6點(diǎn)讓你理解無線網(wǎng)絡(luò)IEEE 802.11ac是怎樣的技術(shù)

2008年底，IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)組織成立了一個(gè)新的小組，旨在創(chuàng)建一個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)來改善802.11-2007標(biāo)準(zhǔn)。這一新標(biāo)準(zhǔn)就是今天我們所了解的802.11ac （5G Wi-Fi）無線標(biāo)準(zhǔn)，包括提高現(xiàn)有無線局域網(wǎng)（WLAN）數(shù)據(jù)吞吐量的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，使無線網(wǎng)絡(luò)可以提供有線網(wǎng)絡(luò)的性能。

從一開始，802.11ac無線標(biāo)準(zhǔn)制定小組在技術(shù)定義方面進(jìn)行了取得了重大進(jìn)展：在2011年一月，技術(shù)規(guī)格框架寫進(jìn)草案，接下來進(jìn)行后續(xù)修訂，現(xiàn)在可用版本是D1.1.預(yù)期2012年底，草案會(huì)全部完成，最終獲批通過應(yīng)在2013年底（參見圖1）。

圖1： 802.11ac歷史和未來修訂的日期

雖然最終審批還沒有定下，但據(jù)Wi-Fi聯(lián)盟市場(chǎng)營(yíng)銷總監(jiān)Kelly Davis-Felner透露，目前已有博通等為數(shù)不多的公司推出802.11ac芯片。因?yàn)榧词沟?013年底802.11ac標(biāo)準(zhǔn)仍未正式公布，現(xiàn)有草案內(nèi)容可用來確定所需硅芯片的規(guī)格，芯片廠商們可以開發(fā)和銷售他們的802.11ac產(chǎn)品。相關(guān)調(diào)查機(jī)構(gòu)稱：2015年全球?qū)?02.11ac ic的需求預(yù)計(jì)超過10億顆。

這么高的預(yù)期由多重優(yōu)勢(shì)構(gòu)成。首先，不僅因?yàn)?02.11ac是第一個(gè)承諾將無線數(shù)據(jù)傳輸率提升到超過1Gbps的標(biāo)準(zhǔn)，而且還包含很多先進(jìn)特性來改善用戶體驗(yàn)。就像LTE Advanced那樣，802.11ac使用更多的多流空間傳輸技術(shù)，采用8x8（MIMO）多輸入輸出，提供更寬的數(shù)據(jù)傳輸信道帶寬（達(dá)到80MHz），甚至還可以使用信道聚合技術(shù)，將數(shù)據(jù)信道總帶寬提升至160MHz。此外，802.11ac獲得成功的關(guān)鍵在于他是一個(gè)漸進(jìn)的技術(shù)：實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)，超越了幾個(gè)重要的典范，并建立在現(xiàn)有的802.11n基礎(chǔ)之上。這是巨大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)閷?duì)那些將要使用802.11ac的廠商和消費(fèi)者來說，802.11ac能夠相對(duì)容易地從現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用（使用802.11n或者更早期無線協(xié)議過渡。

802.11ac實(shí)現(xiàn)超高吞吐量（VHT）這一目標(biāo)是建立在現(xiàn)存802.11n技術(shù)基礎(chǔ)上的。這樣一來，802.11ac將延續(xù)無線標(biāo)準(zhǔn)向更高的數(shù)據(jù)傳輸率發(fā)展這一趨勢(shì)（圖2），滿足無線網(wǎng)絡(luò)容量日益增長(zhǎng)的應(yīng)用需求，802.11ac可與現(xiàn)有有線網(wǎng)絡(luò)媲美。

圖2： 802.11ac延續(xù)WiFi技術(shù)向高數(shù)據(jù)傳輸率方向發(fā)展的趨勢(shì)

關(guān)鍵特性

802.11ac具備的幾個(gè)性和獨(dú)特機(jī)制，提高數(shù)據(jù)吞吐量，改善用戶體驗(yàn)等等。這項(xiàng)新技術(shù)的主要特點(diǎn)是：

5 GHz 頻帶

與工作在2.4GHz和5GHz頻段不同，802.11ac僅在5GHz頻段工作。802.11ac更寬的信道帶寬需求是其限制在5GHz頻段的主要驅(qū)動(dòng)因素。由于帶寬的增加，信道規(guī)劃成為新挑戰(zhàn)，尤其是在擁堵且零散的2.4GHz頻段，這是802.11ac選擇5GHz頻段的另一個(gè)因素。即便在相對(duì)廣闊的5GHz頻段，制造商仍需為設(shè)備提供自動(dòng)跳頻功能，以便合理利用現(xiàn)有資源并節(jié)省頻譜。

寬信道帶寬

802.11ac包含強(qiáng)制或可選帶寬來增強(qiáng)信道帶寬，規(guī)格超過802.11n。

除了今天大多數(shù)802.11n設(shè)備所支持的20MHz和40MHz信道帶寬，802.11ac草案規(guī)格包含了強(qiáng)制性的，連續(xù)80MHz信道帶寬。這一更寬信道帶寬的優(yōu)勢(shì)在于，相比802.11n最大40MHz的信道帶寬，80MHz信道帶寬讓物理層（PHY）傳輸速率提高一倍，而增加的成本對(duì)芯片制造商來說可以忽略不計(jì)。連續(xù)80MHz帶寬模式下，不僅數(shù)據(jù)傳輸率/吞吐量更高，而且系統(tǒng)效率也隨之增加，這樣很多802.11n規(guī)格不支持的新應(yīng)用隨之成為可能。

此外，802.11ac規(guī)范包括一個(gè)可選的160MHz信道帶寬功能，它可以是連續(xù)的也可以是不連續(xù)的（80+80MHz）。在不連續(xù)的情況下，頻譜由兩部分組成；每個(gè)部分使用任意兩個(gè)802.11ac 80MHz信道，頻率彼此不相鄰。與40/80MHz傳輸相比，降低復(fù)雜度的需求（比如MIMO順序，MCS等）是160MHz的物理層（PHY）傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，并讓設(shè)備達(dá)到Gbps級(jí)別的無線傳輸吞吐量，同時(shí)開啟更多新應(yīng)用的大門。然而，5GHz頻帶，160MHz信道帶寬并非全球可用，要支持此功能的成本可能會(huì)較高。因此，這一功能在802.11ac設(shè)備中屬于可選項(xiàng)。

新的調(diào)制和編碼方案（MCS）

802.11ac使用802.11n的OFDM（正交頻分復(fù)用）調(diào)制，交錯(cuò)和編碼架構(gòu)。具體來說，802.11ac和802.11n都需要設(shè)備支持BPSK，QPSK，16QAM（正交振幅調(diào)制）和64QAM。但是，802.11ac有兩處關(guān)鍵不同。

首先，802.11ac包括星座映射增強(qiáng)。具體來說，可選256QAM（3/4和5/6編碼率）為802.11ac提供80MHz和160MHz的數(shù)據(jù)傳輸信道。256QAM的好處是相比64QAM多33%的吞吐量。隨之而來的是，有損信號(hào)環(huán)境下，位錯(cuò)誤容錯(cuò)能力下降的花費(fèi)。256QAM調(diào)制是增加的可選模式，而非強(qiáng)制模式。

向下兼容

802.11ac提供與802.11a和802.11n的設(shè)備在5 GHz頻帶運(yùn)作的向后兼容性。這意味著：

? 802.11ac支持802.11a和802.11n的技術(shù)，設(shè)備互通

? 802.11ac框架結(jié)構(gòu)，可容納802.11a和802.11n設(shè)備傳輸

相較802.11 ad允許超過801.11n的數(shù)據(jù)傳輸率，但不能與現(xiàn)有的WLAN裝置一起操作，802.11ac的向下兼容性讓其成為一項(xiàng)革命性的技術(shù)。向下兼容性將可緩和與市場(chǎng)的調(diào)適過程，確保802.11ac裝置可用于現(xiàn)有WLAN網(wǎng)絡(luò)。

共存

802.11ac工作組的一項(xiàng)重要工作就是，設(shè)計(jì)一個(gè)與現(xiàn)有5GHz頻段的802.11a和802.11n共存的機(jī)制。這些直至的例子有空閑信道評(píng)估（CCA），信道接入公平性，以及信道掃描和選擇機(jī)制。共存機(jī)制也正在定義，以確保802.11ac與不同信道帶寬（20/40/80，直到160MHz）的互操作性。

多空間流

相比802.11n的4條空間流，802.11ac包括支持多達(dá)8條空間流。如在802.11n，在相同頻率上的多重?cái)?shù)據(jù)流的空間多任務(wù)利用由獨(dú)立空間路徑所提供的額外自由度，以有效倍增信道容量。當(dāng)數(shù)據(jù)流經(jīng)過信道時(shí)，數(shù)據(jù)流會(huì)組合，而接收器的任務(wù)就是分開及譯碼這些數(shù)據(jù)流。盡管此技術(shù)復(fù)雜，但是802.11n制造商已學(xué)到使用在多天線之間的獨(dú)立路徑以增大效益，且現(xiàn)可有效轉(zhuǎn)移此知識(shí)到802.11ac裝置的制造。預(yù)期第1個(gè)802.11ac芯片將采用多重空間流技術(shù)。

波束成形和多用戶多輸入輸出（MIMO）

根據(jù)802.11n的經(jīng)驗(yàn)，Wi-Fi裝置的制造商學(xué)會(huì)如何使用傳送波束成形，即有能力在特定方向集中射頻（RF）能量，以改善到個(gè)別站臺(tái)的傳輸。802.11ac建立這項(xiàng)知識(shí)上，并包括提升諸如單一聲測(cè)（single sounding）與反饋格式（相較于802.11n的多重聲測(cè)與反饋格式）。

更重要的在于，802.11ac工作組已建立在802.11n新機(jī)制的波束成型能力，允許存取點(diǎn)（Access Point；AP）利用相同信道、多個(gè)天線、與空間多任務(wù)，同時(shí)在不同方向與多個(gè)用戶通訊。例如，1個(gè)具有8根天線的存取點(diǎn)可使用4x 4 MIMO對(duì)2個(gè)實(shí)體分開的站臺(tái)通訊。相較下，MIMO裝置現(xiàn)階段只考慮點(diǎn)對(duì)點(diǎn)存取連接每個(gè)單獨(dú)終端的多重天線；因此，存取點(diǎn)必須時(shí)間多任務(wù)以服務(wù)多位用戶。

這一組先進(jìn)機(jī)制采用多使用者M(jìn)IMO（MU-MIMO）的名稱，是為目前在802.11ac工作組的計(jì)劃中最想要提升的功能之一，以提高最新802.11標(biāo)準(zhǔn)的效率（每兆赫頻譜的兆位傳輸數(shù)，以Mbps/MHz為單位）。

采用類推方式，即MU-MIMO通過以太網(wǎng)絡(luò)交換基礎(chǔ)，以減少競(jìng)爭(zhēng)：延伸傳送波束成形技術(shù)，以使存取點(diǎn)將具有專屬帶寬的“交換”Wi-Fi提供給站臺(tái)；這一方式類似現(xiàn)階段典型有線以太網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作的方法。

雖然MU-MIMO承諾的效益有許多且吸引人，但正確使用技術(shù)需要芯片組設(shè)計(jì)者與業(yè)者開發(fā)對(duì)用戶的空間感知與完善的隊(duì)列系統(tǒng)，當(dāng)條件符合時(shí)，即可利用機(jī)會(huì)傳輸給多位用戶。換句話說，增加系統(tǒng)能力會(huì)帶來更昂貴信號(hào)處理成本與增加復(fù)雜度。因此，MU-MIMO（一傳輸裝置，多接收裝置）只包含在802.11ac草案規(guī)格中，作為可選模式。

能源效率

很少有人知道的關(guān)于能源效率的問題，802.11標(biāo)準(zhǔn)中描述比特/毫焦耳的內(nèi)容，在首次技術(shù)修訂時(shí)就被加入并獲得通過。具體來說，802.11ac承諾能源效率是802.11n的兩倍，參見圖3。這種改善是來自每次修正案提升的幾項(xiàng)增加數(shù)據(jù)傳輸率的參數(shù)，而其他影響功耗的參數(shù)不變（RF頻率、功耗以及帶寬）。

雖然趨勢(shì)鮮為人知，提高能源利用效率肯定有諸多好處，因?yàn)樵絹碓蕉嗟谋銛y設(shè)備集成了WIFI，這些應(yīng)用必須使用小容量電池和有限的功耗來支持無線通信鏈路。

市場(chǎng)預(yù)測(cè)

支持802.11n的無線設(shè)備的數(shù)量，在過去幾年里一直穩(wěn)步增長(zhǎng)，未來這種增長(zhǎng)預(yù)計(jì)將持續(xù)。不只有傳統(tǒng)使用以前修訂網(wǎng)卡（802.11a/b/g）設(shè)備采用新技術(shù)，而且無線還正在進(jìn)入越來越多的設(shè)備，以前沒有這種能力。

到2015年搭載802.11芯片這些設(shè)備出貨量將達(dá)到2.2億，同時(shí)支撐現(xiàn)有的無線設(shè)備市場(chǎng)的增長(zhǎng)及越來越多新設(shè)備的無線普及率。

802.11ac的實(shí)施，必將在這一增長(zhǎng)中發(fā)揮重要作用，在當(dāng)前的設(shè)備都更換802.11n和開放新的應(yīng)用大門-在過去幾年802.11n同樣做了這些。第一個(gè)802.11ac芯片預(yù)計(jì)在2012年第一季度出貨，在同年第三季度最終用戶的產(chǎn)品能在市場(chǎng)上出現(xiàn)。然而，802.11ac真正的影響，可能會(huì)被認(rèn)為在2014年及以后。在2015年，802.11ac設(shè)備齊全的移動(dòng)設(shè)備出貨量預(yù)計(jì)將接近1億美元（圖4），在這一年占了整個(gè)無線局域網(wǎng)近一半市場(chǎng)。

圖4:802.11ac產(chǎn)品全球出貨量預(yù)估

802.11ac限制在5GHz射頻頻段這一選擇源于對(duì)信道帶寬的需求，而對(duì)信道帶寬的需求，在擁塞的2.4GHz頻段是非常大的挑戰(zhàn)。即便在5GHz頻段，80Mhz和160MHz信道帶寬的可用性也是十分有限的，特別是在一些國(guó)家和地區(qū)。

受地理位置影響，目前802.11ac頻譜的可用度分布。802.11ac頻譜在美國(guó)可用度最高，擁有5個(gè)80MHz信道和兩個(gè)160MHz信道。歐洲和日本緊隨其后，僅缺乏頻率最高的80MHz信道。印度，可用頻譜資源幾乎減少一半，而在中國(guó)，只有一個(gè)80MHz信道可用。

測(cè)試802.11ac

毫不奇怪，對(duì)制造商和設(shè)計(jì)人員來說，最重要的變化在于802.11ac在幾個(gè)重要的方向上比802.11n更具挑戰(zhàn)性。他們不僅需要工作8個(gè)空間流，更寬的帶寬，更多的設(shè)計(jì)影響，但也面臨著重大的測(cè)試挑戰(zhàn)。具體來說，他們要求測(cè)試系統(tǒng)具有足夠的靈活性并緊隨與802.11標(biāo)準(zhǔn)的最新發(fā)展。作為最低要求，他們選擇的任何測(cè)試設(shè)備都要符合以下幾點(diǎn)需要：

? 寬VSA/VSG的IF帶寬

? 完全的802.11ac MIMO增強(qiáng)

? 改進(jìn)調(diào)制精度的802.11ac發(fā)射機(jī)調(diào)制測(cè)試

802.11ac將超越現(xiàn)今在生產(chǎn)在線每臺(tái)WLAN測(cè)試儀器的能力。至少，在選擇量測(cè)802.11ac新裝置的任何測(cè)試設(shè)備需要：比以往更寬的VSA/VSG IF帶寬，至少80 MHz實(shí)時(shí)帶寬；完全支持802.11ac MIMO強(qiáng)化；改善802.11ac發(fā)射器調(diào)變測(cè)試的調(diào)變精準(zhǔn)度。由于帶寬增加，802.11ac顯示出測(cè)試上的重要新挑戰(zhàn)。802.11ac不再使用大部分（如果不是全部）結(jié)合向量信號(hào)分析器與向量信號(hào)產(chǎn)生器于一機(jī)（VSA/VSG）的可用測(cè)試儀器，因?yàn)樗鼈儾]有測(cè)試新技術(shù)80 MHz或160 MHz通道所需的120 MHz或240 MHz IF帶寬。在現(xiàn)階段選擇802.11測(cè)試的設(shè)備上，裝置制造者應(yīng)該確保能夠進(jìn)行802.11ac測(cè)試。

不僅處理802.11ac帶寬的挑戰(zhàn)，也驅(qū)動(dòng)MIMO的測(cè)試需求。正確的MIMO測(cè)試需要獨(dú)立抓取及產(chǎn)生802.11ac裝置的信號(hào)，此會(huì)使用高達(dá)8個(gè)空間流及一些其他強(qiáng)化，以改善現(xiàn)有802.11n MIMO系統(tǒng)的效能。為了準(zhǔn)確驗(yàn)證MIMO效能，尤其是在研發(fā)環(huán)境，802.11ac能力測(cè)試設(shè)備應(yīng)支持達(dá)8個(gè)獨(dú)立VSA與VSG資源、以及包括支持新的802.11ac MIMO強(qiáng)化。

隨著802.11ac發(fā)射器調(diào)變準(zhǔn)確性（相關(guān)星狀RMS誤差）要求的提升，同時(shí)測(cè)試儀器也需要提升其測(cè)試能力的要求。發(fā)射器調(diào)變準(zhǔn)確性是利用誤差向量振幅（EVM）來測(cè)量，且需要VSA與測(cè)試儀器將忽略的（理想上為零）失真加到捕捉的信號(hào)。VSA所加的失真也會(huì)以EVM方式進(jìn)行測(cè)量，典型上，芯片組業(yè)者想要測(cè)試儀器的性能比芯片規(guī)格至少好10 dB以上。

結(jié)束語

802.11ac代表了無線通信系統(tǒng)的重要演進(jìn)。像802.11n那樣，802.11ac設(shè)備，使用OFDM調(diào)制法則，但使用更寬的信道帶寬，更高的調(diào)制，更多流，增強(qiáng)MIMO技術(shù)，以提高數(shù)據(jù)吞吐量，這些技術(shù)讓數(shù)據(jù)傳輸速度更快，一些新的應(yīng)用成為可能。802.11ac設(shè)備的設(shè)計(jì)者和制造商需要充分理解這項(xiàng)新技術(shù)，不僅確保創(chuàng)造出自己的產(chǎn)品，而且要確保他們的測(cè)試設(shè)備，能夠準(zhǔn)確地測(cè)試這些性能不斷提高的產(chǎn)品。令人欣喜的是無線測(cè)試解決方案供應(yīng)商萊特波特（LitePoint） 面向支持802.11ac 標(biāo)準(zhǔn)的高吞吐量無線設(shè)備已推出業(yè)界首個(gè)生產(chǎn)測(cè)試解決方案IQxel（TM），它是一種易于部署的單機(jī)箱測(cè)試解決方案，可快速地測(cè)試802.11 a/b/g/n/p/ac 以及藍(lán)牙1.0、2.1、3.0和4.0設(shè)備。LitePoint在2012年無線通信測(cè)試技術(shù)中國(guó)區(qū)秋季研討會(huì)深圳站上展示了他們的一體化單機(jī)臺(tái)測(cè)試解決方案，旨在幫助電子設(shè)備設(shè)計(jì)、測(cè)試工程師現(xiàn)場(chǎng)了解及體驗(yàn)LitePoint最新創(chuàng)新之作，完整涵蓋了測(cè)試智能手機(jī)（包括LTE）、平板電腦以及其它多天線通訊設(shè)備和無線連接裝置等最新無線測(cè)試科技。包括802.11ac測(cè)試解決方案。