深入認(rèn)識(shí)802.11ax 解讀下一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)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(jìn)一步承諾提升連接速度，并且支持OFDM、高達(dá)1024QAM以及多用戶的多重輸入多重輸出（MIMO）技術(shù)。

　　消費(fèi)者和企業(yè)現(xiàn)在已經(jīng)離不開(kāi)無(wú)線資料存取。過(guò)去30年來(lái)，信息趨向自由流通，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(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)一步承諾提升連接速度，并且支持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(kāi)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(lái)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)支持多達(dá)4個(gè)空間數(shù)據(jù)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（以及數(shù)據(jù)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(shuō)，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)于交互式高畫(huà)質(zhì)（HD）視訊等新興應(yīng)用的發(fā)展，這無(wú)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通常用于高數(shù)據(jù)率系統(tǒng)，藉以對(duì)抗信道的不規(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)絡(luò)性能的候選技術(shù)是交迭基本服務(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(lái)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(lái)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(lái)強(qiáng)化有效運(yùn)作。因此，各種支持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)/戶外信道模型：__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)信道，戶外信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）信道模型，作為802.11ax戶外空間信道模型的基準(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的信道模型需加以擴(kuò)大，以支持802.11ax的160MHz帶寬。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)帶寬。

　　此外，由于路徑損耗是802.11ax面臨的一大問(wèn)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信道B與D模型已廣泛用于室內(nèi)情境，藉以仿真墻壁和地板的訊號(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必須考慮的問(wèn)題之一，這主要是因?yàn)閮?nèi)部傳輸訊號(hào)，或是來(lái)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(wèn)題。業(yè)界正運(yùn)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(fù)面影響，例如經(jīng)過(guò)快速傅立葉變換（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)解決方案全面支持這些技術(shù)相當(dāng)重要。

　　__執(zhí)行更高階的調(diào)變：__802.11ax的主要目標(biāo)是為客戶端的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)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)惠的硬件來(lái)處理，因?yàn)樗^(guò)了典型收發(fā)器的噪聲指數(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件的訊號(hào)解調(diào)方式，以及隨之而來(lái)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(wèn)世，建立模型并測(cè)試全新檢測(cè)算法的仿真成果，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)行仿真、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(wèn)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(kāi)發(fā)或進(jìn)行擴(kuò)充，以便對(duì)新興標(biāo)準(zhǔn)提供支持。

　　不過(guò)，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快速仿真新的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)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。靈活的ESL軟件可協(xié)助工程師修改目前的802.11ac數(shù)據(jù)庫(kù)和OFDM基準(zhǔn)發(fā)射器/接收器模型，并透過(guò)靈活的3GPP信道模型進(jìn)行連接，以因應(yīng)新興標(biāo)準(zhǔn)的改變。有了這套軟件，工程師可開(kāi)發(fā)必要的數(shù)字訊號(hào)處理算法（如優(yōu)化MIMO檢測(cè)法）、仿真基頻訊號(hào)處理、建立RF收發(fā)器的模型，甚至是建立無(wú)線通道——一切均在彈指間搞定。

　　在ESL軟件連接到各式各樣的硬件后，工程師可存取其仿真波形，并透過(guò)實(shí)際的測(cè)試儀器來(lái)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(jiàn)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軟件，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(kāi)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軟件，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軟件，經(jīng)過(guò)加強(qiáng)后可支持802.11ax。利用這套軟件，工程師可輕松快速地產(chǎn)生測(cè)試訊號(hào)，有無(wú)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)生軟件支持新一代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)生多用戶的訊號(hào)波形。不僅如此，Signal Studio軟件擁有靈活的階層參數(shù)，以支持各種新一代高效率（HE）PLCP協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PPDU）的802.11ax格式。

　　Keysight 89600 VSA軟件可協(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)分析硬件平臺(tái)應(yīng)可根據(jù)效能要求和測(cè)試狀況進(jìn)行優(yōu)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軟件和X系列量測(cè)應(yīng)用軟件，并透過(guò)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)，涵蓋所有的帶寬和調(diào)整類型，可支持高達(dá)8x8 MIMO。兩者均支持多種硬件配置，可滿足工程師對(duì)效能、帶寬和通道的需求

　　結(jié)語(yǔ)

　　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(guò)程中，為工程師帶來(lái)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)行仿真、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(lái)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(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(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。