無線通訊標準概述:IEEE 802.11ac 與 LTE-Advanced

發表日期: Mar 16, 2017 | 2 Ratings | 4.50 out of 5 | 列印

概觀

無線通訊標準不斷發展,對工業與日常生活都有重要影響。眾所周知,無線通訊標準需不斷發展演進,才能因應持續攀升的傳輸率。若要提升資料傳輸率,主要必須強化通訊協定的實體層 (Physical layer)。由於強化過程往往需耗時數年,也迫使我們必須一併考量通訊系統與 RF 測試需求的變化。目前最受人矚目的 2 種無線標準,就是 WLAN 產品中的 IEEE 802.11ac,以及蜂巢式通訊技術 (Cellular communications) 3GPP 的 LTE-Advanced。

目錄

  1. IEEE 802.11ac 與 LTE-Advanced 簡介
  2. IEEE 802.11ac 與 LTE-Advanced 的三大重要特性
  3. 無線通訊標準的未來發展

1. IEEE 802.11ac 與 LTE-Advanced 簡介

IEEE 802.11ac 無線通訊標準在 2011 年底所擬定,目前仍由產業界規範相關細節。此標準是專為更高傳輸量的無線連結功能所設計。與現有 IEEE 802.11a/g/n 的 Wi-Fi 產品相較,IEEE 802.11ac 又具備更多 MIMO 通道、更大的頻寬、更高階次的調變類型。接著將說明數項 IEEE 802.11ac 的重要規格,如 8x8 MIMO 天線技術、160 MHz 通道頻寬、256 種狀態的正交幅調變 (256-QAM)。 

LTE-Advanced 屬於 3GPP LTE 規格的進階版本,其強化功能則包含更多的空間串流 (Spatial stream) 與載波聚合 (Carrier aggregation) 技術。目前新設計的 LTE 網路,均是以 3GPP Release 8 規格為基礎。而 LTE-Advanced 則是以 3GPP Release 10 規格為架構;因此其強化功能很有可能當作現有 LTE 網路的未來升級之用。LTE-Advanced 的重要細節則包含 8x8 MIMO 與載波聚合技術,並可使用高達 100 MHz 通道頻寬。

回到頂端

2. IEEE 802.11ac 與 LTE-Advanced 的三大重要特性

接著將說明 IEEE 802.11ac 與 LTE-Advanced 這 2 種無線通訊標準的實體層特性參數,並討論更多的空間串流、載波聚合、更高階次的調變方法,以達到更高的資料傳輸率。最後將討論此 2 項通訊標準的實體層演變,將為 RF 工程師帶來何種新的測試難題。

特性一:持續提高的空間串流

IEEE 802.11ac 與 LTE-Advanced 等無線通訊標準都不斷使用更多空間串流而達到更高的資料傳輸率。而 MIMO 技術導入無線通訊標準則是提高空間串流的重要方法之一。2007 年首次實現此技術,在此之前,均是以 Shannon-Hartley 定理作為數位通訊通道的理論性資料傳輸率模型。

方程式 1. 通道傳輸率的典型 Shannon-Hartley 定理模型

根據此定理,只要影響通道頻寬或訊噪比 (SNR),即可提高特定通道的傳輸率。但若 MIMO 系統具備多個空間串流,就會悖離 Shannon-Hartley 定理。在 2x2 MIMO 系統中,若單一實體通道使用 2 組獨立的空間串流,將可有效加倍傳輸率;即達到傳統單入單出 (SISO) 系統的 2 倍傳輸率。依此類推,4x4 MIMO 通道將可達 4 倍資料傳輸率;8x8 MIMO 通道就是 8 倍資料傳輸率。

目前 IEEE 802.11ac 與 LTE-Advanced 等無線通訊標準都透過更多空間串流而達到更高的資料傳輸率。舉例來說,舊的 Wi-Fi 標準 IEEE 802.11n,即使用複雜的 4x4 MIMO 設定;新的 802.11ac 將採用 8x8 MIMO 設定。而從 LTE 到 LTE-Advanced 的蜂巢式通訊技術,亦產生了類似的變化。目前的 LTE 規格可達 4X4 MIMO 下鏈 (Downlink) 通道;LTE-Advanced 則可達 8x8 MIMO 的下鏈通道。除了 IEEE 802.11ac 與 LTE-Advanced 之外,我們已可預見此趨勢將持續發展。目前早已開始 16x16 MIMO 系統的研究,而取決於研究結果,我們當然有機會迎接 16x16 系統的到來。

而對於新一代 MIMO 通訊系統的測試工程師而言,即使是「能滿足的測試需求」,傳統儀器亦難以同步量測多埠式 MIMO。如今,PXI 儀控的模組化與軟體定義架構,可為新一代無線標準提供必要的靈活度。以常見的 PXI 系統為例,僅需在相同主機中添加 PXI 降轉換器與示波器,4 通道的 RF 訊號分析器即可輕鬆升級至 8 通道。

特性二:更高的通道頻寬

如 Shannon-Hartley 定理所說,提升通道頻寬的第二種方法,就是提高數位通訊通道的頻寬。在之前的蜂巢式通訊領域中,當 GSM/EDGE 發展到 UMTS 時,只要提高數位調變訊號的符碼率 (Symbol rate),即可提升通道頻寬。但一般認知亦強調:若於單一載波通訊系統中使用寬頻訊號,亦將造成實際硬體的使用難題。此外,由於較高符碼率的系統將產生較短的符碼週期,因此如多路徑衰減 (Multipath fading) 的常見難題,卻會在寬帶單一載波通訊系統中造成嚴重問題。 

目前新一代的無線通訊通道,就整合了正交頻分多工 (OFDM) 與載波聚合技術,而提高了有效符碼率;同時亦避免寬帶單一載波通訊系統的常見難題。OFDM 是目前用於 IEEE 802.11a/g/n 與 LTE 的常見技術,即是將單一通道分割為正交 (Orthogonal) 與較低符碼率的子載波,進而達到更高的有效符碼率,並減少多路徑的問題。針對新一代的 IEEE 802.11ac 與 LTE-Advanced 標準,若要透過「提升通道頻寬」而進一步提高資料傳輸率,就必須搭配 2 項機制:更多的子載波與載波聚合。

不同的 IEEE 802.11 標準各有不同的頻寬。IEEE 802.11g 是針對單一 20 MHz 的 OFDM 通道所設計;IEEE 802.11n 可支援 2 個 20 MHz 通道的裝置,而達到 40 MHz 總頻寬,進而增加了載波聚合技術。而 IEEE 802.11ac 更能支援 20、40、80、160 MHz 的通道頻寬。在 IEEE 802.11ac 的 40 與 80 MHz 模式中,是以更多子載波達到更高的頻寬。換句話說,20、40、80、160 MHz 的模式,將分別使用 64、128、256、512 個子載波。再說到 IEEE 802.11ac 的 80+80 MHz 模式,則方法略有不同。在 80+80 MHz 模式中,載波聚合將透過 1 個存取點,同時使用 2 個獨立的 80 MHz OFDM 通道 (各通道分別為 256 個子載波)。圖 1 即針對多種常見的 IEEE 802.11 標準,比較了不同的調變類型、MIMO 方案、通道頻寬。

  802.11a/g 802.11n 802.11ac
天線設定 1x1 SISO 最多 4x4 MIMO 最多 8x8 MIMO
最高階次的調變 BPSK to 64-QAM BPSK to 64-QAM BPSK to 256-QAM
通道頻寬 20 MHz 20 MHz & 20+20 MHz 20、40、80、80+80、160 MHz
發表年代

1999 (802.11a)

2003 (802.11g)

2009 (細部規格規範中) 2012 (最後規格)

圖 1. 不同 WLAN 標準的實體層特性參數

 

與 IEEE 802.11ac 類似,LTE-Advanced 亦採用載波聚合方式而提升資料傳輸率。先說 3GPP Release 8 架構的原始 LTE 規格,即可支援 1.4 ~ 20 MHz 的可調式頻寬。LTE-Advanced 亦可透過載波聚合而擴充通道頻寬。在新一代的規格中,LTE-Advanced 將可使用最多 5 組連續的 20 MHz 載波,而達最高 100 MHz 總通道頻寬。目前為止,LTE-Advanced 裝置未來可能使用的實際頻寬仍有許多問題。由於無線頻譜的成本仍高居不下,因此應僅有極少數的設備將真正完整用到 100 MHz 通道頻寬。

從測試的角度來說,新一代 IEEE 802.11ac 與 LTE-Advanced 雖然能使用更高頻寬,亦將帶來更多難題。舉例來說,IEEE 802.11ac 雖可支援最高 160 MHz 模式,但現有 RF 訊號分析器一般僅達 100 MHz 或以下的瞬間頻寬。若要測試寬帶載波聚合技術的設備,單單為了滿足頻寬需求,測試系統就必須整合多組 RF 訊號產生器與分析器。在這種情況下,由於單一 PXI 系統即可配置多組訊號產生器與分析器,並透過軟體控制所有設備;因此更凸顯了 PXI 的模組化優勢。

特性三:更高階次的調變類型

IEEE 802.11ac 與 LTE-Advanced 無線通訊標準的第三個特性是透過更高階次的調變類型而提升通訊系統資料傳輸率。提升無線通訊系統資料傳輸率的第三種方式,就是更高階次的調變類型。如同 Shannon-Hartley 定理所述,只要提高 SNR 即可提高資料傳輸率。對數位通訊系統而言,只要使用更高階次的調變類型,即可達到更高的資料傳輸率。若系統是使用正交幅調變 (QAM),則實際通道的傳輸率將與 QAM 的「階次」直接相關。舉例來說,1 個 4-QAM 通道的資料可用 4 組不同符碼呈現,而各組符碼又可用 2 位元的資料而代表;亦即 [log2(4) = 2]。依此類推,1 個 16-QAM 通道的資料可用 4 位元符碼而呈現;1 個 64-QAM 通道的資料可用 6 位元符碼而呈現。

IEEE 802.11ac 規格是首次支援 256-QAM 的消費性無線通訊標準之一。與使用 64-QAM 的系統相較,256-QAM 格式的各組符碼均可用 8 位元資料而呈現 [log2(256) = 8],因此可提高 33% 傳輸率。當然,若數位通訊通道要採用更高階次的調變類型 (即如 256-QAM),則必須能有效保持足夠的 SNR。無線通訊系統已使用自適應的調變類型多年,可於低 SNR 環境中使用如 QPSK 等的方案。圖 2 即以不同的 SNR 條件,呈現出 16-QAM 訊號的星座圖 (Constellation diagram)。 

圖 2. 不同 SNR 條件下的 16-QAM。

 

如星座圖所示,若要解調 16-QAM 的訊號而不產生位元錯誤,則 44 dB 的 SNR 即已足夠。相對之下,若要使用 16-QAM 調變類型,但 SNR 僅達 30 dB 或更低,就會產生大量的位元錯誤。此情況則適用較低階次的調變類型 (如 QPSK)。綜合以上考量要點,一旦可達極高的 SNR,則 IEEE 802.11ac 當然應使用 256-QAM 調變類型。

從儀控角度來說,幾乎僅需更改軟體,即可添增新的調變類型。如 PXI 的模組化、軟體定義平台中,所有的新無線標準或調變類型,不過就是 1 種新的波形而已;可讓工程師隨著通訊標準的演變,提升自己所需的測試設備。因此,不論是 IEEE 802.11ac 或未來的通訊標準,若要支援 256-QAM 調變類型,只要更新軟體即可輕鬆完成。 

回到頂端

3. 無線通訊標準的未來發展

毫無疑問,無論是IEEE 802.11ac 還是 LTE-Advanced,無線通訊標準將會持續發展、不斷加強。在討論新一代的無線通訊標準時,我們也看到了幾項持續演變的趨勢,如更多的空間串流、更大的通道頻寬、更高階次的調變類型,都是為了提升資料傳輸率。針對 IEEE 802.11ac 而言,最終將朝著 8x8 MIMO、高達 160 MHz 頻寬、256-QAM 而演變。而 LTE-Advanced 亦趨向使用 8x8 MIMO 設定,且載波聚合技術亦將支援高達 100 MHz 通道頻寬。另應注意的是,現有 2G 與 3G 蜂巢式標準亦正不斷演進中,並將納入這些功能。舉例來說,目前「2.5G」的 EDGE 標準後續亦將採用載波聚合技術。此外,在 UMTS 中,最近才新增的 HSPA+ 技術,即為下鏈增加了 64-QAM。針對後續發展,HSPA+ Advanced 將增加 2- 與 4-Carrier 的聚合技術,以提高現有 3G 蜂巢式通訊網路的傳輸率。

雖然新一代無線標準可達更高的資料傳輸率,而明顯提升消費者最在乎的上網速度;但魚與熊掌不可兼得,IEEE 802.11ac 與 LTE-Advanced 通訊標準,理所當然將帶來更困難的設計與測試挑戰。從處理更高頻寬的收發器,到單一行動裝置要整合更多天線,新一代標準將更依賴高效能的硬體。也因此,新一代無線標準的量測與儀控將更具挑戰性。面對如 IEEE 802.11ac 與 LTE-Advanced 的新通訊標準,多虧有 PXI 的模組化與軟體定義架構,絕對是替代傳統儀控的不二解決方案。

回到頂端

Bookmark & Share


Ratings

Rate this document

Answered Your Question?
Yes No

Submit