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透視802.11ax:解讀新一代無線網(wǎng)路標(biāo)準(zhǔn)

發(fā)布時(shí)間:2016-11-18 責(zé)任編輯:admin

【導(dǎo)讀】消費(fèi)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(dòng)整體產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型與成長(zhǎng),不僅有助于促進(jìn)增加生產(chǎn)力,并且為業(yè)界創(chuàng)造了更大的利潤(rùn)。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(jìn)一步承諾提升連線速度,并且支援OFDM、高達(dá)1024QAM以及多用戶的多重輸入多重輸出(MIMO)技術(shù)。
  
802.11ax標(biāo)準(zhǔn)雖仍處于初期開發(fā)階段,但業(yè)界一片看好,特別是它具有在室內(nèi)與戶外環(huán)境實(shí)現(xiàn)高密度部署的一大優(yōu)勢(shì)。然而,和所有的新興標(biāo)準(zhǔn)一樣,隨著技術(shù)不斷推陳出新,伴隨而來的是全新的測(cè)試挑戰(zhàn)。
  
深入認(rèn)識(shí)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(dá)4個(gè)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(gè)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(shí)有效改善行動(dòng)裝置的電源利用率。而且除了改進(jìn)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(shí)際環(huán)境中,包括人口稠密的場(chǎng)所、室內(nèi)與戶外等存在干擾源的環(huán)境,也可以達(dá)到提升吞吐量的作用。
  
簡(jiǎn)單地說,802.11ax承諾消費(fèi)者可獲得更出色的使用者體驗(yàn),并涵蓋所有可能的應(yīng)用情境。對(duì)于互動(dòng)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?yàn)檫@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(yùn)輸系統(tǒng))。
  
為了實(shí)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(jì)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(duì)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(jìn)行調(diào)整,以便使用更窄的次載波間隔(4倍符號(hào)長(zhǎng)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(zhǎng)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(xiàng)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(diǎn)(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(shí)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(jì)復(fù)雜度,并為工程師帶來形形色色的全新測(cè)試挑戰(zhàn)。其中一部份的挑戰(zhàn)涉及基本量測(cè),如表中所示,而其他的挑戰(zhàn)則來自新的測(cè)試要求。例如,802.11ax規(guī)格中所定義的發(fā)射器測(cè)試和關(guān)鍵的接收器測(cè)試雖然均承襲802.11ac,但也新增了多重使用者(MU)傳輸?shù)臏y(cè)試項(xiàng)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(qiáng)化有效運(yùn)作。因此,各種支援MU傳輸?shù)娜聹y(cè)試要求紛紛出籠。
 
表1:即使是基本量測(cè),也會(huì)因802.11ax所采用的全新技術(shù)而產(chǎn)生許多測(cè)試挑戰(zhàn)
 
除了前述的測(cè)試要求之外,還有許多亟待克服的設(shè)計(jì)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(shí)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(kuò)展和通道時(shí)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(kuò)大,以支援802.11ax的160MHz頻寬。一旦修改完成,還需要進(jìn)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(hào)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?yàn)閮?nèi)部傳輸訊號(hào),或是來自其他裝置產(chǎn)生的訊號(hào)/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(yùn)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(cè)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(dá)到10Gbps,其方式是采用新的調(diào)變及編碼方式(MCS)指數(shù)級(jí)10和11,以及搭配1024QAM調(diào)變機(jī)制。使用更高階的調(diào)變,系統(tǒng)將會(huì)變得對(duì)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(jí)。如果系統(tǒng)的SNR高于35dB,將會(huì)很難利用經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的硬體來處理,因?yàn)樗^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(hào)解調(diào)方式,以及隨之而來的BER/FER效應(yīng)。
  
MIMO檢測(cè)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(cè)技術(shù)的擴(kuò)展性。目前在MIMO系統(tǒng)中有許多主流檢測(cè)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(cè)器。同時(shí)還有許多次優(yōu)選擇的檢測(cè)器,可協(xié)助進(jìn)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(cè)試全新檢測(cè)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(cè)試及量測(cè)解決方案,以執(zhí)行模擬、訊號(hào)產(chǎn)生和訊號(hào)分析,進(jìn)而解決在產(chǎn)品生命周期中從設(shè)計(jì)、驗(yàn)證一直到最后的生產(chǎn)制造等各個(gè)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(cè)解決方案也還在開發(fā)或進(jìn)行擴(kuò)充,以便對(duì)新興標(biāo)準(zhǔn)提供支援。
  
不過,802.11ax系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師不用等到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格正式核可,就有測(cè)試選項(xiàng)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(gè)作法可借助電子系統(tǒng)層級(jí)(ESL)設(shè)計(jì)軟體來實(shí)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(kù)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(jìn)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(hào)處理演算法(如最佳化MIMO檢測(cè)法)、模擬基頻訊號(hào)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(shí)際的測(cè)試儀器來查看。這是對(duì)初期802.11ax裝置進(jìn)行測(cè)試的理想方式(參見圖1)。
 
圖1:圖中顯示初期的802.11ax裝置評(píng)估流程圖。流程的核心是Keysight systemVue ESL軟體,它具有強(qiáng)大的功能及靈活性,可解決與802.11ax裝置設(shè)計(jì)和測(cè)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(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證測(cè)試。
 
除了靈活的ESL軟體,還有若干其他的解決方案,可在測(cè)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(qiáng)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(cè)試訊號(hào),有無減損皆可,然后將波形下載到訊號(hào)產(chǎn)生器。
  
這套理想的802.11ax訊號(hào)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(shí)還可產(chǎn)生多使用者的訊號(hào)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(hào)。一般而言,訊號(hào)產(chǎn)生和訊號(hào)分析硬體平臺(tái)應(yīng)可根據(jù)效能要求和測(cè)試狀況進(jìn)行最佳化,以滿足研發(fā)和制造需求。
 
圖2:圖中顯示802.11ax的分析流程,使用Keysight 89600 VSA軟體和X系列量測(cè)應(yīng)用軟體,并透過訊號(hào)分析儀加以執(zhí)行。每個(gè)解決方案均具備802.11ax調(diào)變分析選項(xiàng),涵蓋所有的頻寬和調(diào)整類型,可支援高達(dá)8x8 MIMO。兩者均支援多種硬體配置,可滿足工程師對(duì)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(shí)改善終端用戶的使用經(jīng)驗(yàn),特別是達(dá)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(jì)和測(cè)試過程中,為工程師帶來許多獨(dú)特的挑戰(zhàn)。
  
所幸現(xiàn)在已有眾多量測(cè)解決方案可供工程師進(jìn)行模擬、訊號(hào)產(chǎn)生和訊號(hào)分析,以便測(cè)試802.11ax裝置,并協(xié)助他們從容面對(duì)將出現(xiàn)在產(chǎn)品生命周期各個(gè)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(jìn),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(jì)和測(cè)試802.11ax裝置,更有助于快速部署這些802.11ax裝置,以促進(jìn)業(yè)界的廣泛接受。

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