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眾所周知，無線通信標(biāo)準(zhǔn)在不斷演進，以提供日益增長的數(shù)據(jù)吞吐能力。數(shù)據(jù)速率的提高主要是通過協(xié)議物理層的增強實現(xiàn)的。這些增強一般都需要幾年的時間，這使得我們能夠同時展望未來的通信系統(tǒng)和RF測試要求的變化。目前最熱門的兩個無線標(biāo)準(zhǔn)是無線局域網(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是一個新標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)針對更高吞吐能力的無線連接而設(shè)計，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)的增強功能。目前新設(shè)計的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，其增強功能很有可能作為現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)的未來升級而提供。LTE-Advanced的主要細節(jié)包括使用8x8 MIMO技術(shù)和載波聚合技術(shù)，從而使用多達100 MHz的通道帶寬。 本文將探討這兩個標(biāo)準(zhǔn)的物理層特性，并介紹高數(shù)據(jù)速率是如何實現(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，我們將討論每個標(biāo)準(zhǔn)的物理層演進給當(dāng)前RF工程師帶來了怎樣的新測試挑戰(zhàn)。 不斷增加的空間流 第一個無線通信標(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。不過具有多個空間流的MIMO系統(tǒng)的設(shè)計卻允許背離香農(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獨立的空間流能夠有效地使數(shù)據(jù)速率達到傳統(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通道可以實現(xiàn)4倍的數(shù)據(jù)速率，8x8 MIMO通道則可以實現(xiàn)8倍的數(shù)據(jù)速率。 目前，IEEE 802.11ac和LTE-Advanced等新一代無線通信標(biāo)準(zhǔn)不斷地使用更多的空間流來提高數(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)的演進將帶來同樣的變化。目前的LTE規(guī)范可以實現(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將繼續(xù)向前發(fā)展。有關(guān)16x16 MIMO系統(tǒng)的研究已經(jīng)開始進行，未來有一我們會看到16x16 MIMO系統(tǒng)(這取決于研究的結(jié)果)。 對于新一代基于MIMO的通信系統(tǒng)的測試工程師而言，根據(jù)歷史事實，使用傳統(tǒng)儀器很難滿足多端口MIMO測量的同步要求(如果這些要求并不是無法滿足的話)。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試新一代無線標(biāo)準(zhǔn)所需的靈活性。比如，在典型的PXI系統(tǒng)中，只需在同樣的主機中增加更多的PXI下變頻器和數(shù)字化器，4通道RF信號分析儀就可以升級到8通道RF信號分析儀。 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途徑。根據(jù)歷史事實，在蜂窩領(lǐng)域，當(dāng)GSM/EDGE發(fā)展到UMTS時，僅增加數(shù)字調(diào)制信號的符號率即可增加通道帶寬。不過，大家普遍認為，在單載波通信系統(tǒng)中使用寬帶信號會產(chǎn)生固有的物理硬件挑戰(zhàn)。此外，由于具有更高符號率的系統(tǒng)會產(chǎn)生較短的符號周期，因此多徑衰落等其他常見的無線挑戰(zhàn)在寬帶單載波通信系統(tǒng)中的問題會越來越大。 目前，新一代無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)來提高有效的符號率，同時還可以避免出現(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的一種常見技術(shù)，這種技術(shù)可以將一個通道分成正交和較低符號率的子載波，從而實現(xiàn)更高的有效符號率，同時減輕多徑衰落問題。對于IEEE 802.11ac和LTE-Advanced等新一代標(biāo)準(zhǔn)而言，通過增加通道帶寬提高數(shù)據(jù)速率是通過使用以下兩種機制實現(xiàn)的：更多的子載波和載波聚合。 IEEE 802.11g是針對單個20-MHz OFDM通道而設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)，IEEE 802.11n則支持多達兩個20MHz通道的設(shè)備實現(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，通過使用更多的子載波實現(xiàn)了更高的帶寬。因此，20MHz模式采用64個子載波，40MHz模式采用128個子載波，80MHz模式采用256個子載波，160MHz模式采用512個子載波。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接入點同時采用兩個唯一的80MHz OFDM通道（每個通道256個子載波）。在下表中，我們對各種常見IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的不同調(diào)制類型、MIMO方案和通道帶寬進行了比較和對比。 表：各種WLAN標(biāo)準(zhǔn)的物理層特性。 
與IEEE 802.11ac一樣，LTE-Advanced也采用載波聚合方案來提高數(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的可擴展帶寬，LTE-Advanced也通過載波聚合擴展了通道帶寬。在新一代規(guī)范中，LTE-Advanced支持使用多達五個鄰近的20MHz載波，以獲得高達100 MHz的總通道帶寬。如今，許多有關(guān)未來的LTE-Advanced設(shè)備實際將使用的確切帶寬的問題仍然存在。由于無線頻譜的成本極高，很少會有設(shè)備使用全部100MHz的可用通道帶寬。 從測試的角度來看，IEEE 802.11ac和LTE-Advanced等新一代無線標(biāo)準(zhǔn)的更高帶寬將帶來相當(dāng)多的挑戰(zhàn)。比如，雖然IEEE 802.11ac將支持使用多達160 MHz通道帶寬的模式，但是目前的RF信號分析儀一般只有100 MHz或不到100 MHz的瞬間帶寬。當(dāng)測試使用寬帶載波聚合技術(shù)的設(shè)備時，單為滿足帶寬要求，工程師就需要根據(jù)多個RF信號發(fā)生器和分析儀組裝測試系統(tǒng)。在這些方案中，由于單個PXI系統(tǒng)中可以配置和通過軟件控制多個信號發(fā)生器和分析儀，因此PXI的模塊化可以帶來相當(dāng)多的好處。 更高階的調(diào)制類型 無線通信系統(tǒng)設(shè)計人員提高數(shù)據(jù)速率的第三個途徑是更高階的調(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)制類型可以實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。對于采用正交調(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，由于四個唯一的符號可以表示的最大位數(shù)為2[log2(4)=2]，因此4QAM通道具有每個符號表示2位的能力。同樣，16QAM通道的每個符號可以產(chǎn)生4位，64QAM通道的每個符號可以產(chǎn)生6位。 新的IEEE 802.11ac規(guī)范是首個支持256-QAM的消費者無線標(biāo)準(zhǔn)之一。256QAM格式的每個符號都可以產(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。以下圖為例，該圖是不同SNR條件下16QAM信號的星座圖。
圖：不同SNR條件下的16QAM星座圖。 正如我們在星座圖中所看到的，44dB的SNR對于在不產(chǎn)生誤碼的情況下解調(diào)16QAM信號已經(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中，每個新無線標(biāo)準(zhǔn)或調(diào)制類型都只是一個新的波形，它使得工程師的測試設(shè)備能夠隨著通信標(biāo)準(zhǔn)的演進而逐步發(fā)展。因此，在IEEE 802.11ac以及未來可能出現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)中增加對256QAM調(diào)制類型的支持將很有可能只需要通過更新軟件就能輕松實現(xiàn)。 本文小結(jié) 我們在探討新一代無線通信標(biāo)準(zhǔn)時，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。對于IEEE 802.11ac，這種趨勢最終會發(fā)展到采用8x8 MIMO的天線技術(shù)、高達160MHz的帶寬和256QAM。對于LTE-Advanced，其趨勢是支持8x8 MIMO配置和實現(xiàn)載波聚合技術(shù)，從而支持高達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，也會增加這些功能。比如，甚至是當(dāng)前“2.5G”EDGE標(biāo)準(zhǔn)的下一步演進也會采用載波聚合技術(shù)。此外，在UMTS中，HSPA+是最近才增加的一項增強技術(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。 雖然新一代無線標(biāo)準(zhǔn)會以更高數(shù)據(jù)速率的形式給消費者帶來各種顯而易見的好處，但是IEEE 802.11ac和LTE-Advanced無線電的設(shè)計和測試將出現(xiàn)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。從能夠處理更高帶寬的樓宇收發(fā)器到在單個手機設(shè)備中整合更多的天線，新一代標(biāo)準(zhǔn)都會提出相當(dāng)多的高硬件要求。這樣，新一代無線標(biāo)準(zhǔn)所需的測量和儀器也更具挑戰(zhàn)性。幸運的是，PXI測試裝置的模塊化和軟件定義架構(gòu)使其成為測試IEEE 802.11ac和LTE-Advanced等新興標(biāo)準(zhǔn)的傳統(tǒng)儀器的一個不可抗拒的替代方案。 |
