师和科学家解决世界上最严峻的工程挑战。 NI与标准制定机构和领先的半导体公司合作开发相关的系统和工具,以设计、表征、验证和测试最新的无线通信标准,包括IEEE 802.11ax (draft 0.1)高效无线草案标准。

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  图 17. 基于WLAN测量套件和VST的NI 802.11测试系统

  NI WLAN测量套件和PXI RF VST相结合,为802.11ax设备提供强大的模块化测试解决方案。 WLAN测量套件为研究人员、工程师和技术专家提供了所需的功能和灵活性来生成和分析802.11a/b/g/n/j/p/ac/ah/af等各种802.11波形。 随着该测量套件专门针对802.11ax进行了更新,这些用户将可大幅加快其802.11ax设备的研发工作。 软件支持802.11ax的主要特性,包括更窄的子载波间隔、1024-QAM和多用户正交频分多址接入(OFDMA)。 升级版的测量套件还包含了LabVIEW系统设计软件范例代码,以帮助工程师更快速、更轻松地实现WLAN测量自动化。