如果你還記得幾年前，世界上最早出現(xiàn)的一些802.11n Wi-Fi產(chǎn)品曾被打上“草稿-n”的標(biāo)簽。這些路由器和接入節(jié)點(diǎn)被冠以“草稿-n”綽號(hào)，是有其特定的原因的：官方標(biāo)準(zhǔn)尚未形成。現(xiàn)在，802.11n 產(chǎn)品已經(jīng)無處不在，作為一種先進(jìn)的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)被廣泛接受。然而，就如同大多802.11g產(chǎn)品已經(jīng)移至802.11n一樣，下一代的Wi-Fi將會(huì)基于802.11ac規(guī)范。

新 802.11ac規(guī)范的初衷是考慮到更高數(shù)據(jù)吞吐量的要求。就如同我們已經(jīng)看到Wi-Fi從802.11a/b發(fā)展至g再到n，802.11ac的超高吞吐量(very high throughput, VHT)規(guī)范可以實(shí)現(xiàn)極高的數(shù)據(jù)傳輸速率。在此，我們將探討其物理層中一些主要的技術(shù)特性，以及它如何支持高數(shù)據(jù)吞吐量。此外，我們將特別分析一些不斷演進(jìn)的特性，例如應(yīng)用更高的信道帶寬、調(diào)制類型的改變、以及更多空間流(Spatial stream)的應(yīng)用以實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。

首先，我們比較一下過去的以及未來的Wi-Fi的基本的物理層規(guī)范

802.11n規(guī)范中最主要的新特性就是通過引入4x4 MIMO技術(shù)，使用了更多的空間流。發(fā)展至802.11ac后，可實(shí)現(xiàn)的最大的空間流可達(dá)8x8 MIMO。此外還有其它的重要改變，包括：可選的160 MHz信道帶寬，以及引入了256-QAM調(diào)制機(jī)制。

使用更高的信道帶寬

追溯至MIMO技術(shù)起源，Shannon-Hartley原理曾被認(rèn)為是計(jì)算一個(gè)數(shù)字信道的數(shù)據(jù)吞吐量的主要理論模型。

公式1. 經(jīng)典Shannon-Hartley信道吞吐量理論模型

根據(jù)這一理論，通過一個(gè)特定信道的數(shù)據(jù)傳輸速率僅能通過改變信道帶寬或者信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)來提高。時(shí)至今日，Shannon-Hartley理論已經(jīng)無法計(jì)算多個(gè)空間流所實(shí)現(xiàn)的總數(shù)據(jù)吞吐量，但它依然能表明信道帶寬與數(shù)據(jù)傳輸速率之間的相關(guān)性。

在一個(gè)OFDM系統(tǒng)中，人們可以很直觀地看到，更高的帶寬與更高的數(shù)據(jù)傳輸速率之間存在相關(guān)性。例如，在使用相同的子載波間距(也就是使用相同的符號(hào)率)時(shí)，增加子載波的數(shù)量將增加信道帶寬。在802.11ac規(guī)范中，我們可以很清楚的看到信道帶寬與數(shù)據(jù)子載波數(shù)量之間的關(guān)系。如圖2所示，在所有帶寬模型中，子載波的間距是不變的，只需增加子載波的數(shù)量就可增加帶寬。

可選的160 MHz模式遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了802.11n所支持的最大帶寬(40MHz)。目前，具有160MHz可用頻譜的Wi-Fi頻帶僅能在5 GHz頻帶中實(shí)現(xiàn)(而不是2.4GHz).因此，802.11ac規(guī)范僅能用于5GHz ISM頻帶。

提高空間流數(shù)量

Shannon- Hartley理論可以很合理地估計(jì)SISO(單輸入單輸出)信道的理論吞吐量，但我們必須對(duì)其進(jìn)行一些更改，才能合理的估計(jì)MIMO(多輸入多輸出)信道的最大吞吐量。在一個(gè)具有充足多路徑反射的物理信道中，數(shù)據(jù)傳輸速率在理論上的最大提升隨著理論空間流的數(shù)量的增加而線性增加。例如，在一個(gè)2x2的 MIMO系統(tǒng)中，在同一個(gè)物理信道(即使用相同的頻率)中使用兩個(gè)獨(dú)立的空間流，其所能實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)速率是傳統(tǒng)的單輸入單輸出(SISO)系統(tǒng)的兩倍。同樣，相對(duì)于SISO信道，一個(gè)4x4 MIMO信道可以實(shí)現(xiàn)4倍的數(shù)據(jù)速率提升，而8x8 MIMO信道則可以實(shí)現(xiàn)8倍的數(shù)據(jù)速率提升。。與其它新出現(xiàn)的無線通信規(guī)范(如3GPP LTE Advanced)類似，802.11ac VHT規(guī)范可以實(shí)現(xiàn)最高8x8 MIMO系統(tǒng)。

調(diào)制機(jī)制與碼率的改進(jìn)

802.11ac 提高數(shù)據(jù)吞吐量所使用的最有趣的方法之一，就是256-QAM調(diào)制機(jī)制。過去，隨著802.11a的發(fā)展，64-QAM調(diào)制曾被認(rèn)為是所有無線通信標(biāo)準(zhǔn)中 “最高階”的調(diào)制模式。而802.11ac則是消費(fèi)類電子領(lǐng)域中引入256-QAM的首個(gè)商用的無線標(biāo)準(zhǔn)，以滿足不斷增長的數(shù)據(jù)吞吐量要求。在公式2中，我們可以看到調(diào)制機(jī)制的“階次”與每個(gè)符號(hào)所代表的比特位數(shù)之間的簡單關(guān)系。

公式2.每個(gè)符號(hào)的比特位數(shù)隨著調(diào)制機(jī)制的復(fù)雜性而增加。

我們可以很容易地看到，簡單的調(diào)制機(jī)制，例如BPSK(二進(jìn)制相移鍵控)使用兩個(gè)符號(hào)，因此每個(gè)符號(hào)可以產(chǎn)生1個(gè)比特位。相比較而言，一個(gè)更加復(fù)雜的調(diào)制機(jī)制，例如256-QAM則擁有更高的“階次”，從而可以實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。事實(shí)上，256-QAM中，每個(gè)符號(hào)可以產(chǎn)生8個(gè)比特位 (log2(256)=8)。比較802.11ac和 802.11n，我們可以看到：對(duì)于能夠?qū)崿F(xiàn)256-QAM的環(huán)境條件，與傳統(tǒng)的64-QAM機(jī)制相比，可以將數(shù)據(jù)速率提高33%。

有關(guān)調(diào)制階次的一個(gè)有趣的問題是，我們可以看到發(fā)射機(jī)的調(diào)制質(zhì)量與Shannon-Hartley原理之間關(guān)系緊密。要了解這一關(guān)系，一個(gè)簡單的實(shí)例就是 802.11ac規(guī)范中對(duì)發(fā)射機(jī)相對(duì)星座誤差(我們可以理解為EVM)的限制。在我們觀察圖3時(shí)可以看到，更高階次的調(diào)制類型，例如256-QAM，對(duì)于 EVM的要求更為嚴(yán)格——這一點(diǎn)并不奇怪，因?yàn)镋VM和SNR之間的關(guān)系非常緊密。

圖3. 發(fā)射機(jī)最低EVM要求

為了更好地說明SNR對(duì)調(diào)制階次類型的影響，圖4中展示了一個(gè)256-QAM信號(hào)在各種SNR環(huán)境中的星座圖。

如 256-QAM的星座圖所示，32dB的SNR對(duì)于256-QAM信號(hào)解調(diào)來說足矣，不會(huì)產(chǎn)生明顯的比特誤差以及幀誤差。相對(duì)而言，在一個(gè)具有較低信噪比的環(huán)境中，我們可以看到星座圖中的拖尾效應(yīng)，這在27dB或者更低信噪比的環(huán)境中尤為明顯。在這些信道環(huán)境條件下，一個(gè)給定的Wi-Fi接入節(jié)點(diǎn)無法使用 256-QAM模式維持通信，只能使用較低階次的調(diào)制模式時(shí)以維持一定范圍內(nèi)的幀誤差率。這一示例表明了Shannon-Hartley 原理中所描述的SNR與數(shù)據(jù)吞吐量之間的關(guān)系。

計(jì)算數(shù)據(jù)速率

憑借802.11ac規(guī)范所帶來了關(guān)鍵技術(shù)改進(jìn)，如更高的帶寬、更多的空間流、以及更高階次調(diào)制類型，有人可能會(huì)猜想可選的高吞吐量特性會(huì)比802.11n 提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。事實(shí)上，由于802.11n的理論限制為600Mbps，802.11ac的數(shù)據(jù)速率增加將會(huì)比802.11n提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

為了正確地估計(jì)802.11ac的最大理論 吞吐量，我們必須考慮一些關(guān)鍵的因素，例如：調(diào)制類型、子載波個(gè)數(shù)、碼率、符號(hào)率，以及空間流的個(gè)數(shù)。為了確定總數(shù)據(jù)速率，我們首先確定任意時(shí)刻一次發(fā)出的編碼數(shù)據(jù)的位數(shù)。之前的802.11ac規(guī)范草案將此定義為“子載波比特位數(shù)”( Number of data bits per subcarrier, NDPSC)，其中包含所有空間流的比特位。從數(shù)學(xué)角度考慮，NDPSC是通過每個(gè)符號(hào)的位數(shù)、碼率以及子載波的個(gè)數(shù)等因素決定的

在公式3中，可以看到NDPSC的數(shù)學(xué)表示。

公式3.每個(gè)符號(hào)的比特位數(shù)與碼率等因素對(duì)整個(gè)空間流編碼的比特位數(shù)的影響。

例如，在一個(gè)20MHz 的802.11ac信號(hào)發(fā)射時(shí)，64個(gè)子載波中的52個(gè)將被用于數(shù)據(jù)，而其余的則用于保護(hù)性頻帶、空子載波以及先導(dǎo)頻率信號(hào)。如果使用QPSK調(diào)制模式以及?的碼率，則NDPSC將會(huì)等于26比特(1 x 52 x 0.5)。如圖5所示，我們對(duì)多個(gè)帶寬以及空間流組合，計(jì)算其在256-QAM調(diào)制模式下的NDPSC。

知道了每個(gè)空間流中的總比特位數(shù)，我們就可以通過將(NDBPS)與空間流的個(gè)數(shù)、符碼率、以及符碼使用率相乘，就可以計(jì)算802.11ac物理層的最大理論吞吐量。在此示例中，符號(hào)率等于子載波間隔，即為312.5 kHz 或者312,500 符號(hào)/秒。其中的關(guān)系如公式4所示。

公式4. 數(shù)據(jù)速率是NDPSC、符號(hào)率以及符碼使用率的函數(shù)。

如公式4所示，符碼使用率即為數(shù)據(jù)符號(hào)周期與符號(hào)總間隔的比值，其中：

因此，在使用短防護(hù)間隔的配置中，符碼使用率為3.2/3.6 = 88.9%。

同樣，在使用長防護(hù)間隔的配置中，符碼使用率為3.2/4.0 = 80%。

在公式5中，我們可以估計(jì)802.11ac通信信道的最大理論吞吐量。在確定802.11ac的最大理論吞吐量時(shí)，我們將會(huì)考慮使用8x8MIMO、160 MHz信道帶寬、256-QAM調(diào)制機(jī)制以及短防護(hù)間隔。在此示例中，理論最大數(shù)據(jù)吞吐量如公式5所示。

公式5. 802.11ac的最大理論吞吐量超過6.9 Gbps。

如公式5所示，802.11ac物理層所能提供的理論最大數(shù)據(jù)吞吐量可以超過每秒6.9千兆比特。然而，必須要注意的是，這僅僅是理論計(jì)算而已。在現(xiàn)實(shí)中，超過6.9 Gbps的數(shù)據(jù)速率僅當(dāng)物理信道足夠、能同時(shí)實(shí)現(xiàn)8個(gè)空間數(shù)據(jù)流時(shí)才能實(shí)現(xiàn)。此外，考慮到256-QAM調(diào)制模式下對(duì)SNR的要求，最大理論吞吐量僅能在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)足夠接近、信號(hào)強(qiáng)度足夠大時(shí)才能實(shí)現(xiàn)。最后，我們還要意識(shí)到，對(duì)于一個(gè)通信系統(tǒng)來說，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止物理層一個(gè)方面而已。雖然物理層能夠支持 6.9 Gbps，但是必須還要對(duì)MAC層、數(shù)據(jù)總線、甚至嵌入式控制器等進(jìn)行大量的改進(jìn)，才能讓供應(yīng)商做出真正實(shí)現(xiàn)最大數(shù)據(jù)吞吐量的產(chǎn)品。

802.11ac測試中的挑戰(zhàn)和解決方案

諸如802.11ac的下一代無線通信標(biāo)準(zhǔn)，可以為消費(fèi)者帶來數(shù)據(jù)傳輸速率的顯著提升，然而這同時(shí)也使得設(shè)計(jì)和測試這種無線產(chǎn)品充滿挑戰(zhàn)。當(dāng)今的工程師必須要面對(duì)復(fù)雜的多通道無線測試，如8x8 MIMO。此外，可選的160MHz規(guī)范的帶寬要求非常高，工程師們必須隨著帶寬的不斷增加，確保測量的高質(zhì)量。最后，在自動(dòng)化測量中，測量的復(fù)雜性將隨著測量速度的增加而增加?？紤]到802.11ac信號(hào)的解調(diào)需要提高一個(gè)數(shù)量級(jí)的信號(hào)處理能力，802.11ac的測量速度要求也是一個(gè)需要關(guān)注的問題。

展望未來，可以看到軟件定義的PXI測試設(shè)備將處于測試下一代無線通信標(biāo)準(zhǔn)的前沿位置。National Instruments于2012年1月發(fā)布了測試下一代802.11ac WLAN芯片組和設(shè)備的先行支持，并于巴塞羅那舉辦的世界移動(dòng)通信大會(huì)(MWC)上展示了最新的802.11ac測試解決方案，能夠支持包括 20，40，80和80+80 160MHz各種帶寬的信號(hào)接收(Rx)和發(fā)送(Tx)，并支持高達(dá)4X4 MIMO的配置。因此，NI測試解決方案具備足夠的靈活性，除了802.11ac，同樣可以測試802.11a/b/g/n設(shè)備。

“通過支持最新的WLAN標(biāo)準(zhǔn)，802.11ac，我們展示了NI公司的軟件定義的模塊化測試系統(tǒng)的力量”， NI首席執(zhí)行官和公司創(chuàng)始人James Truchard博士表示， “我們的模塊化測試平臺(tái)提供了更快的測試時(shí)間和更低的投入成本，并通過與LabVIEW相結(jié)合，幫助工程師研究、驗(yàn)證、測試最新的無線標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)備。

基于NI PXI平臺(tái)的802.11ac 測試方案主要特性：

調(diào)制方式最高可達(dá)256 QAM

可支持4X4 MIMO

通道帶寬包括20, 40, 80, 以及80+80, 160 MHz

可支持NI LabVIEW, ANSI C,

以及Microsoft Visual Studio等多種開發(fā)環(huán)境

NI 正在與一些前沿的合作伙伴，包括芯片供應(yīng)商，OEM廠商和電子制造服務(wù)(EMS)提供商展開合作，測試最新的802.11ac設(shè)備。采用軟件定義的PXI 測試平臺(tái)可以滿足最新的移動(dòng)通信規(guī)范和無線連接標(biāo)準(zhǔn)。無論是智能手機(jī)、平板電腦等消費(fèi)電子產(chǎn)品，還是開發(fā)板(reference design board)、無線收發(fā)器等嵌入式產(chǎn)品，NI解決方案可測試各類移動(dòng)通信設(shè)備和芯片。PXI所帶來的諸如模塊性、靈活性以及強(qiáng)大的信號(hào)處理能力等優(yōu)勢(shì)，將使其在不遠(yuǎn)的將來越發(fā)成為測試和測量領(lǐng)域的主要技術(shù)平臺(tái)。