選對設計/測試工具　802.11ac產品開發難不倒

用戶端裝置可透過這些無線技術連上有線寬頻網路，方便使用者隨時隨地瀏覽網頁、收發電子郵件。由於過去有線寬頻連結的速度相當受限，因此低速的無線連結就已經夠用。

WLAN標準更迭加快

在前述三個標準中，802.11b在2.4GHz頻率上運作並提供最高11Mbit/s的傳輸速率，而802.11a和802.11g的操作頻率分別為5GHz和2.4GHz，兩者的資料傳輸速率均提高到54Mbit/s，這些頻率全都是免執照頻段。

然而，現在有許多新的無線應用模式均需要更高的傳輸速率，例如在家庭或小型辦公室中透過無線聯網裝置共享並列印資料。為了因應市場對於高傳輸速率的需求，IEEE工作小組於是著手發展新的802.11n標準，並於2009年正式批准。此標準一舉將單通道資料傳輸速率提高到100Mbit/s以上，並且推出多重輸入多重輸出(MIMO)或空間串流規格，讓最多四個單獨的實體發射和接收天線，能夠獨立傳輸在調變和解調變過程中匯集的資料。

表1列出WLAN的各種新使用模式，它們全都需要更高的資料傳輸速率以支援新興的「無線辦公室」。

IEEE為了支援這些新應用，成立了新的工作小組(TGAC)，以便發展802.11n的延伸標準，亦即可提供超高傳輸速率(VHT)的802.11ac，它可在5GHz頻段下，支援單一鏈路最低500Mbit/s的傳輸速率，整體傳輸速率則高達1Gbit/s。

資料來源：Computer Desktop百科全書 圖1　OSI七層網路模型

由於現有的用戶端裝置數量相當龐大，包括筆記型電腦、小筆電、平板電腦和智慧型手機等，因此新標準必須與在相同頻率範圍中運作的現有標準完全相容，如此可確保所有802.11系列標準能夠彼此相容，同時802.11ac標準亦相容於媒體存取控制(MAC)或資料鏈路層。各個標準間唯一的差異就是實體層特性各不相同(圖1)。802.11ac標準預計將於2013年底制定完成，不過在此之前，符合標準草案版本的裝置可能就已經上市。

802.11ac/802.11n技術差異比較

802.11ac實體層是現有802.11n標準的延伸，並維持與802.11n的向後相容性。表2列出802.11n的實體層功能，而表3顯示802.11ac所提供的延伸功能。

802.11n使用40MHz頻寬和四個空間串流，其資料傳輸速率的理論最大值是600Mbit/s，然目前多數消費性電子裝置都僅提供兩個串流。而使用160MHz頻寬、八個空間串流、採256QAM調變格式的MCS9，以及短保護間隔(Guard Interval)的802.11ac，其資料速率理論最大值可達6.93Gbit/s。

不過，消費性電子裝置實際可獲致的最大資料傳輸速率約可能是1.56Gbit/s，而且每個80MHz通道均需配置四個空間串流、MCS9及正常的保護間隔，才能達到這樣的速率。

圖2顯示更寬的新制訂的通道頻寬。802.11ac標準將160MHz頻寬和80＋80MHz模式都列為選用功能，不過初期上市的無線裝置很可能可提供最高80MHz的頻寬，以及比照802.11n規範的最多四個空間串流。

圖2　IEEE 802.11ac頻段分配

在20MHz和40MHz通道中，802.11ac的資料子載波和領航(Pilots)子載波的數量及位置，都和802.11n標準一樣。不過，802.11ac針對80MHz通道訂定新的數量，並藉由訂定兩個80MHz通道的相同方式，來定義一個160或80＋80MHz通道。

接收器可透過訊框結構中的前導碼(Preamble)和訓練(Training)欄位，自動偵測現正使用的實體層標準。802.11n和802.11ac的前導碼訊框如圖3所示，前面四個欄位設計成可讓非HT和非VHT裝置接收，以維持向後相容性。此訊框中最前面的舊式短訓練、長訓練欄位(L-STF和L-LTF)及舊式訊號欄位(L-SIG)，與802.11a/b/g標準的相同欄位很相似，而第四欄位(符號6和7)的差異，可判別出這是802.11n或是802.11ac訊框。

圖3　802.11n和802.11ac訊框格式的比較

若進一步分析VHT前導碼，會發現當通道頻寬大於20MHz時，便須透過適當的相位旋轉(Phase Rotation)，將舊式欄位複製到每一個20MHz子頻段。某些子頻段的子載波被旋轉90度或180度，以降低峰值對均值功率比(PAPR)。

此外，為傳輸VHT訊號並啟用自動偵測功能，VHT-SIG-A的第一個符號是BPSK，第二個符號則是被旋轉90度的BPSK(QBPSK)。相較之下，802.11n標準的HT-SIG欄位的兩個符號都是QBPSK調變。VHT-SIG-A欄位包含解譯VHT封包所需的資訊，如頻寬、串流數量、保護間隔、編碼方式、MCS和波束成形。

前導碼中的其餘欄位僅適用於VHT裝置。在進行MIMO傳輸時，可透過VHT-STF來改善自動增益控制估計能力。緊接著的長訓練序列(VHT-LTF)，可協助接收器估計發射和接收天線之間的MIMO通道數。VHT-LTF的數量取決於時空串流(Space-time Stream)總數，可能是一、二、四、六或八個不等。而一、二或四個VHT-LTF的映射矩陣與802.11n相同，並另外新增了六個或八個VHT-LTF映射矩陣。VHT-SIG-B欄位描述資料長度，以及單用戶或多用戶模式的調變與編碼機制(MCS)。

MIMO衍生多種應用

傳統的WLAN標準只能在無線接取點(AP)和客戶端裝置之間提供一個資料串流，MIMO技術打破了這個限制。最早由802.11n推出的MIMO傳輸技術，包括多項新規範，讓AP和終端裝置能夠使用兩條或多條完全獨立的傳送/接收鏈路來進行通訊，並充分利用它們之間的交叉耦合機制。其主要目標是讓每位用戶能獲得更高的無線資料傳輸速率。

MIMO規格的「輸入」和「輸出」，是指發射器和接收器之間的媒介，包括兩者的射頻(RF)元件，又稱為「通道」。因此，配置兩個發射器的AP可為通道提供兩個輸入，此為MI的部分，而具有兩個接收鏈的裝置將收到來自通道的兩個輸出，亦即MO的部分。若為真正的MIMO，每個鏈路所傳輸的資料必須是獨立的，而不僅僅是相同資料的副本。

圖4　MIMO配置

圖4所示的真正MIMO，配置了兩個發射和兩個接收器，可各自傳送與接收獨立的資料，這種傳輸方式又稱為空間多工(Spatial Multiplexing)。每個接收器都可看到發射器的輸出組合。藉由使用通道估計技術，接收器可用矩陣數學方法(Matrix Mathematics)將兩個資料串流分流並解調變資料。在理想狀況下，去除各個串流間的最大關聯性可將資料容量加倍，不過卻也因而須付出更大的代價，以改善訊噪比(SNR)。

典型的802.11n消費電子裝置支援兩個或三個空間串流，而非標準規範的最高四個空間串流。 802.11ac進一步將其擴充為最多八個空間串流，初期先支援最多四個空間串流。

此外，802.11ac還提出創新的多用戶MIMO(MU-MIMO)概念，相較於一般的(即單用戶)MIMO，可提高單一裝置的資料傳輸速率。MU-MIMO的設計宗旨是藉由再利用頻寬資源來提高傳輸效率，但其實每個單一裝置的資料傳輸速率並未改變。

測試要求益發嚴苛

由於WLAN裝置的出貨量相當大，廠商須嚴格控制製造成本，並使用創新的設計技術來大幅提高可重複性並降低測試成本。為此，製造商在產品設計和試產階段，就須進行極完整的測試。

802.11ac標準的發射器和接收器測試與802.11n標準的測試很類似，不過增加了新定義和規格限制，以便提供新功能，如表4所示。可至www.ieee802.org下載最新版的802.11ac規格。除了表4所列的測試外，新設計還須通過相容性測試與額外的功能測試，以便驗證產品效能並證明其互通性。

EVM/數位預失真效果左右測試良窳

802.11ac標準的某些新特性，為產品設計和測試帶來新挑戰。其中一項挑戰是無線裝置須具備良好的誤差向量幅度(EVM)或出色的發射器和接收器群集誤差，以便使用256QAM調變格式。利用向量訊號分析功能，可洞察EVM不佳的原因，而安捷倫(Agilent)89600 VSA軟體等強大量測工具則可針對802.11ac訊號進行深入分析(圖5)。

圖5　安捷倫89600B VSA軟體具有選項BHJ 802.11ac模組分析功能，可支援所有頻寬與調變格式，以及多達4×4 MIMO的配置。

改善功率放大器線性度的數位預失真技術是另一項艱鉅的挑戰，因為測試過程中通常須產生並量測大頻寬訊號，約為正進行線性化之放大器的三到五倍。安捷倫SystemVue軟體可自動執行數位預失真流程，亦即自動產生一個激發波形、將其下載到射頻訊號產生器，並套用於功率放大器。如此一來，訊號分析儀便可輕易擷取放大器的響應，並與想用來建立預失真矩陣的訊號相比較。經過預失真處理的訊號會被傳送到功率放大器並且檢查響應。圖6為數位預失真系統的範例配置。

圖6　數位預失真系統

隨著無線區域網路需要更快的速度和更大的頻寬，而日益複雜的新標準又相繼推出，使得量測設備廠商面臨各種巨大的挑戰。具備完整的設計和測試功能的量測儀器，是推動VHT WLAN產品儘快在大眾市場中普及部署的成功關鍵。除系統模擬工具外，製造商須使用可產生並分析頻寬達80MHz和160MHz之802.11ac訊號的設備，以便全面測試元件、發射器和接收器。此外，儀器廠商須密切關注將於未來量產的設計，以協助客戶降低測試成本，並確保無線存取裝置和終端裝置能提供消費者預期的性價比。

(本文作者任職於安捷倫)