无线标准：IEEE 802.11ac和LTE-Advanced

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众所周知，无线通信标准在不断演进，以提供日益增长的数据吞吐能力。数据速率的提高主要是通过协议物理层的增强实现的。这些增强一般都需要几年的时间，这使得我们能够同时展望未来的通信系统和RF测试要求的变化。目前最热门的两个无线标准是无线局域网(WLAN)产品领域的IEEE 802.11ac和蜂窝通信领域的3GPP LTE-Advanced。
         
          IEEE 802.11ac是一个新标准，该标准针对更高吞吐能力的无线连接而设计，与基于IEEE 802.11a/g/n的当代Wi-Fi产品相比，具有更多的MIMO通道、更高的带宽和更高阶的调制类型。我们将研究的一些关键的IEEE 802.11ac规范采用8x8多输入多输出(MIMO)天线技术、160MHz通道带宽和256状态正交调幅(256QAM)。
         
        同样，LTE-Advanced是3GPP LTE规范的演进版本，它具有各种还包含更多空间流和载波聚合技术的增强功能。目前新设计的LTE网络基于3GPP发行版8规范，而LTE-Advanced则基于3GPP发行版10规范，其增强功能很有可能作为现有LTE网络的未来升级而提供。LTE-Advanced的主要细节包括使用8x8 MIMO技术和载波聚合技术，从而使用多达100 MHz的通道带宽。
         
        本文将探讨这两个标准的物理层特性，并介绍高数据速率是如何实现的。我们还将讨论更多的空间流、载波聚合和更高阶的调制方案如何直接转化成更高的数据吞吐能力。最后，我们将讨论每个标准的物理层演进给当前RF工程师带来了怎样的新测试挑战。
         
        不断增加的空间流
         
        第一个无线通信标准为提高数据速率而引入MIMO天线技术已经有五年多了。在MIMO以前，一般将香农-哈特利(Shannon-Hartley)定理作为给定数据通信通道的理论数据吞吐能力的模型：
         
        容量=带宽×log2(1+SNR)
         
        根据该定理，通过影响通道带宽或信噪比(SNR)可以提高特定通道的数据速率。不过具有多个空间流的MIMO系统的设计却允许背离香农哈特利定理。在2x2 MIMO系统中，在同一物理通道中使用两个独立的空间流能够有效地使数据速率达到传统的单输入单输出(SISO)系统的应有数据速率的两倍。相应地，4x4 MIMO通道可以实现4倍的数据速率，8x8 MIMO通道则可以实现8倍的数据速率。
         
        目前，IEEE 802.11ac和LTE-Advanced等新一代无线通信标准不断地使用更多的空间流来提高数据吞吐能力。比如，Wi-Fi的前身IEEE 802.11n采用复杂的4x4 MIMO配置，新一代802.11ac采用8x8 MIMO配置。从LTE到LTE-Advanced的蜂窝通信技术的演进将带来同样的变化。目前的LTE规范可以实现4X4 MIMO下行链路通道，而LTE-Advanced则支持8x8 MIMO下行链路通道。除IEEE 802.11ac和LTE-Advanced之外，我们将看到这一趋势将继续向前发展。有关16x16 MIMO系统的研究已经开始进行，未来有一我们会看到16x16 MIMO系统(这取决于研究的结果)。
         
        对于新一代基于MIMO的通信系统的测试工程师而言，根据历史事实，使用传统仪器很难满足多端口MIMO测量的同步要求(如果这些要求并不是无法满足的话)。如今，PXI仪器的模块化和软件定义架构可以为工程师提供测试新一代无线标准所需的灵活性。比如，在典型的PXI系统中，只需在同样的主机中增加更多的PXI下变频器和数字化器，4通道RF信号分析仪就可以升级到8通道RF信号分析仪。
         
        更高的通道带宽
         
        正如香农哈特利定理的所述，增加数字通信通道的带宽是增加通道带宽的第二个途径。根据历史事实，在蜂窝领域，当GSM/EDGE发展到UMTS时，仅增加数字调制信号的符号率即可增加通道带宽。不过，大家普遍认为，在单载波通信系统中使用宽带信号会产生固有的物理硬件挑战。此外，由于具有更高符号率的系统会产生较短的符号周期，因此多径衰落等其他常见的无线挑战在宽带单载波通信系统中的问题会越来越大。
         
        目前，新一代无线通信通道整合正交频分复用(OFDM)技术和载波聚合技术来提高有效的符号率，同时还可以避免出现宽带单载波通信系统的传统挑战。OFDM是目前用于IEEE 802.11a/g/n和LTE的一种常见技术，这种技术可以将一个通道分成正交和较低符号率的子载波，从而实现更高的有效符号率，同时减轻多径衰落问题。对于IEEE 802.11ac和LTE-Advanced等新一代标准而言，通过增加通道带宽提高数据速率是通过使用以下两种机制实现的：更多的子载波和载波聚合。
         
        IEEE 802.11g是针对单个20-MHz OFDM通道而设计的标准，IEEE 802.11n则支持多达两个20MHz通道的设备实现40MHz的总带宽，从而增加载波聚合技术。相比之下，IEEE 802.11ac支持20、40、80和160MHz通道带宽方案。在40和80MHz模式的IEEE 802.11ac中，通过使用更多的子载波实现了更高的带宽。因此，20MHz模式采用64个子载波，40MHz模式采用128个子载波，80MHz模式采用256个子载波，160MHz模式采用512个子载波。相比之下，80+80 MHz模式的IEEE 802.11ac将采用略有不同的方案。在这种模式下，载波聚合方案将通过接入点同时采用两个唯一的80MHz OFDM通道（每个通道256个子载波）。在表1中，我们对各种常见IEEE 802.11标准的不同调制类型、MIMO方案和通道带宽进行了比较和对比。
         
        与IEEE 802.11ac一样，LTE-Advanced也采用载波聚合方案来提高数据吞吐能力。源自3GPP发行版8的原始LTE规范支持1.4至20 MHz的可扩展带宽，LTE-Advanced也通过载波聚合扩展了通道带宽。在新一代规范中，LTE-Advanced支持使用多达五个邻近的20MHz载波，以获得高达100 MHz的总通道带宽。如今，许多有关未来的LTE-Advanced设备实际将使用的确切带宽的问题仍然存在。由于无线频谱的成本极高，很少会有设备使用全部100MHz的可用通道带宽。
         
        从测试的角度来看，IEEE 802.11ac和LTE-Advanced等新一代无线标准的更高带宽将带来相当多的挑战。比如，虽然IEEE 802.11ac将支持使用多达160 MHz通道带宽的模式，但是目前的RF信号分析仪一般只有100 MHz或不到100 MHz的瞬间带宽。当测试使用宽带载波聚合技术的设备时，单为满足带宽要求，工程师就需要根据多个RF信号发生器和分析仪组装测试系统。在这些方案中，由于单个PXI系统中可以配置和通过软件控制多个信号发生器和分析仪，因此PXI的模块化可以带来相当多的好处。
         
        更高阶的调制类型
         
        无线通信系统设计人员提高数据速率的第三个途径是更高阶的调制类型。正如香农哈特利定理所述，增加SNR相当于增加数据吞吐能力。对于数字通信系统而言，采用更高阶的调制类型可以实现更高的数据速率。对于采用正交调幅(QAM)的系统而言，物理通道的吞吐能力与QAM的“阶数”直接相关。例如，由于四个唯一的符号可以表示的最大位数为2[log2(4)=2]，因此4QAM通道具有每个符号表示2位的能力。同样，16QAM通道的每个符号可以产生4位，64QAM通道的每个符号可以产生6位。
         
        新的IEEE 802.11ac规范是首个支持256-QAM的消费者无线标准之一。256QAM格式的每个符号都可以产生8位[log2(256)=8]，因此与仅采用64QAM的系统相比，可以实现高33%的吞吐能力。当然，采用256QAM等更高阶调制类型的数字通信通道的功能要求能够维持足够高的SNR。无线通信系统采用自适应调制类型已有多年，支持在低SNR环境中使用QPSK等更鲁棒的方案。
         
        44dB的SNR对于在不产生误码的情况下解调16QAM信号已经足够大了。相比之下，SNR为30 dB或30 dB以下的环境(采用16QAM调制类型)会产生相当多的误码。在这种情况下，QPSK等低阶调制类型可能更加合适。鉴于这些考虑因素，你可能会恰当地假设IEEE 802.11ac将在SNR相当高的情况下仅采用256QAM调制类型。
         
        从仪器的角度来看，增加新调制类型几乎只需要更改软件。在PXI等软件定义的模块化平台中，每个新无线标准或调制类型都只是一个新的波形，它使得工程师的测试设备能够随着通信标准的演进而逐步发展。因此，在IEEE 802.11ac以及未来可能出现的标准中增加对256QAM调制类型的支持将很有可能只需要通过更新软件就能轻松实现。
         
        本文小结
         
        我们在探讨新一代无线通信标准时，看到了使用更多的空间流、更宽的通道带宽和更高阶的调制类型提高数据吞吐能力的发展趋势。对于IEEE 802.11ac，这种趋势最终会发展到采用8x8 MIMO的天线技术、高达160MHz的带宽和256QAM。对于LTE-Advanced，其趋势是支持8x8 MIMO配置和实现载波聚合技术，从而支持高达100MHz的通道带宽。同样，还应该注意的是，现有的2G和3G蜂窝标准也在不断演进，也会增加这些功能。比如，甚至是当前“2.5G”EDGE标准的下一步演进也会采用载波聚合技术。此外，在UMTS中，HSPA+是最近才增加的一项增强技术，该技术在下行链路中增加了64QAM。下一步，HSPA+ Advanced将增加二/四载波聚合技术，从而提高现有3G蜂窝通信网络的吞吐能力。
         
        虽然新一代无线标准会以更高数据速率的形式给消费者带来各种显而易见的好处，但是IEEE 802.11ac和LTE-Advanced无线电的设计和测试将出现相当大的挑战。从能够处理更高带宽的楼宇收发器到在单个手机设备中整合更多的天线，新一代标准都会提出相当多的高硬件要求。这样，新一代无线标准所需的测量和仪器也更具挑战性。幸运的是，PXI测试装置的模块化和软件定义架构使其成为测试IEEE 802.11ac和LTE-Advanced等新兴标准的传统仪器的一个不可抗拒的替代方案。