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透視802.11ax：解讀新一代無線網路標準

知識百科

消費者和企業現在已經離不開無線資料存取 。 過去30年來， 資訊趨向自由流通， 帶動整體產業的轉型與成長， 不僅有助于促進增加生產力， 并且為業界創造了更大的利潤 。 IEEE 802.11標準規范下的Wi-Fi技術， 成為轉型過程中的一大關鍵助力， 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標準——802.11ax， 使用2.4GHz或5GHz頻段， 更進一步承諾提升連線速度， 并且支援OFDM、高達1024QAM以及多用戶的多重輸入多重輸出(MIMO)技術 。
802.11ax標準雖仍處于初期開發階段， 但業界一片看好， 特別是它具有在室內與戶外環境實現高密度部署的一大優勢 。 然而， 和所有的新興標準一樣， 隨著技術不斷推陳出新， 伴隨而來的是全新的測試挑戰 。
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， 大幅提升了每個空間串流的效率(以及資料吞吐量) 。 與802.11ac相似， 802.11ax也作業于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， 同時有效改善行動裝置的電源利用率 。 而且除了改進理論上的系統吞吐量(如各種新技術宣稱的標準規格)之外， 即使是在使用者的實際環境中， 包括人口稠密的場所、室內與戶外等存在干擾源的環境， 也可以達到提升吞吐量的作用 。
簡單地說， 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 。 對于互動式高畫質(HD)視訊等新興應用的發展， 這無疑是大好消息， 因為這些領域通常要求在眾多Wi-Fi使用者密集的嚴苛環境下操作(例如體育館和大眾運輸系統) 。
為了實現以上的這些目標， 802.11ax必須使用一些不同的技術 。 盡管此標準預計將以OFDM為基礎， 但不乏其他技術可供選擇， 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技術必須因應802.11ax進行調整， 以便使用更窄的次載波間隔(4倍符號長度)與更多的可變循環前置(CP)區間， 以因應不同的使用情境， 尤其是戶外長通道， 在效率和穩定性之間加以取舍變得至關重要 。
另一項可提高網路性能的候選技術是交疊基本服務集(OBSS)抗干擾處理 。 OBSS技術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(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技術便是為此而生 。 前述OFDM、OFDMA、MU-MIMO及高階調變技術， 將提升802.11ax的空間重用和頻譜效率， 實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——例如OFDM和抗干擾處理技術， 大幅提高了設計復雜度， 并為工程師帶來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， 而其他的挑戰則來自新的測試要求 。 例如， 802.11ax規格中所定義的發射器測試和關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 。

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表1：即使是基本量測， 也會因802.11ax所采用的全新技術而產生許多測試挑戰
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/戶外通道模型：__IEEE 802.11ax的目標是在室內和戶外操作時提升每一站的吞吐量 。 相較于室內通道， 戶外通道通常具有較大的延遲擴展和通道時間變化 。 有鑒于此， 業界選用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 。 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面臨的一大問題， 建立室內和戶外情境之路徑損耗模型成為當務之急 。 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， 而戶外情境則將在UMi路徑損耗模型的基礎上發展 。
__窄頻干擾：__窄頻干擾是802.11ax必須考量的問題之一， 這主要是因為內部傳輸訊號， 或是來自其他裝置產生的訊號/諧波， 落入802.11ax系統相同頻段所引發的問題 。 業界正運用許多新技術來處理接收器， 以減輕這種干擾所帶來的負面影響， 例如經過快速傅立葉轉換(FFT)、陷波濾波處理而產生CP/ZP-OFDM之后， 可搭配使用音調消除技術 。 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方案 。 確保802.11ax量測解決方案全面支援這些技術相當重要 。
__執行更高階的調變：__802.11ax的主要目標是為用戶端的無線網路速度提升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， 將會很難利用經濟實惠的硬體來處理， 因為它超過了典型收發器的雜訊指數、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， 以及隨之而來的BER/FER效應 。
MIMO檢測技術：在接收器方面， 采用1024QAM的MIMO系統主要面臨的技術瓶頸， 在于現有MIMO檢測技術的擴展性 。 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 。 同時還有許多次優選擇的檢測器， 可協助進行復雜度/系統效能的取舍 。 然而， 隨著802.11ax的問世， 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 。
【透視802.11ax：解讀新一代無線網路標準】 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、訊號產生和訊號分析， 進而解決在產品生命周期中從設計、驗證一直到最后的生產制造等各個階段的問題 。 由于802.11ax是802.11標準的最新修訂版本， 目前尚在發展階段， 許多量測解決方案也還在開發或進行擴充， 以便對新興標準提供支援 。
不過， 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 。 這個作法可借助電子系統層級(ESL)設計軟體來實現 。 靈活的ESL軟體可協助工程師修改目前的802.11ac資料庫和OFDM基準發射器/接收器模型， 并透過靈活的3GPP通道模型進行連接， 以因應新興標準的改變 。 有了這套軟體， 工程師可開發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， 并透過實際的測試儀器來查看 。 這是對初期802.11ax裝置進行測試的理想方式(參見圖1) 。
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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的挑戰 。 藉由SystemVue， 在標準草案階段所開發出的IP， 可快速連接到各種儀器進行設計驗證測試 。
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， 經過加強后可支援802.11ax 。 利用這套軟體， 工程師可輕松快速地產生測試訊號， 有無減損皆可， 然后將波形下載到訊號產生器 。 這套理想的802.11ax訊號產生軟體支援新一代802.11ax的所有功能， 并包括1024QAM、Long Symbol/Guard、OFDMA、MU-MIMO和DCM；同時還可產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協定資料單元(PPDU)的802.11ax格式 。
Keysight 89600 VSA軟體可協助工程師解調變和分析802.11ax訊號 。 一般而言， 訊號產生和訊號分析硬體平臺應可根據效能要求和測試狀況進行最佳化， 以滿足研發和制造需求 。
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圖2：圖中顯示802.11ax的分析流程， 使用Keysight 89600 VSA軟體和X系列量測應用軟體， 并透過訊號分析儀加以執行 。 每個解決方案均具備802.11ax調變分析選項， 涵蓋所有的頻寬和調整類型， 可支援高達8x8 MIMO 。 兩者均支援多種硬體配置， 可滿足工程師對效能、頻寬和通道的需求
結語
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， 更有望確實改善終端用戶的使用經驗， 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， 它所采用的技術和方法， 將在802.11ax裝置設計和測試過程中， 為工程師帶來許多獨特的挑戰 。
所幸現在已有眾多量測解決方案可供工程師進行模擬、訊號產生和訊號分析， 以便測試802.11ax裝置， 并協助他們從容面對將出現在產品生命周期各個階段的種種未來挑戰 。
此外， 這些解決方案的功能， 將和802.11ax規格發展齊頭并進， 直到標準規格正式公布 。 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， 以促進業界的廣泛接受 。