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當(dāng)我們還在糾結(jié)是否換掉家用老式無(wú)線路由器的時(shí)候，無(wú)線技術(shù)卻在加速演進(jìn)中。在以高通、博通、Quantenna等芯片廠商為首的上游企業(yè)帶動(dòng)下，支持下一代無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的802.11ax無(wú)線芯片紛紛亮相，甚至支持該無(wú)線制式的路由器也已出爐，都讓W(xué)LAN（無(wú)線局域網(wǎng)）標(biāo)準(zhǔn)向第六代演進(jìn)的路徑變得更為明晰與真切起來(lái)。
802.11g/n助Wi-Fi稱(chēng)霸
WiFi/802.11技術(shù)演進(jìn)時(shí)間表
根據(jù)2017年6月7日IDC公布的WLAN（無(wú)線局域網(wǎng)）市場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，802.11ac已成為2017年季度消費(fèi)級(jí)WLAN市場(chǎng)的一大亮點(diǎn)，收入和出貨量同比分別增長(zhǎng)了17.6%和48.5%。
即便在企業(yè)級(jí)無(wú)線AP上，搭載802.11ac標(biāo)準(zhǔn)的AP出貨量也達(dá)到了70.9%，收益占比達(dá)到84.7%，成為取代802.11n標(biāo)準(zhǔn)的新動(dòng)力，而有預(yù)測(cè)稱(chēng)802.11n將會(huì)在2018年年底*被淘汰掉。
那么在性能表現(xiàn)似乎已經(jīng)相當(dāng)不錯(cuò)的802.11ac之后，還會(huì)有哪種無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)能給Wi-Fi帶來(lái)質(zhì)的新飛躍呢？
答案只有802.11ax了。
作為接棒802.11ac的下一代Wi-Fi，802.11ax在理論無(wú)線速率方面的平均吞吐量能達(dá)到802.11ac標(biāo)準(zhǔn)的4倍。
802.11ax理論吞吐量可達(dá)802.11ac的4倍
802.11ax又稱(chēng)為「率無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)」(High-Efficiency Wireless, HEW)，旨在實(shí)現(xiàn)一項(xiàng)挑戰(zhàn)性的目標(biāo)：將用戶(hù)密集環(huán)境中的每位用戶(hù)平均傳輸率提升至4倍以上。這項(xiàng)全新標(biāo)準(zhǔn)著重于機(jī)制的實(shí)作，以期在人潮眾多的環(huán)境下，為更多使用者提供一致且穩(wěn)定的數(shù)據(jù)流(平均傳輸率)。本文將帶領(lǐng)各位探索802.11ax 標(biāo)準(zhǔn)「率無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)」各項(xiàng)嶄新機(jī)制。
2013年推出的802.11ac標(biāo)準(zhǔn)不僅可在單一空間串流中實(shí)現(xiàn)近866Mbit/s的鏈接速度，還能提供更寬的通道(160MHz)以及更高的調(diào)變階次(256-QAM)。只要使用8個(gè)空間串流(標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)量上限)，此一技術(shù)將可成就高達(dá)6.97Gbit/s的理論速度值。只是，正如同法拉利只能在管制賽道上發(fā)揮實(shí)力一樣，除非您身處射頻實(shí)驗(yàn)室，否則很難使用到7Gbit/s的高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。在現(xiàn)實(shí)世界中，每當(dāng)使用者試圖在繁忙的機(jī)場(chǎng)航廈中使用公共Wi-Fi查看電子郵件，往往會(huì)因牛步般的網(wǎng)絡(luò)速度而備感挫折。
IEEE 802.11無(wú)線LAN標(biāo)準(zhǔn)的修正802.11ax將能有效解決此一問(wèn)題。802.11ax又稱(chēng)為「率無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)」(HEW)，旨在實(shí)現(xiàn)一項(xiàng)挑戰(zhàn)性的目標(biāo)：將用戶(hù)密集環(huán)境中的每位用戶(hù)平均傳輸率提升至4倍以上。
強(qiáng)化高密度使用情境網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)
率無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)具有下列重要功能：
向下兼容于802.11a/b/g/n/ac。
將火車(chē)站、機(jī)場(chǎng)等高人口密度地點(diǎn)的每位用戶(hù)平均傳輸率提升4倍。
數(shù)據(jù)速率和信道寬度與802.11ac相似，但可搭配1024-QAM提供新的調(diào)變和編碼組合(MCS 10和11)。
透過(guò)MU-MIMO和正交頻分多任務(wù)存取(OFDMA)技術(shù)，進(jìn)行的下鏈和上鏈多用戶(hù)作業(yè)。
提供四倍大的OFDM FFT、更窄的子載波間距(密度為4倍)以及更長(zhǎng)的符碼時(shí)間(4倍)，進(jìn)而改善多路徑衰減環(huán)境以及室外的穩(wěn)固性和性能。
改善流量和通道存取情形。
電源管理更為出色，可帶來(lái)更長(zhǎng)效的電池續(xù)航力。
率無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)也可滿(mǎn)足下列目標(biāo)應(yīng)用的需求：
行動(dòng)數(shù)據(jù)卸除：在2020年，每個(gè)月產(chǎn)生的Wi-Fi卸除流量將來(lái)到38.1Exabyte，并持續(xù)超越每月的行動(dòng)流量(30.6EB)預(yù)估值。此一數(shù)字相當(dāng)于每分鐘在這些網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)超過(guò)6,000部藍(lán)光電影。
具備眾多存取點(diǎn)，且有高密度用戶(hù)持有異質(zhì)裝置的環(huán)境(機(jī)場(chǎng)Wi-Fi≠家用Wi-Fi)。
室外或混合室外的環(huán)境。
現(xiàn)有Wi-Fi機(jī)制不利高密度傳輸
802.11通訊協(xié)議采用了載波感測(cè)多路存取(CSMA)方式，在此一方式中，無(wú)線基地臺(tái)(STA)會(huì)先感測(cè)通道，而且只會(huì)在感測(cè)到通道閑置時(shí)進(jìn)行傳輸，藉此嘗試避免沖突(圖1)。如果任一STA聽(tīng)到有其他STA存在，就會(huì)在再次收聽(tīng)前等候一段時(shí)間，以待對(duì)方停止傳輸并釋放通道。當(dāng)STA可進(jìn)行傳輸時(shí)，將會(huì)傳輸完整的封包數(shù)據(jù)。
圖1、空閑通道評(píng)估通訊協(xié)議
Wi-Fi STA可藉由RTS/CTS封包來(lái)調(diào)停共享媒體的存取。存取點(diǎn)(AP)每次只會(huì)將一個(gè)CTS封包發(fā)給一個(gè)STA，而對(duì)方則會(huì)將完整的框架送回AP。接著，STA會(huì)等候AP用來(lái)告知封包已正確接收的確認(rèn)封包(ACK)。如果STA沒(méi)有及時(shí)收到ACK，就會(huì)假設(shè)封包與其他傳輸產(chǎn)生沖突，并進(jìn)入二進(jìn)制指數(shù)輪詢(xún)期間。在輪詢(xún)計(jì)數(shù)到期后，STA將試圖存取媒體并重新傳輸封包。
此空閑通道評(píng)估和沖突預(yù)防通訊協(xié)議雖有助于將信道平均分配給沖突網(wǎng)域中的所有參與者，但如果參與者數(shù)量過(guò)于龐大，分配效率會(huì)隨之下降；多個(gè)AP服務(wù)區(qū)域重迭，則是造成網(wǎng)絡(luò)效率不彰的另一原因。圖2中的某位使用者(使用者1)隸屬于左側(cè)的基本服務(wù)組(BSS，一組與AP產(chǎn)生關(guān)聯(lián)的無(wú)線客戶(hù)端)。使用者1會(huì)與自身BSS內(nèi)的其他用戶(hù)一同競(jìng)爭(zhēng)媒體存取權(quán)，接著再與其AP交換數(shù)據(jù)。不過(guò)，這位使用者仍然可以聽(tīng)到來(lái)自右側(cè)重迭BSS的流量。
圖2、BSS重迭所造成的媒體存取效率不彰
在這個(gè)案例中，來(lái)自O(shè)BSS的流量會(huì)觸發(fā)用戶(hù)1的輪詢(xún)程序，導(dǎo)致用戶(hù)必須歷經(jīng)更長(zhǎng)的等待才能得到傳輸機(jī)會(huì)，進(jìn)而大幅拉低他們的平均數(shù)據(jù)傳輸率。
第三個(gè)有待考慮的因素則為較寬通道的共享。舉例來(lái)說(shuō)，北美地區(qū)的802.11ac只有一個(gè)可用的160MHz通道，而歐洲則有兩個(gè)(圖3)。
圖3、5GHz頻帶的802.11ax信道配置范例
使用較少的通道規(guī)劃密集的涵蓋范圍變得十分困難，而此一現(xiàn)象也迫使網(wǎng)絡(luò)管理員必須重復(fù)使用附近基地臺(tái)中的信道。如果沒(méi)有注意且刻意進(jìn)行電源管理，使用者將會(huì)遇到同通道干擾，除了會(huì)減損性能之外，還會(huì)將通道較寬的既定優(yōu)勢(shì)一筆勾銷(xiāo)。在調(diào)變和編碼模式(MCS)8、9、10和11以高數(shù)據(jù)速率傳送數(shù)據(jù)時(shí)，特別容易遇到低訊噪比的情況，因此格外容易使網(wǎng)絡(luò)性能受到影響。此外，在現(xiàn)有的802.11 網(wǎng)絡(luò)實(shí)作中，如果20MHz信道與80MHz信道重迭，不僅會(huì)造成80MHz通道無(wú)法使用，用戶(hù)也會(huì)以較窄的通道進(jìn)行傳輸。也就是說(shuō)，在高密度網(wǎng)絡(luò)中實(shí)作802.11ac的通道共享，將損及80MHz通道的優(yōu)勢(shì)，并以20MHz通道進(jìn)行傳輸。
802.11ax PHY變更
802.11ax標(biāo)準(zhǔn)在物理層導(dǎo)入了多項(xiàng)大幅變更。然而，它依舊可向下兼容于802.11a/b/g/n與ac裝置。正因如此，802.11ax STA能與舊有STA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和接收，舊有客戶(hù)端也能解調(diào)和譯碼802.11ax封包表頭檔(雖然不是整個(gè)802.11ax封包)，并于802.11ax STA傳輸期間進(jìn)行輪詢(xún)。表1顯示此一標(biāo)準(zhǔn)修正重要的變更以及與現(xiàn)行802.11ac的對(duì)照。
表1
請(qǐng)注意，802.11ax標(biāo)準(zhǔn)將在2.4GHz和5GHz頻帶運(yùn)作。此規(guī)格定義了4倍大的FFT，以及數(shù)量更多的子載波。不過(guò)，802.11ax也涵蓋了一項(xiàng)重大變更：將子載波間距縮減到先前802.11標(biāo)準(zhǔn)的四分之一，以保留現(xiàn)有的通道帶寬(圖4)。
圖4、更窄的子載波間距
OFDM符碼持續(xù)期間和循環(huán)前綴區(qū)段(Cyclic Prefix, CP)也提高4倍，一邊維持與802.11ac相同的原始鏈接數(shù)據(jù)速率，一邊提升室內(nèi)/室外和混合式環(huán)境的效率及穩(wěn)固性。不過(guò)，ax標(biāo)準(zhǔn)會(huì)于室內(nèi)環(huán)境中1024-QAM和較低的循環(huán)式前置區(qū)段比，以利實(shí)現(xiàn)高的數(shù)據(jù)速率。
波束成形
802.11ax將采用與802.11ac相似的明確波束成形程序。在這個(gè)程序中，波束成形器會(huì)使用Null數(shù)據(jù)封包啟動(dòng)信道探測(cè)程序，而波束成形接收端則會(huì)測(cè)量通道，并使用波束成形反饋架構(gòu)(當(dāng)中包含壓縮的反饋矩陣)做出回應(yīng)。波束成形器將使用這項(xiàng)信息來(lái)運(yùn)算信道矩陣H。隨后，波束成形接收端就能使用這個(gè)通道矩陣，將射頻能量運(yùn)用在每位使用者身上。
多用戶(hù)作業(yè)：MU-MIMO與OFDMA
802.11ax標(biāo)準(zhǔn)采用了兩種作業(yè)模式，分別是單一使用者與多使用者。在單一用戶(hù)序列模式中，只要無(wú)線STA一取得媒體存取權(quán)，就會(huì)每次進(jìn)行一個(gè)數(shù)據(jù)傳送和接收作業(yè)。在多用戶(hù)模式下，可同步進(jìn)行多個(gè)非AP STA作業(yè)。標(biāo)準(zhǔn)會(huì)將此一模式進(jìn)一步劃分成下鏈和上鏈多使用者。
下鏈多使用者是指由AP同時(shí)提供給多個(gè)相關(guān)無(wú)線STA的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)有的802.11ac已具備這項(xiàng)功能。
上鏈多使用者則涉及同時(shí)從多個(gè)STA傳輸數(shù)據(jù)至AP。這是802.11ax標(biāo)準(zhǔn)的新功能，且不存在于任何舊版Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)中。
在多用戶(hù)作業(yè)模式中，標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)兩種方式來(lái)為特定區(qū)域內(nèi)更多用戶(hù)進(jìn)行多任務(wù)：多使用者M(jìn)IMO(MU-MIMO)和正交頻分多任務(wù)存取(OFDMA)。無(wú)論為上述何種方式，AP都會(huì)充當(dāng)多用戶(hù)作業(yè)內(nèi)的中央控制器，這點(diǎn)與LTE基地臺(tái)用來(lái)控制多使用者多任務(wù)的方式相似。此外，802.11ax AP也可將MU-MIMO和OFDMA作業(yè)結(jié)合在一起。
在MU-MIMO方面，802.11ax裝置會(huì)效法802.11ac實(shí)作，使用波束成形技術(shù)將封包同步導(dǎo)向位于不同空間的使用者。換言之，AP將為每位用戶(hù)計(jì)算通道矩陣，然后將同步波束導(dǎo)向不同用戶(hù)，而每道波束都會(huì)包含適用于所屬目標(biāo)用戶(hù)的特定封包。802.11ax每次多可傳送8個(gè)多使用者M(jìn)IMO傳輸，遠(yuǎn)高于802.11ac的4個(gè)。此外，每個(gè)MU-MIMO傳輸都具備專(zhuān)屬的MCS以及不同數(shù)量的空間串流。打個(gè)比方，使用MU-MIMO空間多任務(wù)時(shí)，AP的角色就等同于以太網(wǎng)絡(luò)交換器，能減少自大型計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)至單一端口的網(wǎng)域沖突。
MU-MIMO上鏈導(dǎo)向提供了一項(xiàng)新功能：AP將透過(guò)觸發(fā)訊框的方式啟動(dòng)來(lái)自每個(gè)STA的同步上鏈傳輸。當(dāng)多使用者的響應(yīng)與自身的封包一致時(shí)，AP就會(huì)將通道矩陣套用至已接收的波束，并區(qū)分每道上鏈波束包含的信息。另外，如圖5所示，AP也能啟動(dòng)上鏈多使用者傳輸，以接收來(lái)自所有參與STA的波束成形反饋信息。
圖5、波束成形器(AP)要求信道信息以進(jìn)行MU-MIMO作業(yè)
在MU-OFMDA部分，為了讓相同通道帶寬的更多用戶(hù)進(jìn)行多任務(wù)，802.11ax標(biāo)準(zhǔn)采用了4G行動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域中的正交頻分多任務(wù)存取(OFDMA)。802.11ax標(biāo)準(zhǔn)以802.11ac所用的正交頻分多任務(wù)(OFDM)數(shù)字調(diào)變架構(gòu)為基礎(chǔ)，會(huì)將特定子載波集進(jìn)一步指派給個(gè)別使用者。這表示它會(huì)使用數(shù)量已預(yù)先定義的子載波，將現(xiàn)有的802.11通道(20、40、80和160MHz寬)畫(huà)分成較小的子通道。此外，802.11ax標(biāo)準(zhǔn)也仿效現(xiàn)代化的LTE專(zhuān)有名詞，將小的子信道稱(chēng)為「資源單位」(RU)，而當(dāng)中至少包含26個(gè)子載波。
AP會(huì)根據(jù)多使用者的流量需求來(lái)判斷如何配置信道，持續(xù)指派下鏈中所有可用的RU。它可能會(huì)將整個(gè)信道一次配置給一名用戶(hù)，如同現(xiàn)行的802.11ac，也有可能將通道進(jìn)行分配，以便同時(shí)服務(wù)多使用者(圖6)。
圖6、單一用戶(hù)使用通道，與使用OFDMA多任務(wù)相同通道中的不同用戶(hù)
在使用者密集環(huán)境中，許多使用者通常會(huì)透過(guò)成效不彰的方式爭(zhēng)取使用通道的機(jī)會(huì)，現(xiàn)在，OFDMA機(jī)制會(huì)同時(shí)為多使用者提供較小(但專(zhuān)屬)的子通道，進(jìn)而改善每位用戶(hù)平均傳輸率。圖7說(shuō)明了802.11ax系統(tǒng)如何使用不同大小的RU進(jìn)行通道多任務(wù)。請(qǐng)注意，小的通道可在每20MHz的帶寬中容納多達(dá)9名使用者。
圖7、使用不同大小的資源單位來(lái)細(xì)分Wi-Fi信道
表2顯示當(dāng)802.11ax AP和STA協(xié)調(diào)進(jìn)行MU-OFDMA作業(yè)時(shí)，可享有分頻多任務(wù)存取的使用者人數(shù)。
多用戶(hù)上鏈作業(yè)
為了協(xié)調(diào)上鏈MU-MIMO或上鏈OFDMA傳輸，AP會(huì)將一個(gè)觸發(fā)訊框傳送給所有使用者。這個(gè)訊框會(huì)指出每位使用者的空間串流數(shù)量和/或OFDMA配置(頻率和RU大小)。此外，當(dāng)中也會(huì)包含功率控制信息，好讓個(gè)別用戶(hù)可以調(diào)高或調(diào)低其傳輸功率，進(jìn)而平衡AP自所有上鏈?zhǔn)褂谜呓邮盏降墓β?，同時(shí)改善較遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)的訊框接收情況。AP也會(huì)指示所有使用者何時(shí)可以開(kāi)始和結(jié)束傳輸。如同圖8所示，AP會(huì)傳送多使用者上鏈觸發(fā)訊框，告知所有使用者何時(shí)可以一起開(kāi)始傳輸，以及所屬訊框的持續(xù)時(shí)間，以確保彼此能夠同時(shí)結(jié)束傳輸。一旦AP收到了所有使用者的訊框，就會(huì)回傳區(qū)塊ACK以結(jié)束作業(yè)。
圖8、協(xié)調(diào)上鏈多用戶(hù)作業(yè)
802.11ax的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)之一，就是在使用者密集的環(huán)境中提供4倍以上的單一使用者傳輸率。為了實(shí)現(xiàn)此一目標(biāo)，這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)人員802.11ax裝置必須支持下鏈和上鏈MU-MIMO作業(yè)、MU-OFDMA作業(yè)，或是同時(shí)支持兩者，以應(yīng)對(duì)規(guī)模更大的同時(shí)用戶(hù)數(shù)量。
802.11ax MAC機(jī)制變更
為了改善密集部署情境中的系統(tǒng)層級(jí)性能以及頻譜資源的使用效率，802.11ax標(biāo)準(zhǔn)實(shí)作了空間重復(fù)使用技術(shù)。STA可以識(shí)別來(lái)自重迭基本服務(wù)組(BSS)的信號(hào)，并根據(jù)這項(xiàng)信息來(lái)做出媒體競(jìng)爭(zhēng)和干擾管理決策。
當(dāng)正在主動(dòng)收聽(tīng)媒體的STA偵測(cè)到802.11ax訊框時(shí)，它就會(huì)檢查BSS色彩位(Color Bit)或MAC表頭文件中的MAC地址。如果所偵測(cè)的協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PPDU)中的BSS色彩與所關(guān)聯(lián)AP已發(fā)表的色彩相同，STA就會(huì)將該訊框視為Intra-BSS訊框。 然而，如果所偵測(cè)訊框的BSS色彩不同，STA就會(huì)將該框架視為來(lái)自重迭BSS的Inter-BSS框架。在這之后，只有在需要STA驗(yàn)證框架是否來(lái)自Inter-BSS期間，STA才將媒體當(dāng)成忙碌中(BUSY)。不過(guò)，這段期間不會(huì)超過(guò)的訊框酬載時(shí)間。
盡管標(biāo)準(zhǔn)仍需定義某些機(jī)制來(lái)忽略來(lái)自重迭BSS的流量，在實(shí)作上，則可包含提高Inter-BSS訊框的空閑信道評(píng)估信號(hào)偵測(cè)(SD)門(mén)坎值，并同時(shí)降低Intra-BSS流量的門(mén)坎(圖9)。如此一來(lái)，來(lái)自鄰近BSS 的流量就不會(huì)造成不必要的通道存取競(jìng)爭(zhēng)。
圖9、使用色碼進(jìn)行空閑通道評(píng)估
當(dāng)802.11ax STA使用色碼架構(gòu)的CCA規(guī)則時(shí)，它們也允許搭配傳輸功率控制來(lái)一同調(diào)整OBSS信號(hào)偵測(cè)門(mén)坎。這項(xiàng)調(diào)整可望改善系統(tǒng)層級(jí)性能以及頻譜資源的使用效率。除此之外，802.11ax STA也可調(diào)整CCA參數(shù)，例如能量偵測(cè)層級(jí)和信號(hào)偵測(cè)層級(jí)。
除了使用CCA來(lái)判斷目前通道是否為閑置或忙碌中，802.11標(biāo)準(zhǔn)也采用了網(wǎng)絡(luò)配置矢量(NAV)，這個(gè)時(shí)間機(jī)制會(huì)保持未來(lái)流量的預(yù)測(cè)，以供STA指出緊接在目前訊框后的訊框需要多少時(shí)間。NAV可做為虛擬載波感測(cè)，用來(lái)為802.11通訊協(xié)議作業(yè)至關(guān)重要的訊框確保媒體預(yù)約(例如控制框架以及RTS/CTS交換后的數(shù)據(jù)和ACK)。
負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)率無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的802.11工作團(tuán)隊(duì)可能會(huì)在802.11ax標(biāo)準(zhǔn)中包含多個(gè)NAV字段，也就是采用兩個(gè)不同的NAV。同時(shí)擁有Intra-BSS NAV和Inter-BSS NAV不僅可協(xié)助STA預(yù)測(cè)自身BSS內(nèi)的流量，還能讓它們?cè)诘弥氐髁繝顟B(tài)時(shí)自由傳輸(圖10)。
圖10、MU PPDU交換和NAV設(shè)定范例
透過(guò)目標(biāo)喚醒時(shí)間省電
802.11ax AP可以和參與其中的STA協(xié)調(diào)目標(biāo)喚醒時(shí)間(TWT)功能的使用，以定義讓個(gè)別基地臺(tái)存取媒體的特定時(shí)間或一組時(shí)間。STA和AP會(huì)交換信息，而當(dāng)中將包含預(yù)計(jì)的活動(dòng)持續(xù)時(shí)間。如此一來(lái)，AP就可控制需要存取媒體的STA間的競(jìng)爭(zhēng)和重迭情況。802.11ax STA可以使用TWT來(lái)降低能量損耗，在自身的TWT來(lái)臨之前進(jìn)入睡眠狀態(tài)。另外，AP還可另外設(shè)定排程并將TWT值提供給STA，這樣一來(lái)，雙方之間就不需要存在個(gè)別的TWT協(xié)議。本標(biāo)準(zhǔn)將此程序稱(chēng)為「廣播TWT作業(yè)」(圖11)。
圖11、目標(biāo)喚醒時(shí)間廣播作業(yè)范例
802.11ax帶來(lái)六大測(cè)試挑戰(zhàn)
由于導(dǎo)入許多先進(jìn)射頻技術(shù)與訪問(wèn)控制機(jī)制，802.11ax系統(tǒng)的測(cè)試與設(shè)計(jì)驗(yàn)證將面臨六大挑戰(zhàn)，分別出現(xiàn)在誤差矢量幅度(EMV)、頻率錯(cuò)誤、STA功率控制、存取點(diǎn)接收器靈敏度、上鏈帶內(nèi)散射與MIMO測(cè)試上。
更嚴(yán)格的EVM規(guī)定
現(xiàn)在802.11ax會(huì)托管1024-QAM的相關(guān)支持。此外，子載波之間的間隔只有78.125kHz。這意味著802.11ax裝置需要相位噪聲性能更出色的振蕩器，以及線性能力更優(yōu)異的射頻前端。而測(cè)量待測(cè)物(DUT)動(dòng)作的測(cè)試儀器則會(huì)要求其EVM噪聲水平應(yīng)遠(yuǎn)低于DUT。
表3列出了802.11ax兼容裝置所應(yīng)符合的EVM等級(jí)。
表3
與相對(duì)頻率錯(cuò)誤
OFDMA系統(tǒng)對(duì)頻率和頻率偏移有著*的磁化率。因此，802.11ax多使用者OFDMA性能需要極為密切的頻率同步化和頻率偏移修正。此要求將確保所有STA都能在所配置的子頻道中運(yùn)作，并將頻譜泄漏的情況減至低。此外，這項(xiàng)嚴(yán)格的時(shí)序需求也可確保所有STA都將同時(shí)進(jìn)行傳輸，以響應(yīng)AP的MU觸發(fā)訊框。
以4G LTE系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，基站會(huì)利用GPS授時(shí)頻率來(lái)同步所有相關(guān)裝置。然而，802.11ax AP不僅與這項(xiàng)優(yōu)勢(shì)無(wú)緣，還需要使用內(nèi)建的振蕩器充當(dāng)維護(hù)系統(tǒng)同步化的參考依據(jù)。之后，STA會(huì)自AP的觸發(fā)訊框擷取偏移信息，并據(jù)此調(diào)整內(nèi)部的頻率和頻率參考。
802.11ax裝置的頻率和頻率偏移測(cè)試將涉及下列測(cè)試：
頻率錯(cuò)誤：DUT會(huì)傳送802.11ax訊框，而測(cè)試儀器則會(huì)使用標(biāo)準(zhǔn)參考來(lái)測(cè)量頻率和頻率偏移。結(jié)果將與目前802.11ac規(guī)格的所述數(shù)據(jù)相似，限制約為±20ppm。
相對(duì)頻率錯(cuò)誤：這將測(cè)試不屬于AP的STA參與上鏈多用戶(hù)傳輸以鏈接AP頻率的能力。測(cè)試程序包含兩個(gè)步驟。首先，測(cè)試儀器會(huì)將觸發(fā)框架傳送給DUT。
DUT將依照取自于觸發(fā)訊框的頻率和頻率信息進(jìn)行自適應(yīng)。接著，DUT會(huì)使用已修正頻率的框架做出回應(yīng)，而測(cè)試儀器則會(huì)測(cè)量這些框架的頻率錯(cuò)誤。在載波頻率偏移和時(shí)序補(bǔ)償完成后，這些限制將密切維持在相對(duì)于AP觸發(fā)訊框僅不到350 Hz和±0.4微秒的程度(圖12)。
圖12、相對(duì)頻率錯(cuò)誤測(cè)量的設(shè)定
STA功率控制
與降低頻率和頻率錯(cuò)誤需求一樣，AP于上鏈多使用者傳輸期間接收的功率，不應(yīng)出現(xiàn)多個(gè)使用者之間功率差異過(guò)大的情況。因此，AP必須控制每個(gè)獨(dú)立STA的傳輸功率。AP可以使用觸發(fā)訊框，并于當(dāng)中包含各STA的傳輸功率信息。開(kāi)發(fā)人員只需使用與頻率錯(cuò)誤測(cè)試相似的兩步驟程序，即可完成這項(xiàng)功能的測(cè)試。
存取點(diǎn)接收器靈敏度
鑒于AP會(huì)充作頻率和頻率參考之用，測(cè)試802.11ax AP的接收器靈敏度成為一大挑戰(zhàn)。正因如此，測(cè)試儀器需要在傳送封包至AP之前鎖定AP，以利封包錯(cuò)誤率靈敏度測(cè)試的進(jìn)行。
在傳送觸發(fā)訊框以啟動(dòng)AP之后，測(cè)試儀器會(huì)配合AP調(diào)整自身的頻率和頻率，然后透過(guò)使用預(yù)期設(shè)定的封包(數(shù)量已預(yù)先定義)回應(yīng)AP DUT。
802.11ax采用的相對(duì)頻率錯(cuò)誤限制相當(dāng)嚴(yán)格，這也正是難題所在。測(cè)試儀器需要自AP傳送的觸發(fā)訊框擷取極為的頻率和頻率信息。儀器可能需要針對(duì)多個(gè)觸發(fā)框架執(zhí)行這項(xiàng)計(jì)算，以確保頻率和頻率同步化順暢無(wú)礙。因此，這項(xiàng)程序可能會(huì)大幅延誤測(cè)試程序的進(jìn)度。
若要加快測(cè)試程序的腳步，其中一個(gè)可行的解決方案便是讓AP匯出其頻率參考，好讓測(cè)試設(shè)備能據(jù)此鎖定自身頻率。如此即可跳過(guò)根據(jù)觸發(fā)訊框進(jìn)行的初期同步化程序，并縮短AP接收器靈敏度測(cè)試的所需時(shí)間。
上鏈帶內(nèi)散射
在STA以MU-OFDMA模式運(yùn)作期間，它們會(huì)使用由AP決定的RU配置來(lái)上傳數(shù)據(jù)至AP。也就是說(shuō)，STA只會(huì)使用通道的一部分。802.11ax標(biāo)準(zhǔn)可能會(huì)上鏈帶內(nèi)散射測(cè)試，以描述和測(cè)量在傳輸器只使用部分頻率配置期間所發(fā)生的散射(圖13)。
圖13、潛在上鏈帶內(nèi)散射測(cè)試屏蔽
多使用者和更高階次的MIMO
若在MIMO作業(yè)中使用多達(dá)8個(gè)天線測(cè)試802.11ax裝置，其結(jié)果可能會(huì)與個(gè)別及連續(xù)測(cè)試每個(gè)信號(hào)鏈大不相同。舉例來(lái)說(shuō)，來(lái)自各個(gè)天線的信號(hào)可能會(huì)對(duì)彼此造成負(fù)面干擾，并影響到功率和EVM性能，進(jìn)而對(duì)傳輸率帶來(lái)負(fù)面且顯著的影響。
測(cè)試儀器需要支持每個(gè)信號(hào)鏈的局部振蕩器亞毫微秒同步化，以確保多個(gè)通道的相位微調(diào)和MIMO性能不會(huì)發(fā)生問(wèn)題。
應(yīng)對(duì)802.11ax新挑戰(zhàn)
802.11ax可將密集環(huán)境的每位用戶(hù)平均數(shù)據(jù)傳輸率提升4倍，而MU-MIMO和MU-OFDMA等形式在內(nèi)的多使用者技術(shù)，則是促成此一效率的大幕后功臣之一。針對(duì)人口密集環(huán)境做出的此一頻譜使用改善，可望以前所未見(jiàn)的速度推廣802.11ax的采用。然而，此一功能的實(shí)作也會(huì)為負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)上述工程奇跡的科學(xué)家、工程師和技術(shù)人員帶來(lái)全新的挑戰(zhàn)。
彈性十足且模塊化的平臺(tái)，提供了備有簡(jiǎn)潔振蕩器與低EVM準(zhǔn)位的高性能硬件，可用來(lái)進(jìn)行子載波間距密度為以往4倍的1024-QAM測(cè)量。WLAN Measurement Suite走在802.11ax標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，可協(xié)助開(kāi)發(fā)人員設(shè)計(jì)、描述、驗(yàn)證和測(cè)試802.11ax裝置，做好萬(wàn)全準(zhǔn)備，以迎接多使用者革命的到來(lái)。
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