眾所周知，無線通信標準在不斷演進，以提供日益增長的數據吞吐能力。數據速率的提高主要是通過協議物理層的增強實現的。這些增強一般都需要幾年的時間，這使得我們能夠同時展望未來的通信系統和RF測試要求的變化。目前最熱門的兩個無線標準是無線局域網(WLAN)產品領域的IEEE 802.11ac和蜂窩通信領域的3GPP LTE-Advanced。
IEEE 802.11ac是一個新標準，該標準針對更高吞吐能力的無線連接而設計，與基于IEEE 802.11a/g/n的當代Wi-Fi產品相比，具有更多的MIMO通道、更高的帶寬和更高階的調制類型。我們將研究的一些關鍵的IEEE 802.11ac規范采用8x8多輸入多輸出(MIMO)天線技術、160MHz通道帶寬和256狀態正交調幅(256QAM)。
同樣，LTE-Advanced是3GPP LTE規范的演進版本，它具有各種還包含更多空間流和載波聚合技術的增強功能。目前新設計的LTE網絡基于3GPP發行版8規范，而LTE-Advanced則基于3GPP發行版10規范，其增強功能很有可能作為現有LTE網絡的未來升級而提供。LTE-Advanced的主要細節包括使用8x8 MIMO技術和載波聚合技術，從而使用多達100 MHz的通道帶寬。
本文將探討這兩個標準的物理層特性，并介紹高數據速率是如何實現的。我們還將討論更多的空間流、載波聚合和更高階的調制方案如何直接轉化成更高的數據吞吐能力。最后，我們將討論每個標準的物理層演進給當前RF工程師帶來了怎樣的新測試挑戰。
不斷增加的空間流
第一個無線通信標準為提高數據速率而引入MIMO天線技術已經有五年多了。在MIMO以前，一般將香農-哈特利(Shannon-Hartley)定理作為給定數據通信通道的理論數據吞吐能力的模型：
容量=帶寬×log2(1+SNR)
根據該定理，通過影響通道帶寬或信噪比(SNR)可以提高特定通道的數據速率。不過具有多個空間流的MIMO系統的設計卻允許背離香農哈特利定理。在2x2 MIMO系統中，在同一物理通道中使用兩個獨立的空間流能夠有效地使數據速率達到傳統的單輸入單輸出(SISO)系統的應有數據速率的兩倍。相應地，4x4 MIMO通道可以實現4倍的數據速率，8x8 MIMO通道則可以實現8倍的數據速率。
目前，IEEE 802.11ac和LTE-Advanced等新一代無線通信標準不斷地使用更多的空間流來提高數據吞吐能力。比如，Wi-Fi的前身IEEE 802.11n采用復雜的4x4 MIMO配置，新一代802.11ac采用8x8 MIMO配置。從LTE到LTE-Advanced的蜂窩通信技術的演進將帶來同樣的變化。目前的LTE規范可以實現4X4 MIMO下行鏈路通道，而LTE-Advanced則支持8x8 MIMO下行鏈路通道。除IEEE 802.11ac和LTE-Advanced之外，我們將看到這一趨勢將繼續向前發展。有關16x16 MIMO系統的研究已經開始進行，未來有一我們會看到16x16 MIMO系統(這取決于研究的結果)。
對于新一代基于MIMO的通信系統的測試工程師而言，根據歷史事實，使用傳統儀器很難滿足多端口MIMO測量的同步要求(如果這些要求并不是無法滿足的話)。如今，PXI儀器的模塊化和軟件定義架構可以為工程師提供測試新一代無線標準所需的靈活性。比如，在典型的PXI系統中，只需在同樣的主機中增加更多的PXI下變頻器和數字化器，4通道RF信號分析儀就可以升級到8通道RF信號分析儀。
更高的通道帶寬
正如香農哈特利定理的所述，增加數字通信通道的帶寬是增加通道帶寬的第二個途徑。根據歷史事實，在蜂窩領域，當GSM/EDGE發展到UMTS時，僅增加數字調制信號的符號率即可增加通道帶寬。不過，大家普遍認為，在單載波通信系統中使用寬帶信號會產生固有的物理硬件挑戰。此外，由于具有更高符號率的系統會產生較短的符號周期，因此多徑衰落等其他常見的無線挑戰在寬帶單載波通信系統中的問題會越來越大。
目前，新一代無線通信通道整合正交頻分復用(OFDM)技術和載波聚合技術來提高有效的符號率，同時還可以避免出現寬帶單載波通信系統的傳統挑戰。OFDM是目前用于IEEE 802.11a/g/n和LTE的一種常見技術，這種技術可以將一個通道分成正交和較低符號率的子載波，從而實現更高的有效符號率，同時減輕多徑衰落問題。對于IEEE 802.11ac和LTE-Advanced等新一代標準而言，通過增加通道帶寬提高數據速率是通過使用以下兩種機制實現的：更多的子載波和載波聚合。
IEEE 802.11g是針對單個20-MHz OFDM通道而設計的標準，IEEE 802.11n則支持多達兩個20MHz通道的設備實現40MHz的總帶寬，從而增加載波聚合技術。相比之下，IEEE 802.11ac支持20、40、80和160MHz通道帶寬方案。在40和80MHz模式的IEEE 802.11ac中，通過使用更多的子載波實現了更高的帶寬。因此，20MHz模式采用64個子載波，40MHz模式采用128個子載波，80MHz模式采用256個子載波，160MHz模式采用512個子載波。相比之下，80+80 MHz模式的IEEE 802.11ac將采用略有不同的方案。在這種模式下，載波聚合方案將通過接入點同時采用兩個唯一的80MHz OFDM通道（每個通道256個子載波）。在表1中，我們對各種常見IEEE 802.11標準的不同調制類型、MIMO方案和通道帶寬進行了比較和對比。
與IEEE 802.11ac一樣，LTE-Advanced也采用載波聚合方案來提高數據吞吐能力。源自3GPP發行版8的原始LTE規范支持1.4至20 MHz的可擴展帶寬，LTE-Advanced也通過載波聚合擴展了通道帶寬。在新一代規范中，LTE-Advanced支持使用多達五個鄰近的20MHz載波，以獲得高達100 MHz的總通道帶寬。如今，許多有關未來的LTE-Advanced設備實際將使用的確切帶寬的問題仍然存在。由于無線頻譜的成本極高，很少會有設備使用全部100MHz的可用通道帶寬。
從測試的角度來看，IEEE 802.11ac和LTE-Advanced等新一代無線標準的更高帶寬將帶來相當多的挑戰。比如，雖然IEEE 802.11ac將支持使用多達160 MHz通道帶寬的模式，但是目前的RF信號分析儀一般只有100 MHz或不到100 MHz的瞬間帶寬。當測試使用寬帶載波聚合技術的設備時，單為滿足帶寬要求，工程師就需要根據多個RF信號發生器和分析儀組裝測試系統。在這些方案中，由于單個PXI系統中可以配置和通過軟件控制多個信號發生器和分析儀，因此PXI的模塊化可以帶來相當多的好處。
更高階的調制類型
無線通信系統設計人員提高數據速率的第三個途徑是更高階的調制類型。正如香農哈特利定理所述，增加SNR相當于增加數據吞吐能力。對于數字通信系統而言，采用更高階的調制類型可以實現更高的數據速率。對于采用正交調幅(QAM)的系統而言，物理通道的吞吐能力與QAM的“階數”直接相關。例如，由于四個唯一的符號可以表示的最大位數為2[log2(4)=2]，因此4QAM通道具有每個符號表示2位的能力。同樣，16QAM通道的每個符號可以產生4位，64QAM通道的每個符號可以產生6位。
新的IEEE 802.11ac規范是首個支持256-QAM的消費者無線標準之一。256QAM格式的每個符號都可以產生8位[log2(256)=8]，因此與僅采用64QAM的系統相比，可以實現高33%的吞吐能力。當然，采用256QAM等更高階調制類型的數字通信通道的功能要求能夠維持足夠高的SNR。無線通信系統采用自適應調制類型已有多年，支持在低SNR環境中使用QPSK等更魯棒的方案。以圖2為例，該圖是不同SNR條件下16QAM信號的星座圖。
正如我們在星座圖中所看到的，44dB的SNR對于在不產生誤碼的情況下解調16QAM信號已經足夠大了。相比之下，SNR為30 dB或30 dB以下的環境(采用16QAM調制類型)會產生相當多的誤碼。在這種情況下，QPSK等低階調制類型可能更加合適。鑒于這些考慮因素，你可能會恰當地假設IEEE 802.11ac將在SNR相當高的情況下僅采用256QAM調制類型。
從儀器的角度來看，增加新調制類型幾乎只需要更改軟件。在PXI等軟件定義的模塊化平臺中，每個新無線標準或調制類型都只是一個新的波形，它使得工程師的測試設備能夠隨著通信標準的演進而逐步發展。因此，在IEEE 802.11ac以及未來可能出現的標準中增加對256QAM調制類型的支持將很有可能只需要通過更新軟件就能輕松實現。
本文小結
我們在探討新一代無線通信標準時，看到了使用更多的空間流、更寬的通道帶寬和更高階的調制類型提高數據吞吐能力的發展趨勢。對于IEEE 802.11ac，這種趨勢最終會發展到采用8x8 MIMO的天線技術、高達160MHz的帶寬和256QAM。對于LTE-Advanced，其趨勢是支持8x8 MIMO配置和實現載波聚合技術，從而支持高達100MHz的通道帶寬。同樣，還應該注意的是，現有的2G和3G蜂窩標準也在不斷演進，也會增加這些功能。比如，甚至是當前“2.5G”EDGE標準的下一步演進也會采用載波聚合技術。此外，在UMTS中，HSPA+是最近才增加的一項增強技術，該技術在下行鏈路中增加了64QAM。下一步，HSPA+ Advanced將增加二/四載波聚合技術，從而提高現有3G蜂窩通信網絡的吞吐能力。
雖然新一代無線標準會以更高數據速率的形式給消費者帶來各種顯而易見的好處，但是IEEE 802.11ac和LTE-Advanced無線電的設計和測試將出現相當大的挑戰。從能夠處理更高帶寬的樓宇收發器到在單個手機設備中整合更多的天線，新一代標準都會提出相當多的高硬件要求。這樣，新一代無線標準所需的測量和儀器也更具挑戰性。幸運的是，PXI測試裝置的模塊化和軟件定義架構使其成為測試IEEE 802.11ac和LTE-Advanced等新興標準的傳統儀器的一個不可抗拒的替代方案。
京公網安備 11010502049343號