透視802.11ax：解讀下一代無線網(wǎng)路標(biāo)準(zhǔn)

　　新一代802.11標(biāo)準(zhǔn)——802.11ax，使用2.4GHz或5GHz頻段，更進一步承諾提升連線速度，并且支援OFDM、高達1024QAM以及多用戶的多重輸入多重輸出(MIMO)技術(shù)。

　　消費者和企業(yè)現(xiàn)在已經(jīng)離不開無線資料存取。過去30年來，資訊趨向自由流通，帶動整體產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型與成長，不僅有助于促進增加生產(chǎn)力，并且為業(yè)界創(chuàng)造了更大的利潤。IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范下的Wi-Fi技術(shù)，成為轉(zhuǎn)型過程中的一大關(guān)鍵助力，為使用者提供涵蓋范圍廣、成本低、傳輸速率快的無線連接方式。

　　新一代802.11標(biāo)準(zhǔn)——802.11ax，使用2.4GHz或5GHz頻段，更進一步承諾提升連線速度，并且支援OFDM、高達1024QAM以及多用戶的多重輸入多重輸出(MIMO)技術(shù)。

　　深入認(rèn)識802.11ax

　　為了深入了解802.11ax標(biāo)準(zhǔn)，首先必須回頭檢視802.11ac標(biāo)準(zhǔn)。802.11ac標(biāo)準(zhǔn)支援多達4個空間資料串流;而2016年1月公布的802.11ax草案規(guī)格基于802.11ac，并將空間串流的數(shù)目增加了一倍，大幅提升了每個空間串流的效率(以及資料吞吐量)。與802.11ac相似，802.11ax也作業(yè)于5GHz頻段作，以便為80MHz和160Hz通道提供更廣闊的頻譜空間。

　　802.11ax之所以如此具有吸引力，原因在于它可以顯著提升吞吐量，同時有效改善行動裝置的電源利用率。而且除了改進理論上的系統(tǒng)吞吐量(如各種新技術(shù)宣稱的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格)之外，即使是在使用者的實際環(huán)境中，包括人口稠密的場所、室內(nèi)與戶外等存在干擾源的環(huán)境，也可以達到提升吞吐量的作用。

　　簡單地說，802.11ax承諾消費者可獲得更出色的使用者體驗，并涵蓋所有可能的應(yīng)用情境。對于互動式高畫質(zhì)(HD)視訊等新興應(yīng)用的發(fā)展，這無疑是大好消息，因為這些領(lǐng)域通常要求在眾多Wi-Fi使用者密集的嚴(yán)苛環(huán)境下操作(例如體育館和大眾運輸系統(tǒng))。

　　為了實現(xiàn)以上的這些目標(biāo)，802.11ax必須使用一些不同的技術(shù)。盡管此標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計將以O(shè)FDM為基礎(chǔ)，但不乏其他技術(shù)可供選擇，包括OFDMA、MU-MIMO以及高階調(diào)變。OFDM通常用于高資料率系統(tǒng)，藉以對抗通道的不規(guī)則性(例如選擇性衰減)。但OFDM技術(shù)必須因應(yīng)802.11ax進行調(diào)整，以便使用更窄的次載波間隔(4倍符號長度)與更多的可變循環(huán)前置(CP)區(qū)間，以因應(yīng)不同的使用情境，尤其是戶外長通道，在效率和穩(wěn)定性之間加以取舍變得至關(guān)重要。

　　另一項可提高網(wǎng)路性能的候選技術(shù)是交疊基本服務(wù)集(OBSS)抗干擾處理。OBSS技術(shù)具有多種不同的形式，并可能包含波束成形接收的某些變化，隨著接取點(AP)的廣泛部署而越顯重要。這一類部署突顯了頻譜管理、降低相鄰AP干擾的重要性，OBSS技術(shù)便是為此而生。前述OFDM、OFDMA、MU-MIMO及高階調(diào)變技術(shù)，將提升802.11ax的空間重用和頻譜效率，實現(xiàn)提高系統(tǒng)性能的目標(biāo)。

　　種種挑戰(zhàn)，不容忽視

　　如同所有的新興標(biāo)準(zhǔn)一樣，802.11ax所采用的技術(shù)——例如OFDM和抗干擾處理技術(shù)，大幅提高了設(shè)計復(fù)雜度，并為工程師帶來形形色色的全新測試挑戰(zhàn)。其中一部份的挑戰(zhàn)涉及基本量測，如表中所示，而其他的挑戰(zhàn)則來自新的測試要求。例如，802.11ax規(guī)格中所定義的發(fā)射器測試和關(guān)鍵的接收器測試雖然均承襲802.11ac，但也新增了多重使用者(MU)傳輸?shù)臏y試項目。MU傳輸是802.11ax最重要的新功能之一，藉由提供傳輸準(zhǔn)確性和同步STA，來強化有效運作。因此，各種支援MU傳輸?shù)娜聹y試要求紛紛出籠。

　　表1：即使是基本量測，也會因802.11ax所采用的全新技術(shù)而產(chǎn)生許多測試挑戰(zhàn)

　　除了前述的測試要求之外，還有許多亟待克服的設(shè)計挑戰(zhàn)。包括： __建立室內(nèi)/戶外通道模型：__IEEE 802.11ax的目標(biāo)是在室內(nèi)和戶外操作時提升每一站的吞吐量。相較于室內(nèi)通道，戶外通道通常具有較大的延遲擴展和通道時間變化。有鑒于此，業(yè)界選用3GPP ITU-R Urban Micro (UMi)及Urban Macro (UMa)通道模型，作為802.11ax戶外空間通道模型的基準(zhǔn)。

　　然而，這些模型也需要適當(dāng)改善，以適用于新的規(guī)格。例如ITU-R的通道模型需加以擴大，以支援802.11ax的160MHz頻寬。一旦修改完成，還需要進行建模、重新取樣和內(nèi)插，以得到所需的系統(tǒng)頻寬。

　　此外，由于路徑損耗是802.11ax面臨的一大問題，建立室內(nèi)和戶外情境之路徑損耗模型成為當(dāng)務(wù)之急。TGn通道B與D模型已廣泛用于室內(nèi)情境，藉以模擬墻壁和地板的訊號穿透能力，而戶外情境則將在UMi路徑損耗模型的基礎(chǔ)上發(fā)展。

　　__窄頻干擾：__窄頻干擾是802.11ax必須考量的問題之一，這主要是因為內(nèi)部傳輸訊號，或是來自其他裝置產(chǎn)生的訊號/諧波，落入802.11ax系統(tǒng)相同頻段所引發(fā)的問題。業(yè)界正運用許多新技術(shù)來處理接收器，以減輕這種干擾所帶來的負(fù)面影響，例如經(jīng)過快速傅立葉轉(zhuǎn)換(FFT)、陷波濾波處理而產(chǎn)生CP/ZP-OFDM之后，可搭配使用音調(diào)消除技術(shù)。雙次載波調(diào)變(DCM)原本是用于BPSK、QPSK和16QAM調(diào)變的可選調(diào)變方式，現(xiàn)在也成了另一種可行的技術(shù)方案。確保802.11ax量測解決方案全面支援這些技術(shù)相當(dāng)重要。

　　__執(zhí)行更高階的調(diào)變：__802.11ax的主要目標(biāo)是為用戶端的無線網(wǎng)路速度提升4倍達到10Gbps，其方式是采用新的調(diào)變及編碼方式(MCS)指數(shù)級10和11，以及搭配1024QAM調(diào)變機制。使用更高階的調(diào)變，系統(tǒng)將會變得對內(nèi)部和外部衰減更加敏感，因此需要更高的SNR，以維持可接受的BER/FER級。如果系統(tǒng)的SNR高于35dB，將會很難利用經(jīng)濟實惠的硬體來處理，因為它超過了典型收發(fā)器的雜訊指數(shù)、減損和損失，尤其是在RF電路和ADC/DAC中。因此，唯有具備準(zhǔn)確模擬能力，才能掌握真正的非理想硬體的訊號解調(diào)方式，以及隨之而來的BER/FER效應(yīng)。

　　__MIMO檢測技術(shù)：__在接收器方面，采用1024QAM的MIMO系統(tǒng)主要面臨的技術(shù)瓶頸，在于現(xiàn)有MIMO檢測技術(shù)的擴展性。目前在MIMO系統(tǒng)中有許多主流檢測器，例如，歸零(ZF)、最小均方誤差(MMSE)，以及極其復(fù)雜的最大相似度(ML)檢測器。同時還有許多次優(yōu)選擇的檢測器，可協(xié)助進行復(fù)雜度/系統(tǒng)效能的取舍。然而，隨著802.11ax的問世，建立模型并測試全新檢測演算法的模擬成果，變成當(dāng)前的首要任務(wù)。

　　正面迎接挑戰(zhàn)

　　為了因應(yīng)這些挑戰(zhàn)，工程師必須使用適當(dāng)?shù)臏y試及量測解決方案，以執(zhí)行模擬、訊號產(chǎn)生和訊號分析，進而解決在產(chǎn)品生命周期中從設(shè)計、驗證一直到最后的生產(chǎn)制造等各個階段的問題。由于802.11ax是802.11標(biāo)準(zhǔn)的最新修訂版本，目前尚在發(fā)展階段，許多量測解決方案也還在開發(fā)或進行擴充，以便對新興標(biāo)準(zhǔn)提供支援。

　　不過，802.11ax系統(tǒng)設(shè)計工程師不用等到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格正式核可，就有測試選項可以使用。其中一種方案是使用現(xiàn)有的IP快速模擬新的802.11ax系統(tǒng)。這個作法可借助電子系統(tǒng)層級(ESL)設(shè)計軟體來實現(xiàn)。靈活的ESL軟體可協(xié)助工程師修改目前的802.11ac資料庫和OFDM基準(zhǔn)發(fā)射器/接收器模型，并透過靈活的3GPP通道模型進行連接，以因應(yīng)新興標(biāo)準(zhǔn)的改變。有了這套軟體，工程師可開發(fā)必要的數(shù)位訊號處理演算法(如最佳化MIMO檢測法)、模擬基頻訊號處理、建立RF收發(fā)器的模型，甚至是建立無線通道——一切均在彈指間搞定。

　　在ESL軟體連接到各式各樣的硬體后，工程師可存取其模擬波形，并透過實際的測試儀器來查看。這是對初期802.11ax裝置進行測試的理想方式(參見圖1)。

　　圖1：圖中顯示初期的802.11ax裝置評估流程圖。流程的核心是Keysight systemVue ESL軟體，它具有強大的功能及靈活性，可解決與802.11ax裝置設(shè)計和測試相關(guān)的挑戰(zhàn)。藉由SystemVue，在標(biāo)準(zhǔn)草案階段所開發(fā)出的IP，可快速連接到各種儀器進行設(shè)計驗證測試

　　除了靈活的ESL軟體，還有若干其他的解決方案，可在測試期間使用，以符合802.11ax規(guī)格的要求。適用于802.11標(biāo)準(zhǔn)的Signal Studio軟體，經(jīng)過加強后可支援802.11ax。利用這套軟體，工程師可輕松快速地產(chǎn)生測試訊號，有無減損皆可，然后將波形下載到訊號產(chǎn)生器。

　　這套理想的802.11ax訊號產(chǎn)生軟體支援新一代802.11ax的所有功能，并包括1024QAM、Long Symbol/Guard、OFDMA、MU-MIMO和DCM;同時還可產(chǎn)生多使用者的訊號波形。不僅如此，Signal Studio軟體擁有靈活的階層參數(shù)，以支援各種新一代高效率(HE)PLCP協(xié)定資料單元(PPDU)的802.11ax格式。

　　Keysight 89600 VSA軟體可協(xié)助工程師解調(diào)變和分析802.11ax訊號。一般而言，訊號產(chǎn)生和訊號分析硬體平臺應(yīng)可根據(jù)效能要求和測試狀況進行最佳化，以滿足研發(fā)和制造需求。

　　圖2：圖2顯示802.11ax的分析流程，使用Keysight 89600 VSA軟體和X系列量測應(yīng)用軟體，并透過訊號分析儀加以執(zhí)行。每個解決方案均具備802.11ax調(diào)變分析選項，涵蓋所有的頻寬和調(diào)整類型，可支援高達8x8 MIMO。兩者均支援多種硬體配置，可滿足工程師對效能、頻寬和通道的需求

　　結(jié)語

　　802.11ax是802.11系列標(biāo)準(zhǔn)的下一代規(guī)格，不僅承諾提供更高的吞吐量，更有望確實改善終端用戶的使用經(jīng)驗，特別是達成密集部署的目標(biāo)。雖然目前仍非最終標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，但很顯然地，它所采用的技術(shù)和方法，將在802.11ax裝置設(shè)計和測試過程中，為工程師帶來許多獨特的挑戰(zhàn)。

　　所幸現(xiàn)在已有眾多量測解決方案可供工程師進行模擬、訊號產(chǎn)生和訊號分析，以便測試802.11ax裝置，并協(xié)助他們從容面對將出現(xiàn)在產(chǎn)品生命周期各個階段的種種未來挑戰(zhàn)。

　　此外，這些解決方案的功能，將和802.11ax規(guī)格發(fā)展齊頭并進，直到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格正式公布。在此過程中，這些解決方案不僅可確保工程師擁有合適工具來設(shè)計和測試802.11ax裝置，更有助于快速部署這些802.11ax裝置，以促進業(yè)界的廣泛接受。