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无线网络IEEE 802.11ac是怎样的技术?

2015-04-18   来源:互联网   点击:
2008年底,IEEE 802标准组织成立了一个新的小组,旨在创建一个新标准来改善802 11-2007标准。这一新标准就是今天我们所了解的802 11ac(5G Wi-Fi)无线标准,包括提高现有无线局域网(WLAN)数据吞吐量的标准结

2008年底,IEEE 802标准组织成立了一个新的小组,旨在创建一个新标准来改善802.11-2007标准。这一新标准就是今天我们所了解的802.11ac (5G Wi-Fi)无线标准,包括提高现有无线局域网(WLAN)数据吞吐量的标准结构,使无线网络可以提供有线网络的性能。

从一开始,802.11ac无线标准制定小组在技术定义方面进行了取得了重大进展:在2011年一月,技术规格框架写进草案,接下来进行后续修订,现在可用版本是D1.1.预期2012年底,草案会全部完成,最终获批通过应在2013年底(参见图1)。 

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图1: 802.11ac历史和未来修订的日期

虽然最终审批还没有定下,但据Wi-Fi联盟市场营销总监Kelly Davis-Felner透露,目前已有博通等为数不多的公司推出802.11ac芯片。因为即使到2013年底802.11ac标准仍未正式公布,现有草案内容可用来确定所需硅芯片的规格,芯片厂商们可以开发和销售他们的802.11ac产品。相关调查机构称:2015年全球对802.11ac ic的需求预计超过10亿颗。

这么高的预期由多重优势构成。首先,不仅因为802.11ac是第一个承诺将无线数据传输率提升到超过1Gbps的标准,而且还包含很多先进特性来改善用户体验。就像LTE Advanced那样,802.11ac使用更多的多流空间传输技术,采用8x8(MIMO)多输入输出,提供更宽的数据传输信道带宽(达到80MHz),甚至还可以使用信道聚合技术,将数据信道总带宽提升至160MHz。此外,802.11ac获得成功的关键在于他是一个渐进的技术:实现其目标,超越了几个重要的典范,并建立在现有的802.11n基础之上。这是巨大的优势,因为对那些将要使用802.11ac的厂商和消费者来说,802.11ac能够相对容易地从现有无线网络和应用(使用802.11n或者更早期无线协议过渡。 

802.11ac实现超高吞吐量(VHT)这一目标是建立在现存802.11n技术基础上的。这样一来,802.11ac将延续无线标准向更高的数据传输率发展这一趋势(图2),满足无线网络容量日益增长的应用需求,802.11ac可与现有有线网络媲美。 

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图2: 802.11ac延续WiFi技术向高数据传输率方向发展的趋势

关键特性

802.11ac具备的几个性和独特机制,提高数据吞吐量,改善用户体验等等。这项新技术的主要特点是:

5 GHz 频带

与工作在2.4GHz和5GHz频段不同,802.11ac仅在5GHz频段工作。802.11ac更宽的信道带宽需求是其限制在5GHz频段的主要驱动因素。由于带宽的增加,信道规划成为新挑战,尤其是在拥堵且零散的2.4GHz频段,这是802.11ac选择5GHz频段的另一个因素。即便在相对广阔的5GHz频段,制造商仍需为设备提供自动跳频功能,以便合理利用现有资源并节省频谱。

宽信道带宽

802.11ac包含强制或可选带宽来增强信道带宽,规格超过802.11n。

除了今天大多数802.11n设备所支持的20MHz和40MHz信道带宽,802.11ac草案规格包含了强制性的,连续80MHz信道带宽。这一更宽信道带宽的优势在于,相比802.11n最大40MHz的信道带宽,80MHz信道带宽让物理层(PHY)传输速率提高一倍,而增加的成本对芯片制造商来说可以忽略不计。连续80MHz带宽模式下,不仅数据传输率/吞吐量更高,而且系统效率也随之增加,这样很多802.11n规格不支持的新应用随之成为可能。

此外,802.11ac规范包括一个可选的160MHz信道带宽功能,它可以是连续的也可以是不连续的(80+80MHz)。在不连续的情况下,频谱由两部分组成;每个部分使用任意两个802.11ac 80MHz信道,频率彼此不相邻。与40/80MHz传输相比,降低复杂度的需求(比如MIMO顺序,MCS等)是160MHz的物理层(PHY)传输的优势,并让设备达到Gbps级别的无线传输吞吐量,同时开启更多新应用的大门。然而,5GHz频带,160MHz信道带宽并非全球可用,要支持此功能的成本可能会较高。因此,这一功能在802.11ac设备中属于可选项。

新的调制和编码方案(MCS) 

802.11ac使用802.11n的OFDM(正交频分复用)调制,交错和编码架构。具体来说,802.11ac和802.11n都需要设备支持BPSK,QPSK,16QAM(正交振幅调制)和64QAM。但是,802.11ac有两处关键不同。

首先,802.11ac包括星座映射增强。具体来说,可选256QAM(3/4和5/6编码率)为802.11ac提供80MHz和160MHz的数据传输信道。256QAM的好处是相比64QAM多33%的吞吐量。随之而来的是,有损信号环境下,位错误容错能力下降的花费。256QAM调制是增加的可选模式,而非强制模式。

向下兼容

802.11ac提供与802.11a和802.11n的设备在5 GHz频带运作的向后兼容性。这意味着:

• 802.11ac支持802.11a和802.11n的技术,设备互通
• 802.11ac框架结构,可容纳802.11a和802.11n设备传输

相较802.11 ad允许超过801.11n的数据传输率,但不能与现有的WLAN装置一起操作,802.11ac的向下兼容性让其成为一项革命性的技术。向下兼容性将可缓和与市场的调适过程,确保802.11ac装置可用于现有WLAN网络。

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共存

802.11ac工作组的一项重要工作就是,设计一个与现有5GHz频段的802.11a和802.11n共存的机制。这些直至的例子有空闲信道评估(CCA),信道接入公平性,以及信道扫描和选择机制。共存机制也正在定义,以确保802.11ac与不同信道带宽(20/40/80,直到160MHz)的互操作性。

多空间流

相比802.11n的4条空间流,802.11ac包括支持多达8条空间流。如在802.11n,在相同频率上的多重数据流的空间多任务利用由独立空间路径所提供的额外自由度,以有效倍增信道容量。当数据流经过信道时,数据流会组合,而接收器的任务就是分开及译码这些数据流。尽管此技术复杂,但是802.11n制造商已学到使用在多天线之间的独立路径以增大效益,且现可有效转移此知识到802.11ac装置的制造。预期第1个802.11ac芯片将采用多重空间流技术。

波束成形和多用户多输入输出(MIMO) 

根据802.11n的经验,Wi-Fi装置的制造商学会如何使用传送波束成形,即有能力在特定方向集中射频(RF)能量,以改善到个别站台的传输。802.11ac建立这项知识上,并包括提升诸如单一声测(single sounding)与反馈格式(相较于802.11n的多重声测与反馈格式)。

更重要的在于,802.11ac工作组已建立在802.11n新机制的波束成型能力,允许存取点(Access Point;AP)利用相同信道、多个天线、与空间多任务,同时在不同方向与多个用户通讯。例如,1个具有8根天线的存取点可使用4x 4 MIMO对2个实体分开的站台通讯。相较下,MIMO装置现阶段只考虑点对点存取连接每个单独终端的多重天线;因此,存取点必须时间多任务以服务多位用户。

这一组先进机制采用多使用者MIMO(MU-MIMO)的名称,是为目前在802.11ac工作组的计划中最想要提升的功能之一,以提高最新802.11标准的效率(每兆赫频谱的兆位传输数,以Mbps/MHz为单位)。

采用类推方式,即MU-MIMO通过以太网络交换基础,以减少竞争:延伸传送波束成形技术,以使存取点将具有专属带宽的"交换"Wi-Fi提供给站台;这一方式类似现阶段典型有线以太网络运作的方法。

虽然MU-MIMO承诺的效益有许多且吸引人,但正确使用技术需要芯片组设计者与业者开发对用户的空间感知与完善的队列系统,当条件符合时,即可利用机会传输给多位用户。换句话说,增加系统能力会带来更昂贵信号处理成本与增加复杂度。因此,MU-MIMO(一传输装置,多接收装置)只包含在802.11ac草案规格中,作为可选模式。

能源效率

很少有人知道的关于能源效率的问题,802.11标准中描述比特/毫焦耳的内容,在首次技术修订时就被加入并获得通过。具体来说,802.11ac承诺能源效率是802.11n的两倍,参见图3。这种改善是来自每次修正案提升的几项增加数据传输率的参数,而其他影响功耗的参数不变(RF频率、功耗以及带宽)。

虽然趋势鲜为人知,提高能源利用效率肯定有诸多好处,因为越来越多的便携设备集成了WIFI,这些应用必须使用小容量电池和有限的功耗来支持无线通信链路。

市场预测

支持802.11n的无线设备的数量,在过去几年里一直稳步增长,未来这种增长预计将持续。不只有传统使用以前修订网卡(802.11a/b/g)设备采用新技术,而且无线还正在进入越来越多的设备,以前没有这种能力。

到2015年搭载802.11芯片这些设备出货量将达到2.2亿,同时支撑现有的无线设备市场的增长及越来越多新设备的无线普及率。

802.11ac的实施,必将在这一增长中发挥重要作用,在当前的设备都更换802.11n和开放新的应用大门-在过去几年802.11n同样做了这些。第一个802.11ac芯片预计在2012年第一季度出货,在同年第三季度最终用户的产品能在市场上出现。然而,802.11ac真正的影响,可能会被认为在2014年及以后。在2015年,802.11ac设备齐全的移动设备出货量预计将接近1亿美元(图4),在这一年占了整个无线局域网近一半市场。

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图4:802.11ac产品全球出货量预估

802.11ac限制在5GHz射频频段这一选择源于对信道带宽的需求,而对信道带宽的需求,在拥塞的2.4GHz频段是非常大的挑战。即便在5GHz频段,80Mhz和160MHz信道带宽的可用性也是十分有限的,特别是在一些国家和地区。

受地理位置影响,目前802.11ac频谱的可用度分布。802.11ac频谱在美国可用度最高,拥有5个80MHz信道和两个160MHz信道。欧洲和日本紧随其后,仅缺乏频率最高的80MHz信道。印度,可用频谱资源几乎减少一半,而在中国,只有一个80MHz信道可用。

测试802.11ac

毫不奇怪,对制造商和设计人员来说,最重要的变化在于802.11ac在几个重要的方向上比802.11n更具挑战性。他们不仅需要工作8个空间流,更宽的带宽,更多的设计影响,但也面临着重大的测试挑战。具体来说,他们要求测试系统具有足够的灵活性并紧随与802.11标准的最新发展。作为最低要求,他们选择的任何测试设备都要符合以下几点需要:

• 宽VSA/VSG的IF带宽
• 完全的802.11ac MIMO增强
• 改进调制精度的802.11ac发射机调制测试

802.11ac将超越现今在生产在线每台WLAN测试仪器的能力。至少,在选择量测802.11ac新装置的任何测试设备需要:比以往更宽的VSA/VSG IF带宽,至少80 MHz实时带宽;完全支持802.11ac MIMO强化;改善802.11ac发射器调变测试的调变精准度。由于带宽增加,802.11ac显示出测试上的重要新挑战。802.11ac不再使用大部分(如果不是全部)结合向量信号分析器与向量信号产生器于一机(VSA/VSG)的可用测试仪器,因为它们并没有测试新技术80 MHz或160 MHz通道所需的120 MHz或240 MHz IF带宽。在现阶段选择802.11测试的设备上,装置制造者应该确保能够进行802.11ac测试。

不仅处理802.11ac带宽的挑战,也驱动MIMO的测试需求。正确的MIMO测试需要独立抓取及产生802.11ac装置的信号,此会使用高达8个空间流及一些其他强化,以改善现有802.11n MIMO系统的效能。为了准确验证MIMO效能,尤其是在研发环境,802.11ac能力测试设备应支持达8个独立VSA与VSG资源、以及包括支持新的802.11ac MIMO强化。

随着802.11ac发射器调变准确性(相关星状RMS误差)要求的提升,同时测试仪器也需要提升其测试能力的要求。发射器调变准确性是利用误差向量振幅(EVM)来测量,且需要VSA与测试仪器将忽略的(理想上为零)失真加到捕捉的信号。VSA所加的失真也会以EVM方式进行测量,典型上,芯片组业者想要测试仪器的性能比芯片规格至少好10 dB以上。

结束语

802.11ac代表了无线通信系统的重要演进。像802.11n那样,802.11ac设备,使用OFDM调制法则,但使用更宽的信道带宽,更高的调制,更多流,增强MIMO技术,以提高数据吞吐量,这些技术让数据传输速度更快,一些新的应用成为可能。802.11ac设备的设计者和制造商需要充分理解这项新技术,不仅确保创造出自己的产品,而且要确保他们的测试设备,能够准确地测试这些性能不断提高的产品。令人欣喜的是无线测试解决方案供应商莱特波特(LitePoint) 面向支持802.11ac 标准的高吞吐量无线设备已推出业界首个生产测试解决方案IQxel(TM),它是一种易于部署的单机箱测试解决方案,可快速地测试802.11 a/b/g/n/p/ac 以及蓝牙1.0、2.1、3.0和4.0设备。LitePoint在2012年无线通信测试技术中国区秋季研讨会深圳站上展示了他们的一体化单机台测试解决方案,旨在帮助电子设备设计、测试工程师现场了解及体验LitePoint最新创新之作,完整涵盖了测试智能手机(包括LTE)、平板电脑以及其它多天线通讯设备和无线连接装置等最新无线测试科技。包括802.11ac测试解决方案。 

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