深入探究802.11ac技术

作者: David A. Hall, 资深射频产品经理, 美国国家仪器(NI)汤敏, 行业市场专员, 美国国家仪器 (NI)。

 

在最新的一项市场调查中，研究人员预计：到2015年，每年将有超过10亿台IEEE 802.11ac 无线通信设备投入使用。这是一个相当惊人的数字，特别是考虑到802.11ac尚未成为官方标准的前提下。所以你可能会问：“什么是802.11ac协议，它跟当前的Wi-Fi有何区别？”
 

 

如果你还记得几年前，世界上最早出现的一些802.11n Wi-Fi产品曾被打上“草稿-n”的标签。这些路由器和接入节点被冠以“草稿-n”绰号，是有其特定的原因的：官方标准尚未形成。现在，802.11n产品已经无处不在，作为一种先进的Wi-Fi标准被广泛接受。然而，就如同大多802.11g产品已经移至802.11n一样，下一代的Wi-Fi将会基于802.11ac规范。

 

新802.11ac规范的初衷是考虑到更高数据吞吐量的要求。就如同我们已经看到Wi-Fi从802.11a/b发展至g再到n，802.11ac的超高吞吐量（very high throughput, VHT）规范可以实现极高的数据传输速率。在此，我们将探讨其物理层中一些主要的技术特性，以及它如何支持高数据吞吐量。此外，我们将特别分析一些不断演进的特性，例如应用更高的信道带宽、调制类型的改变、以及更多空间流(Spatial stream)的应用以实现更高的数据速率。

 

首先，我们比较一下过去的以及未来的Wi-Fi的基本的物理层规范，如图1所示。

 

 

图1. 新一代Wi-Fi中的物理层规范的技术演进

 

如图1所示，802.11n规范中最主要的新特性就是通过引入4x4 MIMO技术，使用了更多的空间流。发展至802.11ac后，可实现的最大的空间流可达8x8 MIMO。此外还有其它的重要改变，包括：可选的160 MHz信道带宽，以及引入了256-QAM调制机制。

 

 

追溯至MIMO技术起源，Shannon-Hartley原理曾被认为是计算一个数字信道的数据吞吐量的主要理论模型。

 

 

公式1. 经典Shannon-Hartley信道吞吐量理论模型

 

根据这一理论，通过一个特定信道的数据传输速率仅能通过改变信道带宽或者信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）来提高。时至今日，Shannon-Hartley理论已经无法计算多个空间流所实现的总数据吞吐量，但它依然能表明信道带宽与数据传输速率之间的相关性。

 

在一个OFDM系统中，人们可以很直观地看到，更高的带宽与更高的数据传输速率之间存在相关性。例如，在使用相同的子载波间距（也就是使用相同的符号率）时，增加子载波的数量将增加信道带宽。在802.11ac规范中，我们可以很清楚的看到信道带宽与数据子载波数量之间的关系。如图2所示，在所有带宽模型中，子载波的间距是不变的，只需增加子载波的数量就可增加带宽。

 

 

*代表此模式在802.11ac中是可选的。

图2.802.11ac中可选的信道带宽

 

如图2所示，可选的160 MHz模式远远超过了802.11n所支持的最大带宽（40MHz）。目前，具有160MHz可用频谱的Wi-Fi频带仅能在5 GHz频带中实现（而不是2.4GHz）.因此，802.11ac规范仅能用于5GHz ISM频带。

 

 

Shannon-Hartley理论可以很合理地估计SISO（单输入单输出）信道的理论吞吐量，但我们必须对其进行一些更改，才能合理的估计MIMO（多输入多输出）信道的最大吞吐量。在一个具有充足多路径反射的物理信道中，数据传输速率在理论上的最大提升随着理论空间流的数量的增加而线性增加。例如，在一个2x2的MIMO系统中，在同一个物理信道（即使用相同的频率）中使用两个独立的空间流，其所能实现的数据速率是传统的单输入单输出（SISO）系统的两倍。同样，相对于SISO信道，一个4x4 MIMO信道可以实现4倍的数据速率提升，而8x8 MIMO信道则可以实现8倍的数据速率提升。。与其它新出现的无线通信规范（如3GPP LTE Advanced）类似，802.11ac VHT规范可以实现最高8x8 MIMO系统。

 

802.11ac提高数据吞吐量所使用的最有趣的方法之一，就是256-QAM调制机制。过去，随着802.11a的发展，64-QAM调制曾被认为是所有无线通信标准中“最高阶”的调制模式。而802.11ac则是消费类电子领域中引入256-QAM的首个商用的无线标准，以满足不断增长的数据吞吐量要求。在公式2中，我们可以看到调制机制的“阶次”与每个符号所代表的比特位数之间的简单关系。

 

 

  公式2.每个符号的比特位数随着调制机制的复杂性而增加。

 

我们可以很容易地看到，简单的调制机制，例如BPSK（二进制相移键控）使用两个符号，因此每个符号可以产生1个比特位。相比较而言，一个更加复杂的调制机制，例如256-QAM则拥有更高的“阶次”，从而可以实现更高的数据速率。事实上，256-QAM中，每个符号可以产生8个比特位(log₂(256)=8)。比较802.11ac和 802.11n，我们可以看到：对于能够实现256-QAM的环境条件，与传统的64-QAM机制相比，可以将数据速率提高33%。

 

有关调制阶次的一个有趣的问题是，我们可以看到发射机的调制质量与Shannon-Hartley原理之间关系紧密。要了解这一关系，一个简单的实例就是802.11ac规范中对发射机相对星座误差（我们可以理解为EVM）的限制。在我们观察图3时可以看到，更高阶次的调制类型，例如256-QAM，对于EVM的要求更为严格——这一点并不奇怪，因为EVM和SNR之间的关系非常紧密。

 

 

图3. 发射机最低EVM要求

 

为了更好地说明SNR对调制阶次类型的影响，图4中展示了一个256-QAM信号在各种SNR环境中的星座图。

 

 

图4.更高的SNR可以实现更高阶次的调制，如256-QAM

 

如256-QAM的星座图所示，32dB的SNR对于256-QAM信号解调来说足矣，不会产生明显的比特误差以及帧误差。相对而言，在一个具有较低信噪比的环境中，我们可以看到星座图中的拖尾效应，这在27dB或者更低信噪比的环境中尤为明显。在这些信道环境条件下，一个给定的Wi-Fi接入节点无法使用256-QAM模式维持通信，只能使用较低阶次的调制模式时以维持一定范围内的帧误差率。这一示例表明了Shannon-Hartley 原理中所描述的SNR与数据吞吐量之间的关系。

 

 

凭借802.11ac规范所带来了关键技术改进，如更高的带宽、更多的空间流、以及更高阶次调制类型，有人可能会猜想可选的高吞吐量特性会比802.11n提高一个数量级。事实上，由于802.11n的理论限制为600Mbps，802.11ac的数据速率增加将会比802.11n提高一个数量级。

 

为了正确地估计802.11ac的最大理论 吞吐量，我们必须考虑一些关键的因素，例如：调制类型、子载波个数、码率、符号率，以及空间流的个数。为了确定总数据速率，我们首先确定任意时刻一次发出的编码数据的位数。之前的802.11ac规范草案将此定义为“子载波比特位数”（ Number of data bits per subcarrier, N_DPSC），其中包含所有空间流的比特位。从数学角度考虑，N_DPSC是通过每个符号的位数、码率以及子载波的个数等因素决定的。

 

  在公式3中，可以看到N_DPSC的数学表示。

 

 

  公式3.每个符号的比特位数与码率等因素对整个空间流编码的比特位数的影响。

 

例如，在一个20MHz 的802.11ac信号发射时，64个子载波中的52个将被用于数据，而其余的则用于保护性频带、空子载波以及先导频率信号。如果使用QPSK调制模式以及½的码率，则N_DPSC将会等于26比特（1 x 52 x 0.5）。如图5所示，我们对多个带宽以及空间流组合，计算其在256-QAM调制模式下的N_DPSC。

 

 

图5. N_DPSC随着带宽大小和空间数据流的数量的增加呈指数性增加

 

知道了每个空间流中的总比特位数，我们就可以通过将(N_DBPS)与空间流的个数、符码率、以及符码使用率相乘，就可以计算802.11ac物理层的最大理论吞吐量。在此示例中，符号率等于子载波间隔，即为312.5 kHz 或者312,500 符号/秒。其中的关系如公式4所示。

 

  

  公式4. 数据速率是N_DPSC、符号率以及符码使用率的函数。

 

如公式4所示，符码使用率即为数据符号周期与符号总间隔的比值，其中：

 

T_DFT = DFT/IFDFT 符号周期 = 3.2 μs

T_SYMS = 短 GI 符号间隔 = 3.6 μs

T_SYML = 长 GI 符号间隔 = 4.0 μs

 

因此，在使用短防护间隔的配置中，符码使用率为3.2/3.6 = 88.9%。

同样，在使用长防护间隔的配置中，符码使用率为3.2/4.0 = 80%。

 

在公式5中，我们可以估计802.11ac通信信道的最大理论吞吐量。在确定802.11ac的最大理论吞吐量时，我们将会考虑使用8x8MIMO、160 MHz信道带宽、256-QAM调制机制以及短防护间隔。在此示例中，理论最大数据吞吐量如公式5所示。

 

 

   公式5. 802.11ac的最大理论吞吐量超过6.9 Gbps。

 

如公式5所示，802.11ac物理层所能提供的理论最大数据吞吐量可以超过每秒6.9千兆比特。然而，必须要注意的是，这仅仅是理论计算而已。在现实中，超过6.9 Gbps的数据速率仅当物理信道足够、能同时实现8个空间数据流时才能实现。此外，考虑到256-QAM调制模式下对SNR的要求，最大理论吞吐量仅能在发射机和接收机足够接近、信号强度足够大时才能实现。最后，我们还要意识到，对于一个通信系统来说，远远不止物理层一个方面而已。虽然物理层能够支持6.9 Gbps，但是必须还要对MAC层、数据总线、甚至嵌入式控制器等进行大量的改进，才能让供应商做出真正实现最大数据吞吐量的产品。

 

 

诸如802.11ac的下一代无线通信标准，可以为消费者带来数据传输速率的显著提升，然而这同时也使得设计和测试这种无线产品充满挑战。当今的工程师必须要面对复杂的多通道无线测试，如8x8 MIMO。此外，可选的160MHz规范的带宽要求非常高，工程师们必须随着带宽的不断增加，确保测量的高质量。最后，在自动化测量中，测量的复杂性将随着测量速度的增加而增加。考虑到802.11ac信号的解调需要提高一个数量级的信号处理能力，802.11ac的测量速度要求也是一个需要关注的问题。

 

展望未来，可以看到软件定义的PXI测试设备将处于测试下一代无线通信标准的前沿位置。National Instruments于2012年1月发布了测试下一代802.11ac WLAN芯片组和设备的先行支持，并于巴塞罗那举办的世界移动通信大会(MWC)上展示了最新的802.11ac测试解决方案，能够支持包括20，40，80和80+80 160MHz各种带宽的信号接收(Rx)和发送(Tx)，并支持高达4X4 MIMO的配置。因此，NI测试解决方案具备足够的灵活性，除了802.11ac，同样可以测试802.11a/b/g/n设备。

 

 “通过支持最新的WLAN标准，802.11ac，我们展示了NI公司的软件定义的模块化测试系统的力量”， NI首席执行官和公司创始人James Truchard博士表示， “我们的模块化测试平台提供了更快的测试时间和更低的投入成本，并通过与LabVIEW相结合，帮助工程师研究、验证、测试最新的无线标准及设备。

 

基于NI PXI平台的802.11ac 测试方案主要特性：

•    调制方式最高可达256 QAM

•    可支持4X4 MIMO

•    通道带宽包括20, 40, 80, 以及80+80, 160 MHz

•    可支持LDPC, STBC和AMPDU

•    可支持NI LabVIEW, ANSI C, 以及Microsoft Visual Studio等多种开发环境

 

NI正在与一些前沿的合作伙伴，包括芯片供应商，OEM厂商和电子制造服务（EMS）提供商展开合作，测试最新的802.11ac设备。采用软件定义的PXI测试平台可以满足最新的移动通信规范和无线连接标准。无论是智能手机、平板电脑等消费电子产品，还是开发板(reference design board)、无线收发器等嵌入式产品，NI解决方案可测试各类移动通信设备和芯片。PXI所带来的诸如模块性、灵活性以及强大的信号处理能力等优势，将使其在不远的将来越发成为测试和测量领域的主要技术平台。