國際電機電子工程學會(IEEE)802.11a和b是最早被應用在無線區域網路(WLAN)的標準，接著被廣為採用的是802.11g標準。初期，這些標準是為了在家庭與辦公室內替筆記型電腦提供網路連結而設計的。到了後來，使用者在戶外、機場、旅館、網路咖啡店、購物中心等地也都能享有無線連結。
用戶端裝置可透過這些無線技術連上有線寬頻網路，方便使用者隨時隨地瀏覽網頁、收發電子郵件。由於過去有線寬頻連結的速度相當受限，因此低速的無線連結就已經夠用。
WLAN標準更迭加快
在前述三個標準中，802.11b在2.4GHz頻率上運作並提供最高11Mbit/s的傳輸速率，而802.11a和802.11g的操作頻率分別為5GHz和2.4GHz，兩者的資料傳輸速率均提高到54Mbit/s，這些頻率全都是免執照頻段。
然而，現在有許多新的無線應用模式均需要更高的傳輸速率，例如在家庭或小型辦公室中透過無線聯網裝置共享並列印資料。為了因應市場對於高傳輸速率的需求，IEEE工作小組於是著手發展新的802.11n標準，並於2009年正式批准。此標準一舉將單通道資料傳輸速率提高到100Mbit/s以上，並且推出多重輸入多重輸出(MIMO)或空間串流規格，讓最多四個單獨的實體發射和接收天線，能夠獨立傳輸在調變和解調變過程中匯集的資料。
表1列出WLAN的各種新使用模式，它們全都需要更高的資料傳輸速率以支援新興的「無線辦公室」。
IEEE為了支援這些新應用，成立了新的工作小組(TGAC)，以便發展802.11n的延伸標準，亦即可提供超高傳輸速率(VHT)的802.11ac，它可在5GHz頻段下，支援單一鏈路最低500Mbit/s的傳輸速率，整體傳輸速率則高達1Gbit/s。
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資料來源：Computer Desktop百科全書
圖1 OSI七層網路模型 |
由於現有的用戶端裝置數量相當龐大，包括筆記型電腦、小筆電、平板電腦和智慧型手機等，因此新標準必須與在相同頻率範圍中運作的現有標準完全相容，如此可確保所有802.11系列標準能夠彼此相容，同時802.11ac標準亦相容於媒體存取控制(MAC)或資料鏈路層。各個標準間唯一的差異就是實體層特性各不相同(圖1)。802.11ac標準預計將於2013年底制定完成，不過在此之前，符合標準草案版本的裝置可能就已經上市。
802.11ac/802.11n技術差異比較
802.11ac實體層是現有802.11n標準的延伸，並維持與802.11n的向後相容性。表2列出802.11n的實體層功能，而表3顯示802.11ac所提供的延伸功能。
802.11n使用40MHz頻寬和四個空間串流，其資料傳輸速率的理論最大值是600Mbit/s，然目前多數消費性電子裝置都僅提供兩個串流。而使用160MHz頻寬、八個空間串流、採256QAM調變格式的MCS9，以及短保護間隔(Guard Interval)的802.11ac，其資料速率理論最大值可達6.93Gbit/s。
不過，消費性電子裝置實際可獲致的最大資料傳輸速率約可能是1.56Gbit/s，而且每個80MHz通道均需配置四個空間串流、MCS9及正常的保護間隔，才能達到這樣的速率。
圖2顯示更寬的新制訂的通道頻寬。802.11ac標準將160MHz頻寬和80＋80MHz模式都列為選用功能，不過初期上市的無線裝置很可能可提供最高80MHz的頻寬，以及比照802.11n規範的最多四個空間串流。
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| 圖2 IEEE 802.11ac頻段分配 |
在20MHz和40MHz通道中，802.11ac的資料子載波和領航(Pilots)子載波的數量及位置，都和802.11n標準一樣。不過，802.11ac針對80MHz通道訂定新的數量，並藉由訂定兩個80MHz通道的相同方式，來定義一個160或80＋80MHz通道。
接收器可透過訊框結構中的前導碼(Preamble)和訓練(Training)欄位，自動偵測現正使用的實體層標準。802.11n和802.11ac的前導碼訊框如圖3所示，前面四個欄位設計成可讓非HT和非VHT裝置接收，以維持向後相容性。此訊框中最前面的舊式短訓練、長訓練欄位(L-STF和L-LTF)及舊式訊號欄位(L-SIG)，與802.11a/b/g標準的相同欄位很相似，而第四欄位(符號6和7)的差異，可判別出這是802.11n或是802.11ac訊框。
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| 圖3 802.11n和802.11ac訊框格式的比較 |
若進一步分析VHT前導碼，會發現當通道頻寬大於20MHz時，便須透過適當的相位旋轉(Phase Rotation)，將舊式欄位複製到每一個20MHz子頻段。某些子頻段的子載波被旋轉90度或180度，以降低峰值對均值功率比(PAPR)。
此外，為傳輸VHT訊號並啟用自動偵測功能，VHT-SIG-A的第一個符號是BPSK，第二個符號則是被旋轉90度的BPSK(QBPSK)。相較之下，802.11n標準的HT-SIG欄位的兩個符號都是QBPSK調變。VHT-SIG-A欄位包含解譯VHT封包所需的資訊，如頻寬、串流數量、保護間隔、編碼方式、MCS和波束成形。
前導碼中的其餘欄位僅適用於VHT裝置。在進行MIMO傳輸時，可透過VHT-STF來改善自動增益控制估計能力。緊接著的長訓練序列(VHT-LTF)，可協助接收器估計發射和接收天線之間的MIMO通道數。VHT-LTF的數量取決於時空串流(Space-time Stream)總數，可能是一、二、四、六或八個不等。而一、二或四個VHT-LTF的映射矩陣與802.11n相同，並另外新增了六個或八個VHT-LTF映射矩陣。VHT-SIG-B欄位描述資料長度，以及單用戶或多用戶模式的調變與編碼機制(MCS)。
MIMO衍生多種應用
傳統的WLAN標準只能在無線接取點(AP)和客戶端裝置之間提供一個資料串流，MIMO技術打破了這個限制。最早由802.11n推出的MIMO傳輸技術，包括多項新規範，讓AP和終端裝置能夠使用兩條或多條完全獨立的傳送/接收鏈路來進行通訊，並充分利用它們之間的交叉耦合機制。其主要目標是讓每位用戶能獲得更高的無線資料傳輸速率。
MIMO規格的「輸入」和「輸出」，是指發射器和接收器之間的媒介，包括兩者的射頻(RF)元件，又稱為「通道」。因此，配置兩個發射器的AP可為通道提供兩個輸入，此為MI的部分，而具有兩個接收鏈的裝置將收到來自通道的兩個輸出，亦即MO的部分。若為真正的MIMO，每個鏈路所傳輸的資料必須是獨立的，而不僅僅是相同資料的副本。
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| 圖4 MIMO配置 |
圖4所示的真正MIMO，配置了兩個發射和兩個接收器，可各自傳送與接收獨立的資料，這種傳輸方式又稱為空間多工(Spatial Multiplexing)。每個接收器都可看到發射器的輸出組合。藉由使用通道估計技術，接收器可用矩陣數學方法(Matrix Mathematics)將兩個資料串流分流並解調變資料。在理想狀況下，去除各個串流間的最大關聯性可將資料容量加倍，不過卻也因而須付出更大的代價，以改善訊噪比(SNR)。
典型的802.11n消費電子裝置支援兩個或三個空間串流，而非標準規範的最高四個空間串流。 802.11ac進一步將其擴充為最多八個空間串流，初期先支援最多四個空間串流。
此外，802.11ac還提出創新的多用戶MIMO(MU-MIMO)概念，相較於一般的(即單用戶)MIMO，可提高單一裝置的資料傳輸速率。MU-MIMO的設計宗旨是藉由再利用頻寬資源來提高傳輸效率，但其實每個單一裝置的資料傳輸速率並未改變。
測試要求益發嚴苛
由於WLAN裝置的出貨量相當大，廠商須嚴格控制製造成本，並使用創新的設計技術來大幅提高可重複性並降低測試成本。為此，製造商在產品設計和試產階段，就須進行極完整的測試。
802.11ac標準的發射器和接收器測試與802.11n標準的測試很類似，不過增加了新定義和規格限制，以便提供新功能，如表4所示。可至www.ieee802.org下載最新版的802.11ac規格。除了表4所列的測試外，新設計還須通過相容性測試與額外的功能測試，以便驗證產品效能並證明其互通性。
EVM/數位預失真效果左右測試良窳
802.11ac標準的某些新特性，為產品設計和測試帶來新挑戰。其中一項挑戰是無線裝置須具備良好的誤差向量幅度(EVM)或出色的發射器和接收器群集誤差，以便使用256QAM調變格式。利用向量訊號分析功能，可洞察EVM不佳的原因，而安捷倫(Agilent)89600 VSA軟體等強大量測工具則可針對802.11ac訊號進行深入分析(圖5)。
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| 圖5 安捷倫89600B VSA軟體具有選項BHJ 802.11ac模組分析功能，可支援所有頻寬與調變格式，以及多達4×4 MIMO的配置。 |
改善功率放大器線性度的數位預失真技術是另一項艱鉅的挑戰，因為測試過程中通常須產生並量測大頻寬訊號，約為正進行線性化之放大器的三到五倍。安捷倫SystemVue軟體可自動執行數位預失真流程，亦即自動產生一個激發波形、將其下載到射頻訊號產生器，並套用於功率放大器。如此一來，訊號分析儀便可輕易擷取放大器的響應，並與想用來建立預失真矩陣的訊號相比較。經過預失真處理的訊號會被傳送到功率放大器並且檢查響應。圖6為數位預失真系統的範例配置。
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| 圖6 數位預失真系統 |
隨著無線區域網路需要更快的速度和更大的頻寬，而日益複雜的新標準又相繼推出，使得量測設備廠商面臨各種巨大的挑戰。具備完整的設計和測試功能的量測儀器，是推動VHT WLAN產品儘快在大眾市場中普及部署的成功關鍵。除系統模擬工具外，製造商須使用可產生並分析頻寬達80MHz和160MHz之802.11ac訊號的設備，以便全面測試元件、發射器和接收器。此外，儀器廠商須密切關注將於未來量產的設計，以協助客戶降低測試成本，並確保無線存取裝置和終端裝置能提供消費者預期的性價比。
(本文作者任職於安捷倫)