眾所周知，無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)在不斷演進(jìn)，以提供日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)吞吐能力。數(shù)據(jù)速率的提高主要是通過(guò)協(xié)議物理層的增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)的。這些增強(qiáng)一般都需要幾年的時(shí)間，這使得我們能夠同時(shí)展望未來(lái)的通信系統(tǒng)和RF測(cè)試要求的變化。目前最熱門的兩個(gè)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)是無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)產(chǎn)品領(lǐng)域的IEEE 802.11ac和蜂窩通信領(lǐng)域的3GPP LTE-Advanced。

IEEE 802.11ac是一個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)更高吞吐能力的無(wú)線連接而設(shè)計(jì)，與基于IEEE 802.11a/g/n的當(dāng)代Wi-Fi產(chǎn)品相比，具有更多的MIMO通道、更高的帶寬和更高階的調(diào)制類型。我們將研究的一些關(guān)鍵的IEEE 802.11ac規(guī)范采用8x8多輸入多輸出(MIMO)天線技術(shù)、160MHz通道帶寬和256狀態(tài)正交調(diào)幅(256QAM)。

同樣，LTE-Advanced是3GPP LTE規(guī)范的演進(jìn)版本，它具有各種還包含更多空間流和載波聚合技術(shù)的增強(qiáng)功能。目前新設(shè)計(jì)的LTE網(wǎng)絡(luò)基于3GPP發(fā)行版8規(guī)范，而LTE-Advanced則基于3GPP發(fā)行版10規(guī)范，其增強(qiáng)功能很有可能作為現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)的未來(lái)升級(jí)而提供。LTE-Advanced的主要細(xì)節(jié)包括使用8x8 MIMO技術(shù)和載波聚合技術(shù)，從而使用多達(dá)100 MHz的通道帶寬。

本文將探討這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的物理層特性，并介紹高數(shù)據(jù)速率是如何實(shí)現(xiàn)的。我們還將討論更多的空間流、載波聚合和更高階的調(diào)制方案如何直接轉(zhuǎn)化成更高的數(shù)據(jù)吞吐能力。最后，我們將討論每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的物理層演進(jìn)給當(dāng)前RF工程師帶來(lái)了怎樣的新測(cè)試挑戰(zhàn)。

不斷增加的空間流

第一個(gè)無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)為提高數(shù)據(jù)速率而引入MIMO天線技術(shù)已經(jīng)有五年多了。在MIMO以前，一般將香農(nóng)-哈特利(Shannon-Hartley)定理作為給定數(shù)據(jù)通信通道的理論數(shù)據(jù)吞吐能力的模型：

容量=帶寬×log2(1+SNR)

根據(jù)該定理，通過(guò)影響通道帶寬或信噪比(SNR)可以提高特定通道的數(shù)據(jù)速率。不過(guò)具有多個(gè)空間流的MIMO系統(tǒng)的設(shè)計(jì)卻允許背離香農(nóng)哈特利定理。在2x2 MIMO系統(tǒng)中，在同一物理通道中使用兩個(gè)獨(dú)立的空間流能夠有效地使數(shù)據(jù)速率達(dá)到傳統(tǒng)的單輸入單輸出(SISO)系統(tǒng)的應(yīng)有數(shù)據(jù)速率的兩倍。相應(yīng)地，4x4 MIMO通道可以實(shí)現(xiàn)4倍的數(shù)據(jù)速率，8x8 MIMO通道則可以實(shí)現(xiàn)8倍的數(shù)據(jù)速率。

目前，IEEE 802.11ac和LTE-Advanced等新一代無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)不斷地使用更多的空間流來(lái)提高數(shù)據(jù)吞吐能力。比如，Wi-Fi的前身IEEE 802.11n采用復(fù)雜的4x4 MIMO配置，新一代802.11ac采用8x8 MIMO配置。從LTE到LTE-Advanced的蜂窩通信技術(shù)的演進(jìn)將帶來(lái)同樣的變化。目前的LTE規(guī)范可以實(shí)現(xiàn)4X4 MIMO下行鏈路通道，而LTE-Advanced則支持8x8 MIMO下行鏈路通道。除IEEE 802.11ac和LTE-Advanced之外，我們將看到這一趨勢(shì)將繼續(xù)向前發(fā)展。有關(guān)16x16 MIMO系統(tǒng)的研究已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行，未來(lái)有一我們會(huì)看到16x16 MIMO系統(tǒng)(這取決于研究的結(jié)果)。

對(duì)于新一代基于MIMO的通信系統(tǒng)的測(cè)試工程師而言，根據(jù)歷史事實(shí)，使用傳統(tǒng)儀器很難滿足多端口MIMO測(cè)量的同步要求(如果這些要求并不是無(wú)法滿足的話)。如今，PXI儀器的模塊化和軟件定義架構(gòu)可以為工程師提供測(cè)試新一代無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)所需的靈活性。比如，在典型的PXI系統(tǒng)中，只需在同樣的主機(jī)中增加更多的PXI下變頻器和數(shù)字化器，4通道RF信號(hào)分析儀就可以升級(jí)到8通道RF信號(hào)分析儀。

更高的通道帶寬

正如香農(nóng)哈特利定理的所述，增加數(shù)字通信通道的帶寬是增加通道帶寬的第二個(gè)途徑。根據(jù)歷史事實(shí)，在蜂窩領(lǐng)域，當(dāng)GSM/EDGE發(fā)展到UMTS時(shí)，僅增加數(shù)字調(diào)制信號(hào)的符號(hào)率即可增加通道帶寬。不過(guò)，大家普遍認(rèn)為，在單載波通信系統(tǒng)中使用寬帶信號(hào)會(huì)產(chǎn)生固有的物理硬件挑戰(zhàn)。此外，由于具有更高符號(hào)率的系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較短的符號(hào)周期，因此多徑衰落等其他常見(jiàn)的無(wú)線挑戰(zhàn)在寬帶單載波通信系統(tǒng)中的問(wèn)題會(huì)越來(lái)越大。

目前，新一代無(wú)線通信通道整合正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)和載波聚合技術(shù)來(lái)提高有效的符號(hào)率，同時(shí)還可以避免出現(xiàn)寬帶單載波通信系統(tǒng)的傳統(tǒng)挑戰(zhàn)。OFDM是目前用于IEEE 802.11a/g/n和LTE的一種常見(jiàn)技術(shù)，這種技術(shù)可以將一個(gè)通道分成正交和較低符號(hào)率的子載波，從而實(shí)現(xiàn)更高的有效符號(hào)率，同時(shí)減輕多徑衰落問(wèn)題。對(duì)于IEEE 802.11ac和LTE-Advanced等新一代標(biāo)準(zhǔn)而言，通過(guò)增加通道帶寬提高數(shù)據(jù)速率是通過(guò)使用以下兩種機(jī)制實(shí)現(xiàn)的：更多的子載波和載波聚合。

IEEE 802.11g是針對(duì)單個(gè)20-MHz OFDM通道而設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，IEEE 802.11n則支持多達(dá)兩個(gè)20MHz通道的設(shè)備實(shí)現(xiàn)40MHz的總帶寬，從而增加載波聚合技術(shù)。相比之下，IEEE 802.11ac支持20、40、80和160MHz通道帶寬方案。在40和80MHz模式的IEEE 802.11ac中，通過(guò)使用更多的子載波實(shí)現(xiàn)了更高的帶寬。因此，20MHz模式采用64個(gè)子載波，40MHz模式采用128個(gè)子載波，80MHz模式采用256個(gè)子載波，160MHz模式采用512個(gè)子載波。相比之下，80+80 MHz模式的IEEE 802.11ac將采用略有不同的方案。在這種模式下，載波聚合方案將通過(guò)接入點(diǎn)同時(shí)采用兩個(gè)唯一的80MHz OFDM通道（每個(gè)通道256個(gè)子載波）。在表1中，我們對(duì)各種常見(jiàn)IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的不同調(diào)制類型、MIMO方案和通道帶寬進(jìn)行了比較和對(duì)比。

與IEEE 802.11ac一樣，LTE-Advanced也采用載波聚合方案來(lái)提高數(shù)據(jù)吞吐能力。源自3GPP發(fā)行版8的原始LTE規(guī)范支持1.4至20 MHz的可擴(kuò)展帶寬，LTE-Advanced也通過(guò)載波聚合擴(kuò)展了通道帶寬。在新一代規(guī)范中，LTE-Advanced支持使用多達(dá)五個(gè)鄰近的20MHz載波，以獲得高達(dá)100 MHz的總通道帶寬。如今，許多有關(guān)未來(lái)的LTE-Advanced設(shè)備實(shí)際將使用的確切帶寬的問(wèn)題仍然存在。由于無(wú)線頻譜的成本極高，很少會(huì)有設(shè)備使用全部100MHz的可用通道帶寬。

從測(cè)試的角度來(lái)看，IEEE 802.11ac和LTE-Advanced等新一代無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的更高帶寬將帶來(lái)相當(dāng)多的挑戰(zhàn)。比如，雖然IEEE 802.11ac將支持使用多達(dá)160 MHz通道帶寬的模式，但是目前的RF信號(hào)分析儀一般只有100 MHz或不到100 MHz的瞬間帶寬。當(dāng)測(cè)試使用寬帶載波聚合技術(shù)的設(shè)備時(shí)，單為滿足帶寬要求，工程師就需要根據(jù)多個(gè)RF信號(hào)發(fā)生器和分析儀組裝測(cè)試系統(tǒng)。在這些方案中，由于單個(gè)PXI系統(tǒng)中可以配置和通過(guò)軟件控制多個(gè)信號(hào)發(fā)生器和分析儀，因此PXI的模塊化可以帶來(lái)相當(dāng)多的好處。

更高階的調(diào)制類型

無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提高數(shù)據(jù)速率的第三個(gè)途徑是更高階的調(diào)制類型。正如香農(nóng)哈特利定理所述，增加SNR相當(dāng)于增加數(shù)據(jù)吞吐能力。對(duì)于數(shù)字通信系統(tǒng)而言，采用更高階的調(diào)制類型可以實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。對(duì)于采用正交調(diào)幅(QAM)的系統(tǒng)而言，物理通道的吞吐能力與QAM的“階數(shù)”直接相關(guān)。例如，由于四個(gè)唯一的符號(hào)可以表示的最大位數(shù)為2[log2(4)=2]，因此4QAM通道具有每個(gè)符號(hào)表示2位的能力。同樣，16QAM通道的每個(gè)符號(hào)可以產(chǎn)生4位，64QAM通道的每個(gè)符號(hào)可以產(chǎn)生6位。

新的IEEE 802.11ac規(guī)范是首個(gè)支持256-QAM的消費(fèi)者無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)之一。256QAM格式的每個(gè)符號(hào)都可以產(chǎn)生8位[log2(256)=8]，因此與僅采用64QAM的系統(tǒng)相比，可以實(shí)現(xiàn)高33%的吞吐能力。當(dāng)然，采用256QAM等更高階調(diào)制類型的數(shù)字通信通道的功能要求能夠維持足夠高的SNR。無(wú)線通信系統(tǒng)采用自適應(yīng)調(diào)制類型已有多年，支持在低SNR環(huán)境中使用QPSK等更魯棒的方案。以圖2為例，該圖是不同SNR條件下16QAM信號(hào)的星座圖。

正如我們?cè)谛亲鶊D中所看到的，44dB的SNR對(duì)于在不產(chǎn)生誤碼的情況下解調(diào)16QAM信號(hào)已經(jīng)足夠大了。相比之下，SNR為30 dB或30 dB以下的環(huán)境(采用16QAM調(diào)制類型)會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)多的誤碼。在這種情況下，QPSK等低階調(diào)制類型可能更加合適。鑒于這些考慮因素，你可能會(huì)恰當(dāng)?shù)丶僭O(shè)IEEE 802.11ac將在SNR相當(dāng)高的情況下僅采用256QAM調(diào)制類型。

從儀器的角度來(lái)看，增加新調(diào)制類型幾乎只需要更改軟件。在PXI等軟件定義的模塊化平臺(tái)中，每個(gè)新無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)或調(diào)制類型都只是一個(gè)新的波形，它使得工程師的測(cè)試設(shè)備能夠隨著通信標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)而逐步發(fā)展。因此，在IEEE 802.11ac以及未來(lái)可能出現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)中增加對(duì)256QAM調(diào)制類型的支持將很有可能只需要通過(guò)更新軟件就能輕松實(shí)現(xiàn)。

本文小結(jié)

我們?cè)谔接懶乱淮鸁o(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，看到了使用更多的空間流、更寬的通道帶寬和更高階的調(diào)制類型提高數(shù)據(jù)吞吐能力的發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)于IEEE 802.11ac，這種趨勢(shì)最終會(huì)發(fā)展到采用8x8 MIMO的天線技術(shù)、高達(dá)160MHz的帶寬和256QAM。對(duì)于LTE-Advanced，其趨勢(shì)是支持8x8 MIMO配置和實(shí)現(xiàn)載波聚合技術(shù)，從而支持高達(dá)100MHz的通道帶寬。同樣，還應(yīng)該注意的是，現(xiàn)有的2G和3G蜂窩標(biāo)準(zhǔn)也在不斷演進(jìn)，也會(huì)增加這些功能。比如，甚至是當(dāng)前“2.5G”EDGE標(biāo)準(zhǔn)的下一步演進(jìn)也會(huì)采用載波聚合技術(shù)。此外，在UMTS中，HSPA+是最近才增加的一項(xiàng)增強(qiáng)技術(shù)，該技術(shù)在下行鏈路中增加了64QAM。下一步，HSPA+ Advanced將增加二/四載波聚合技術(shù)，從而提高現(xiàn)有3G蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)的吞吐能力。

雖然新一代無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)會(huì)以更高數(shù)據(jù)速率的形式給消費(fèi)者帶來(lái)各種顯而易見(jiàn)的好處，但是IEEE 802.11ac和LTE-Advanced無(wú)線電的設(shè)計(jì)和測(cè)試將出現(xiàn)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。從能夠處理更高帶寬的樓宇收發(fā)器到在單個(gè)手機(jī)設(shè)備中整合更多的天線，新一代標(biāo)準(zhǔn)都會(huì)提出相當(dāng)多的高硬件要求。這樣，新一代無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)所需的測(cè)量和儀器也更具挑戰(zhàn)性。幸運(yùn)的是，PXI測(cè)試裝置的模塊化和軟件定義架構(gòu)使其成為測(cè)試IEEE 802.11ac和LTE-Advanced等新興標(biāo)準(zhǔn)的傳統(tǒng)儀器的一個(gè)不可抗拒的替代方案。