透視802.11ax：解讀下一代無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路標準

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

　　消費者和企業(yè)現在已經(jīng)離不開(kāi)無(wú)線(xiàn)資料存取。過(guò)去30年來(lái)，資訊趨向自由流通，帶動(dòng)整體產(chǎn)業(yè)的轉型與成長(cháng)，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。IEEE 802.11標準規范下的Wi-Fi技術(shù)，成為轉型過(guò)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(wú)線(xiàn)連接方式。

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

　　深入認識802.11ax

　　為了深入了解802.11ax標準，首先必須回頭檢視802.11ac標準。802.11ac標準支援多達4個(gè)空間資料串流;而2016年1月公布的802.11ax草案規格基于802.11ac，并將空間串流的數目增加了一倍，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(zhù)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)理論上的系統吞吐量(如各種新技術(shù)宣稱(chēng)的標準規格)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、室內與戶(hù)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(jiǎn)單地說(shuō)，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用情境。對于互動(dòng)式高畫(huà)質(zhì)(HD)視訊等新興應用的發(fā)展，這無(wú)疑是大好消息，因為這些領(lǐng)域通常要求在眾多Wi-Fi使用者密集的嚴苛環(huán)境下操作(例如體育館和大眾運輸系統)。

　　為了實(shí)現以上的這些目標，802.11ax必須使用一些不同的技術(shù)。盡管此標準預計將以OFDM為基礎，但不乏其他技術(shù)可供選擇，包括OFDMA、MU-MIMO以及高階調變。OFDM通常用于高資料率系統，藉以對抗通道的不規則性(例如選擇性衰減)。但OFDM技術(shù)必須因應802.11ax進(jìn)行調整，以便使用更窄的次載波間隔(4倍符號長(cháng)度)與更多的可變循環(huán)前置(CP)區間，以因應不同的使用情境，尤其是戶(hù)外長(cháng)通道，在效率和穩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(zhù)接取點(diǎn)(AP)的廣泛部署而越顯重要。這一類(lèi)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及高階調變技術(shù)，將提升802.11ax的空間重用和頻譜效率，實(shí)現提高系統性能的目標。

　　種種挑戰，不容忽視

　　如同所有的新興標準一樣，802.11ax所采用的技術(shù)——例如OFDM和抗干擾處理技術(shù)，大幅提高了設計復雜度，并為工程師帶來(lái)形形色色的全新測試挑戰。其中一部份的挑戰涉及基本量測，如表中所示，而其他的挑戰則來(lái)自新的測試要求。例如，802.11ax規格中所定義的發(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)傳輸的測試項目。MU傳輸是802.11ax最重要的新功能之一，藉由提供傳輸準確性和同步STA，來(lái)強化有效運作。因此，各種支援MU傳輸的全新測試要求紛紛出籠。

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

　　除了前述的測試要求之外，還有許多亟待克服的設計挑戰。包括： __建立室內/戶(hù)外通道模型：__IEEE 802.11ax的目標是在室內和戶(hù)外操作時(shí)提升每一站的吞吐量。相較于室內通道，戶(hù)外通道通常具有較大的延遲擴展和通道時(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(hù)外空間通道模型的基準。

　　然而，這些模型也需要適當改善，以適用于新的規格。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(jìn)行建模、重新取樣和內插，以得到所需的系統頻寬。

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

　　__窄頻干擾：__窄頻干擾是802.11ax必須考量的問(wèn)題之一，這主要是因為內部傳輸訊號，或是來(lái)自其他裝置產(chǎn)生的訊號/諧波，落入802.11ax系統相同頻段所引發(fā)的問(wèn)題。業(yè)界正運用許多新技術(shù)來(lái)處理接收器，以減輕這種干擾所帶來(lái)的負面影響，例如經(jīng)過(guò)快速傅立葉轉換(FFT)、陷波濾波處理而產(chǎn)生CP/ZP-OFDM之后，可搭配使用音調消除技術(shù)。雙次載波調變(DCM)原本是用于BPSK、QPSK和16QAM調變的可選調變方式，現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)相當重要。

　　__執行更高階的調變：__802.11ax的主要目標是為用戶(hù)端的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路速度提升4倍達到10Gbps，其方式是采用新的調變及編碼方式(MCS)指數級10和11，以及搭配1024QAM調變機制。使用更高階的調變，系統將會(huì )變得對內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。如果系統的SNR高于35dB，將會(huì )很難利用經(jīng)濟實(shí)惠的硬體來(lái)處理，因為它超過(guò)了典型收發(fā)器的雜訊指數、減損和損失，尤其是在RF電路和ADC/DAC中。因此，唯有具備準確模擬能力，才能掌握真正的非理想硬體的訊號解調方式，以及隨之而來(lái)的BER/FER效應。

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

　　正面迎接挑戰

　　為了因應這些挑戰，工程師必須使用適當的測試及量測解決方案，以執行模擬、訊號產(chǎn)生和訊號分析，進(jìn)而解決在產(chǎn)品生命周期中從設計、驗證一直到最后的生產(chǎn)制造等各個(gè)階段的問(wèn)題。由于802.11ax是802.11標準的最新修訂版本，目前尚在發(fā)展階段，許多量測解決方案也還在開(kāi)發(fā)或進(jìn)行擴充，以便對新興標準提供支援。

　　不過(guò)，802.11ax系統設計工程師不用等到標準規格正式核可，就有測試選項可以使用。其中一種方案是使用現有的IP快速模擬新的802.11ax系統。這個(gè)作法可借助電子系統層級(ESL)設計軟體來(lái)實(shí)現。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基準發(fā)射器/接收器模型，并透過(guò)靈活的3GPP通道模型進(jìn)行連接，以因應新興標準的改變。有了這套軟體，工程師可開(kāi)發(fā)必要的數位訊號處理演算法(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(wú)線(xiàn)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(guò)實(shí)際的測試儀器來(lái)查看。這是對初期802.11ax裝置進(jìn)行測試的理想方式(參見(jiàn)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裝置設計和測試相關(guān)的挑戰。藉由SystemVue，在標準草案階段所開(kāi)發(fā)出的IP，可快速連接到各種儀器進(jìn)行設計驗證測試

　　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規格的要求。適用于802.11標準的Signal Studio軟體，經(jīng)過(guò)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(wú)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(shí)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，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可根據效能要求和測試狀況進(jìn)行最佳化，以滿(mǎn)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系列量測應用軟體，并透過(guò)訊號分析儀加以執行。每個(gè)解決方案均具備802.11ax調變分析選項，涵蓋所有的頻寬和調整類(lèi)型，可支援高達8x8 MIMO。兩者均支援多種硬體配置，可滿(mǎn)足工程師對效能、頻寬和通道的需求

　　結語(yǔ)

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

　　所幸現在已有眾多量測解決方案可供工程師進(jìn)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在產(chǎn)品生命周期各個(gè)階段的種種未來(lái)挑戰。

　　此外，這些解決方案的功能，將和802.11ax規格發(fā)展齊頭并進(jìn)，直到標準規格正式公布。在此過(guò)程中，這些解決方案不僅可確保工程師擁有合適工具來(lái)設計和測試802.11ax裝置，更有助于快速部署這些802.11ax裝置，以促進(jìn)業(yè)界的廣泛接受。