深入认识802.11ax

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新一代802.11标准——802.11ax，使用2.4GHz或5GHz频段，更进一步承诺提升连线速度，并且支援OFDM、高达1024QAM以及多用户的多重输入多重输出(MIMO)技术。
消费者和企业现在已经离不开无线资料存取。过去30年来，资讯趋向自由流通，带动整体产业的转型与成长，不仅有助于促进增加生产力，并且为业界创造了更大的利润。IEEE 802.11标准规范下的Wi-Fi技术，成为转型过程中的一大关键助力，为使用者提供涵盖范围广、成本低、传输速率快的无线连接方式。
  新一代802.11标准——802.11ax，使用2.4GHz或5GHz频段，更进一步承诺提升连线速度，并且支援OFDM、高达1024QAM以及多用户的多重输入多重输出(MIMO)技术。
  深入认识802.11ax
  为了深入了解802.11ax标准，首先必须回头检视802.11ac标准。802.11ac标准支援多达4个空间资料串流;而2016年1月公布的802.11ax草案规格基于802.11ac，并将空间串流的数目增加了一倍，大幅提升了每个空间串流的效率(以及资料吞吐量)。与802.11ac相似，802.11ax也作业于5GHz频段作，以便为80MHz和160Hz通道提供更广阔的频谱空间。
  802.11ax之所以如此具有吸引力，原因在于它可以显着提升吞吐量，同时有效改善行动装置的电源利用率。而且除了改进理论上的系统吞吐量(如各种新技术宣称的标准规格)之外，即使是在使用者的实际环境中，包括人口稠密的场所、室内与户外等存在干扰源的环境，也可以达到提升吞吐量的作用。
  简单地说，802.11ax承诺消费者可获得更出色的使用者体验，并涵盖所有可能的应用情境。对于互动式高画质(HD)视讯等新兴应用的发展，这无疑是大好消息，因为这些领域通常要求在众多Wi-Fi使用者密集的严苛环境下操作(例如体育馆和大众运输系统)。
  为了实现以上的这些目标，802.11ax必须使用一些不同的技术。尽管此标准预计将以OFDM为基础，但不乏其他技术可供选择，包括OFDMA、MU-MIMO以及高阶调变。OFDM通常用于高资料率系统，藉以对抗通道的不规则性(例如选择性衰减)。但OFDM技术必须因应802.11ax进行调整，以便使用更窄的次载波间隔(4倍符号长度)与更多的可变循环前置(CP)区间，以因应不同的使用情境，尤其是户外长通道，在效率和稳定性之间加以取舍变得至关重要。
  另一项可提高网路性能的候选技术是交叠基本服务集(OBSS)抗干扰处理。OBSS技术具有多种不同的形式，并可能包含波束成形接收的某些变化，随着接取点(AP)的广泛部署而越显重要。这一类部署突显了频谱管理、降低相邻AP干扰的重要性，OBSS技术便是为此而生。前述OFDM、OFDMA、MU-MIMO及高阶调变技术，将提升802.11ax的空间重用和频谱效率，实现提高系统性能的目标。
  种种挑战，不容忽视
  如同所有的新兴标准一样，802.11ax所采用的技术——例如OFDM和抗干扰处理技术，大幅提高了设计复杂度，并为工程师带来形形色色的全新测试挑战。其中一部份的挑战涉及基本量测，如表中所示，而其他的挑战则来自新的测试要求。例如，802.11ax规格中所定义的发射器测试和关键的接收器测试虽然均承袭802.11ac，但也新增了多重使用者(MU)传输的测试项目。MU传输是802.11ax最重要的新功能之一，藉由提供传输准确性和同步STA，来强化有效运作。因此，各种支援MU传输的全新测试要求纷纷出笼。

                               
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  表1：即使是基本量测，也会因802.11ax所采用的全新技术而产生许多测试挑战  除了前述的测试要求之外，还有许多亟待克服的设计挑战。包括： __建立室内/户外通道模型：__IEEE 802.11ax的目标是在室内和户外操作时提升每一站的吞吐量。相较于室内通道，户外通道通常具有较大的延迟扩展和通道时间变化。有鉴于此，业界选用3GPP ITU-R Urban Micro (UMi)及Urban Macro (UMa)通道模型，作为802.11ax户外空间通道模型的基准。
  然而，这些模型也需要适当改善，以适用于新的规格。例如ITU-R的通道模型需加以扩大，以支援802.11ax的160MHz频宽。一旦修改完成，还需要进行建模、重新取样和内插，以得到所需的系统频宽。
  此外，由于路径损耗是802.11ax面临的一大问题，建立室内和户外情境之路径损耗模型成为当务之急。TGn通道B与D模型已广泛用于室内情境，藉以模拟墙壁和地板的讯号穿透能力，而户外情境则将在UMi路径损耗模型的基础上发展。
  __窄频干扰：__窄频干扰是802.11ax必须考量的问题之一，这主要是因为内部传输讯号，或是来自其他装置产生的讯号/谐波，落入802.11ax系统相同频段所引发的问题。业界正运用许多新技术来处理接收器，以减轻这种干扰所带来的负面影响，例如经过快速傅立叶转换(FFT)、陷波滤波处理而产生CP/ZP-OFDM之后，可搭配使用音调消除技术。双次载波调变(DCM)原本是用于BPSK、QPSK和16QAM调变的可选调变方式，现在也成了另一种可行的技术方案。确保802.11ax量测解决方案全面支援这些技术相当重要。
  __执行更高阶的调变：__802.11ax的主要目标是为用户端的无线网路速度提升4倍达到10Gbps，其方式是采用新的调变及编码方式(MCS)指数级10和11，以及搭配1024QAM调变机制。使用更高阶的调变，系统将会变得对内部和外部衰减更加敏感，因此需要更高的SNR，以维持可接受的BER/FER级。如果系统的SNR高于35dB，将会很难利用经济实惠的硬体来处理，因为它超过了典型收发器的杂讯指数、减损和损失，尤其是在RF电路和ADC/DAC中。因此，唯有具备准确模拟能力，才能掌握真正的非理想硬体的讯号解调方式，以及随之而来的BER/FER效应。
  __MIMO检测技术：__在接收器方面，采用1024QAM的MIMO系统主要面临的技术瓶颈，在于现有MIMO检测技术的扩展性。目前在MIMO系统中有许多主流检测器，例如，归零(ZF)、最小均方误差(MMSE)，以及极其复杂的最大相似度(ML)检测器。同时还有许多次优选择的检测器，可协助进行复杂度/系统效能的取舍。然而，随着802.11ax的问世，建立模型并测试全新检测演算法的模拟成果，变成当前的首要任务。
  正面迎接挑战
  为了因应这些挑战，工程师必须使用适当的测试及量测解决方案，以执行模拟、讯号产生和讯号分析，进而解决在产品生命周期中从设计、验证一直到最后的生产制造等各个阶段的问题。由于802.11ax是802.11标准的最新修订版本，目前尚在发展阶段，许多量测解决方案也还在开发或进行扩充，以便对新兴标准提供支援。
  不过，802.11ax系统设计工程师不用等到标准规格正式核可，就有测试选项可以使用。其中一种方案是使用现有的IP快速模拟新的802.11ax系统。这个作法可借助电子系统层级(ESL)设计软体来实现。灵活的ESL软体可协助工程师修改目前的802.11ac资料库和OFDM基准发射器/接收器模型，并透过灵活的3GPP通道模型进行连接，以因应新兴标准的改变。有了这套软体，工程师可开发必要的数位讯号处理演算法(如最佳化MIMO检测法)、模拟基频讯号处理、建立RF收发器的模型，甚至是建立无线通道——一切均在弹指间搞定。
  在ESL软体连接到各式各样的硬体后，工程师可存取其模拟波形，并透过实际的测试仪器来查看。这是对初期802.11ax装置进行测试的理想方式(参见图1)。

                               
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  图1：图中显示初期的802.11ax装置评估流程图。流程的核心是Keysight systemVue ESL软体，它具有强大的功能及灵活性，可解决与802.11ax装置设计和测试相关的挑战。藉由SystemVue，在标准草案阶段所开发出的IP，可快速连接到各种仪器进行设计验证测试  除了灵活的ESL软体，还有若干其他的解决方案，可在测试期间使用，以符合802.11ax规格的要求。适用于802.11标准的Signal Studio软体，经过加强后可支援802.11ax。利用这套软体，工程师可轻松快速地产生测试讯号，有无减损皆可，然后将波形下载到讯号产生器。
  这套理想的802.11ax讯号产生软体支援新一代802.11ax的所有功能，并包括1024QAM、Long Symbol/Guard、OFDMA、MU-MIMO和DCM;同时还可产生多使用者的讯号波形。不仅如此，Signal Studio软体拥有灵活的阶层参数，以支援各种新一代高效率(HE)PLCP协定资料单元(PPDU)的802.11ax格式。
  Keysight 89600 VSA软体可协助工程师解调变和分析802.11ax讯号。一般而言，讯号产生和讯号分析硬体平台应可根据效能要求和测试状况进行最佳化，以满足研发和制造需求。

                               
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  图2：图2显示802.11ax的分析流程，使用Keysight 89600 VSA软体和X系列量测应用软体，并透过讯号分析仪加以执行。每个解决方案均具备802.11ax调变分析选项，涵盖所有的频宽和调整类型，可支援高达8x8 MIMO。两者均支援多种硬体配置，可满足工程师对效能、频宽和通道的需求  结语
  802.11ax是802.11系列标准的下一代规格，不仅承诺提供更高的吞吐量，更有望确实改善终端用户的使用经验，特别是达成密集部署的目标。虽然目前仍非最终标准规格，但很显然地，它所采用的技术和方法，将在802.11ax装置设计和测试过程中，为工程师带来许多独特的挑战。
  所幸现在已有众多量测解决方案可供工程师进行模拟、讯号产生和讯号分析，以便测试802.11ax装置，并协助他们从容面对将出现在产品生命周期各个阶段的种种未来挑战。
  此外，这些解决方案的功能，将和802.11ax规格发展齐头并进，直到标准规格正式公布。在此过程中，这些解决方案不仅可确保工程师拥有合适工具来设计和测试802.11ax装置，更有助于快速部署这些802.11ax装置，以促进业界的广泛接受。

小鑫鑫

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