|
眾所周知，無(wú)線(xiàn)通信標準在不斷演進(jìn)，以提供日益增長(cháng)的數據吞吐能力。數據速率的提高主要是通過(guò)協(xié)議物理層的增強實(shí)現的。這些增強一般都需要幾年的時(shí)間，這使得我們能夠同時(shí)展望未來(lái)的通信系統和RF測試要求的變化。目前最熱門(mén)的兩個(gè)無(wú)線(xiàn)標準是無(wú)線(xiàn)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(gè)新標準，該標準針對更高吞吐能力的無(wú)線(xiàn)連接而設計，與基于IEEE 802.11a/g/n的當代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制類(lèi)型。我們將研究的一些關(guān)鍵的IEEE 802.11ac規范采用8x8多輸入多輸出(MIMO)天線(xiàn)技術(shù)、160MHz通道帶寬和256狀態(tài)正交調幅(256QAM)。 同樣，LTE-Advanced是3GPP LTE規范的演進(jìn)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。目前新設計的LTE網(wǎng)絡(luò )基于3GPP發(fā)行版8規范，而LTE-Advanced則基于3GPP發(fā)行版10規范，其增強功能很有可能作為現有LTE網(wǎng)絡(luò )的未來(lái)升級而提供。LTE-Advanced的主要細節包括使用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(gè)標準的物理層特性，并介紹高數據速率是如何實(shí)現的。我們還將討論更多的空間流、載波聚合和更高階的調制方案如何直接轉化成更高的數據吞吐能力。最后，我們將討論每個(gè)標準的物理層演進(jìn)給當前RF工程師帶來(lái)了怎樣的新測試挑戰。 不斷增加的空間流 第一個(gè)無(wú)線(xiàn)通信標準為提高數據速率而引入MIMO天線(xiàn)技術(shù)已經(jīng)有五年多了。在MIMO以前，一般將香農-哈特利(Shannon-Hartley)定理作為給定數據通信通道的理論數據吞吐能力的模型： 容量=帶寬×log2(1+SNR) 根據該定理，通過(guò)影響通道帶寬或信噪比(SNR)可以提高特定通道的數據速率。不過(guò)具有多個(gè)空間流的MIMO系統的設計卻允許背離香農哈特利定理。在2x2 MIMO系統中，在同一物理通道中使用兩個(gè)獨立的空間流能夠有效地使數據速率達到傳統的單輸入單輸出(SISO)系統的應有數據速率的兩倍。相應地，4x4 MIMO通道可以實(shí)現4倍的數據速率，8x8 MIMO通道則可以實(shí)現8倍的數據速率。 目前，IEEE 802.11ac和LTE-Advanced等新一代無(wú)線(xiàn)通信標準不斷地使用更多的空間流來(lái)提高數據吞吐能力。比如，Wi-Fi的前身IEEE 802.11n采用復雜的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(jìn)將帶來(lái)同樣的變化。目前的LTE規范可以實(shí)現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向前發(fā)展。有關(guān)16x16 MIMO系統的研究已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行，未來(lái)有一我們會(huì )看到16x16 MIMO系統(這取決于研究的結果)。 對于新一代基于MIMO的通信系統的測試工程師而言，根據歷史事實(shí)，使用傳統儀器很難滿(mǎn)足多端口MIMO測量的同步要求(如果這些要求并不是無(wú)法滿(mǎn)足的話(huà))。如今，PXI儀器的模塊化和軟件定義架構可以為工程師提供測試新一代無(wú)線(xiàn)標準所需的靈活性。比如，在典型的PXI系統中，只需在同樣的主機中增加更多的PXI下變頻器和數字化器，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 正如香農哈特利定理的所述，增加數字通信通道的帶寬是增加通道帶寬的第二個(gè)途徑。根據歷史事實(shí)，在蜂窩領(lǐng)域，當GSM/EDGE發(fā)展到UMTS時(shí)，僅增加數字調制信號的符號率即可增加通道帶寬。不過(guò)，大家普遍認為，在單載波通信系統中使用寬帶信號會(huì )產(chǎn)生固有的物理硬件挑戰。此外，由于具有更高符號率的系統會(huì )產(chǎn)生較短的符號周期，因此多徑衰落等其他常見(jiàn)的無(wú)線(xiàn)挑戰在寬帶單載波通信系統中的問(wèn)題會(huì )越來(lái)越大。 目前，新一代無(wú)線(xiàn)通信通道整合正交頻分復用(OFDM)技術(shù)和載波聚合技術(shù)來(lái)提高有效的符號率，同時(shí)還可以避免出現寬帶單載波通信系統的傳統挑戰。OFDM是目前用于IEEE 802.11a/g/n和LTE的一種常見(jiàn)技術(shù)，這種技術(shù)可以將一個(gè)通道分成正交和較低符號率的子載波，從而實(shí)現更高的有效符號率，同時(shí)減輕多徑衰落問(wèn)題。對于IEEE 802.11ac和LTE-Advanced等新一代標準而言，通過(guò)增加通道帶寬提高數據速率是通過(guò)使用以下兩種機制實(shí)現的：更多的子載波和載波聚合。 IEEE 802.11g是針對單個(gè)20-MHz OFDM通道而設計的標準，IEEE 802.11n則支持多達兩個(gè)20MHz通道的設備實(shí)現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(guò)使用更多的子載波實(shí)現了更高的帶寬。因此，20MHz模式采用64個(gè)子載波，40MHz模式采用128個(gè)子載波，80MHz模式采用256個(gè)子載波，160MHz模式采用512個(gè)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(guò)接入點(diǎn)同時(shí)采用兩個(gè)唯一的80MHz OFDM通道（每個(gè)通道256個(gè)子載波）。在下表中，我們對各種常見(jiàn)IEEE 802.11標準的不同調制類(lèi)型、MIMO方案和通道帶寬進(jìn)行了比較和對比。 表：各種WLAN標準的物理層特性。 
與IEEE 802.11ac一樣，LTE-Advanced也采用載波聚合方案來(lái)提高數據吞吐能力。源自3GPP發(fā)行版8的原始LTE規范支持1.4至20 MHz的可擴展帶寬，LTE-Advanced也通過(guò)載波聚合擴展了通道帶寬。在新一代規范中，LTE-Advanced支持使用多達五個(gè)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(lái)的LTE-Advanced設備實(shí)際將使用的確切帶寬的問(wèn)題仍然存在。由于無(wú)線(xiàn)頻譜的成本極高，很少會(huì )有設備使用全部100MHz的可用通道帶寬。 從測試的角度來(lái)看，IEEE 802.11ac和LTE-Advanced等新一代無(wú)線(xiàn)標準的更高帶寬將帶來(lái)相當多的挑戰。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。當測試使用寬帶載波聚合技術(shù)的設備時(shí)，單為滿(mǎn)足帶寬要求，工程師就需要根據多個(gè)RF信號發(fā)生器和分析儀組裝測試系統。在這些方案中，由于單個(gè)PXI系統中可以配置和通過(guò)軟件控制多個(gè)信號發(fā)生器和分析儀，因此PXI的模塊化可以帶來(lái)相當多的好處。 更高階的調制類(lèi)型 無(wú)線(xiàn)通信系統設計人員提高數據速率的第三個(gè)途徑是更高階的調制類(lèi)型。正如香農哈特利定理所述，增加SNR相當于增加數據吞吐能力。對于數字通信系統而言，采用更高階的調制類(lèi)型可以實(shí)現更高的數據速率。對于采用正交調幅(QAM)的系統而言，物理通道的吞吐能力與QAM的“階數”直接相關(guān)。例如，由于四個(gè)唯一的符號可以表示的最大位數為2[log2(4)=2]，因此4QAM通道具有每個(gè)符號表示2位的能力。同樣，16QAM通道的每個(gè)符號可以產(chǎn)生4位，64QAM通道的每個(gè)符號可以產(chǎn)生6位。 新的IEEE 802.11ac規范是首個(gè)支持256-QAM的消費者無(wú)線(xiàn)標準之一。256QAM格式的每個(gè)符號都可以產(chǎn)生8位[log2(256)=8]，因此與僅采用64QAM的系統相比，可以實(shí)現高33%的吞吐能力。當然，采用256QAM等更高階調制類(lèi)型的數字通信通道的功能要求能夠維持足夠高的SNR。無(wú)線(xiàn)通信系統采用自適應調制類(lèi)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調制類(lèi)型)會(huì )產(chǎn)生相當多的誤碼。在這種情況下，QPSK等低階調制類(lèi)型可能更加合適。鑒于這些考慮因素，你可能會(huì )恰當地假設IEEE 802.11ac將在SNR相當高的情況下僅采用256QAM調制類(lèi)型。 從儀器的角度來(lái)看，增加新調制類(lèi)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(gè)新無(wú)線(xiàn)標準或調制類(lèi)型都只是一個(gè)新的波形，它使得工程師的測試設備能夠隨著(zhù)通信標準的演進(jìn)而逐步發(fā)展。因此，在IEEE 802.11ac以及未來(lái)可能出現的標準中增加對256QAM調制類(lèi)型的支持將很有可能只需要通過(guò)更新軟件就能輕松實(shí)現。 本文小結 我們在探討新一代無(wú)線(xiàn)通信標準時(shí)，看到了使用更多的空間流、更寬的通道帶寬和更高階的調制類(lèi)型提高數據吞吐能力的發(fā)展趨勢。對于IEEE 802.11ac，這種趨勢最終會(huì )發(fā)展到采用8x8 MIMO的天線(xiàn)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(shí)現載波聚合技術(shù)，從而支持高達100MHz的通道帶寬。同樣，還應該注意的是，現有的2G和3G蜂窩標準也在不斷演進(jìn)，也會(huì )增加這些功能。比如，甚至是當前“2.5G”EDGE標準的下一步演進(jìn)也會(huì )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)，從而提高現有3G蜂窩通信網(wǎng)絡(luò )的吞吐能力。 雖然新一代無(wú)線(xiàn)標準會(huì )以更高數據速率的形式給消費者帶來(lái)各種顯而易見(jiàn)的好處，但是IEEE 802.11ac和LTE-Advanced無(wú)線(xiàn)電的設計和測試將出現相當大的挑戰。從能夠處理更高帶寬的樓宇收發(fā)器到在單個(gè)手機設備中整合更多的天線(xiàn)，新一代標準都會(huì )提出相當多的高硬件要求。這樣，新一代無(wú)線(xiàn)標準所需的測量和儀器也更具挑戰性。幸運的是，PXI測試裝置的模塊化和軟件定義架構使其成為測試IEEE 802.11ac和LTE-Advanced等新興標準的傳統儀器的一個(gè)不可抗拒的替代方案。 |
