採用模組化與軟體定義架構
PXI儀器滿足新世代無線測試

2011年底擬定的IEEE 802.11ac新標準，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的無線區域網路(Wi-Fi)產品相較，IEEE 802.11ac又具備更多多重輸入多重輸出(MIMO)通道、更大的頻寬、更高階次的調變類型。稍後將說明數項IEEE 802.11ac的重要規格，如8×8 MIMO天線技術、160MHz通道頻寬、二百五十六種狀態的正交幅調變(256QAM)。

同樣的，LTE-Advanced屬於3GPP長程演進計畫(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8×8 MIMO與載波聚合技術，並可使用高達100MHz通道頻寬。

本文將說明上述兩種通訊標準的實體層特性參數，並進一步實現高傳輸率。另外還將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。最後將討論此兩項標準的實體層演變，將為RF工程師帶來何種新的測試難題。

MIMO空間串流提高傳輸速率

為提高資料傳輸率，而首次將無線通訊標準導入MIMO天線技術已是5年多前的事。在MIMO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，如公式1所示。

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，就會背離Shannon-Hartley定理。在2×2 MIMO系統中，若單一實體通道使用兩組獨立的空間串流，將可有效加倍傳輸率；即達到傳統單輸入單輸出(SISO)系統的兩倍傳輸率。依此類推，4×4 MIMO通道將可達四倍資料傳輸率；8×8 MIMO通道就是八倍資料傳輸率。

目前如IEEE 802.11ac與LTE-Advanced的新一代無線通訊標準，正不斷使用更多空間串流而達到更高的資料傳輸率。舉例來說，Wi-Fi標準IEEE 802.11n即使用複雜的4×4 MIMO設定；新的802.11ac將採用8×8 MIMO，而從LTE到LTE-Advanced的蜂巢式通訊技術，亦產生類似的變化。目前的LTE規格可達4×4 MIMO下鏈(Downlink)通道；LTE-Advanced則可達8×8 MIMO的下鏈通道。除IEEE 802.11ac與LTE-Advanced外，已可預見此趨勢將持續發展，目前早已開始16×16 MIMO系統的研究，若研究順利，將可迎接16×16 MIMO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，僅須在相同主機中添加PXI降轉換器與示波器，四通道的RF訊號分析器即可輕鬆升級至八通道。

避免多重路徑衰減問題　OFDM/載波聚合技術抬頭

如Shannon-Hartley定理，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，當全球行動通訊系統(GSM)/GSM增強數據率演進(EDGE)發展到通用行動通訊系統(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，因此如多重路徑衰減(Multipath Fading)的常見難題，會在寬頻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，整合正交分頻多工(OFDM)與載波聚合技術，可提高有效符碼率，同時亦避免寬頻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，並減少多重路徑的問題。針對新一代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，就必須搭配兩項機制--更多的子載波與載波聚合。

IEEE 802.11g是針對單一20MHz的OFDM通道所設計；IEEE 802.11n可支援兩個20MHz通道的裝置，而達到40MHz總頻寬，進而增加載波聚合技術。而IEEE 802.11ac更能支援20M、40M、80M、160MHz的通道頻寬，在IEEE 802.11ac的40M與80MHz模式中，是以更多子載波達到更高的頻寬。換句話說，20M、40M、80M、160MHz的模式，將分別使用64、128、256、512個子載波。至於IEEE 802.11ac的80+80MHz模式，方法則略有不同。在80M+80MHz模式中，載波聚合將透過一個存取點，同時使用兩個獨立的80MHz OFDM通道(各通道分別為256個子載波)。表1即針對多種常見的IEEE 802.11標準，比較不同的調變類型、MIMO方案、通道頻寬。

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1.4M20MHz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將可使用最多五組連續的20MHz載波，而達最高100MHz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100MHz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160MHz模式，但現有RF訊號分析器一般僅達100MHz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，因此突顯PXI的模組化優勢。

更高階次調變類型

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QAM，則實際通道的傳輸率將與QAM的「階次」直接相關。舉例來說，一個4QAM通道的資料可用四組不同符碼呈現，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，一個16QAM通道的資料可用4位元符碼呈現；一個64QAM通道的資料可用6位元符碼呈現。

IEEE 802.11ac規格為首次支援256QAM的無線標準之一。與使用64QAM的系統相較，256QAM格式的各組符碼均可用8位元資料呈現，即[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，則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環境中使用如相位偏移調變(QPSK)等方案。

若要解調16QAM的訊號而不產生位元錯誤，則44dB的SNR即已足夠。相對之下，若要使用16QAM調變類型，但SNR僅達30dB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，IEEE 802.11ac當然應使用256QAM調變類型。

從儀控角度來說，幾乎僅須更改軟體，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就是新的波形，可讓工程師隨著通訊標準的演變，提升所需的測試設備，因此，不論是IEEE 802.11ac或未來的通訊標準，若要支援256QAM調變類型，只要更新軟體即可完成。

在討論新一代的無線通訊標準時，可看到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，都是為提升資料傳輸率。針對IEEE 802.11ac而言，最終將朝8×8 MIMO、高達160MHz頻寬、256QAM演變，而LTE-Advanced亦趨向使用8×8 MIMO設定，且載波聚合技術亦將支援高達100MHz通道頻寬。

另外，現有2G與3G蜂巢式標準亦不斷演進，並將納入上述功能，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，增強版高速封包存取(HSPA+)技術，即為下鏈增加64QAM，而HSPA+的下一代版本將增加2與4載波聚合技術，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，但魚與熊掌不可兼得，IEEE 802.11ac與LTE-Advanced通訊標準，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，而PXI模組化與軟體定義架構將可輕易解決新的測試挑戰。

(本文作者任職於美商國家儀器)