即將邁入802.11ac的世代所面臨的測試挑戰

資訊類消費者對頻寬有著無限的渴望。隨著有線或無線能力的增進，一些應用已增加可用頻寬的消耗。現階段，無線區域網路(Wireless LAN；WLAN)逐漸用來傳輸更高品質視訊內容。此外，平板電腦及其他無線裝置用來儲存大量相片、視訊、與其他大型檔案，這些是需要更快速地同步。而既有的WLAN網路並不是非常適合這類工作。802.11ac為這產業提出了解決方案，以提供實體媒介滿足這些創新、方便的應用需求。

802.11ac發展歷程

802.11ac標準是在2008年後期開始發展，建構在802.11-2007標準上，使WLAN網路等同有線網路的資料傳輸效能。草案預計在2012年底完成，且最終版將會在2013年底通過認可。

即使 802.11ac增修案會在2013年後期出版，但草案可行性即意謂通常會確定晶片需求，且晶片組廠商可開始發展及銷售自行開發的802.11ac裝置。首個802.11ac晶片推出預計在2012年初期。

802.11ac預期會對市場造成衝擊，且在2015年前預測全球出貨將超過10億個IC。針對此樂觀的預測乃基於多項理由：

首先，不僅技術承諾提供首次超過1 Gbps 的資料傳輸率，且包括先進的特色，可改善使用者體驗。就像LTE-Advanced，其使用多達8 x 8 MiMo的空間流(Spatial stream)，提供更寬的頻寬(多達 80 MHz通道)，甚至利用通道集成技術，使總頻寬達到160 MHz。

此外，802.11ac的關鍵成功建立在802.11n所發展的演進性技術。影響諸如MiMo技術的整體產品設計的關鍵性進展在過去5年已經由802.11n證明，且容易和802.11ac與時並進。802.11ac使用現有5.0 GHz(4.9 至 6.0 GHz)頻帶；因此，不需要如802.11 ad(60 GHz技術)所需的特別新式天線或產品封裝設計。

802.11ac概述

802.11ac特色在於具有Gbps資料傳輸率，此技術的傳輸流量能與現有的有線網路的傳輸流量相比較。只利用強制參數(80 MHz頻寬、1空間流、具長保護間隔、64 QAM5/6)的802.11ac裝置將具有約293 Mbps的資料傳輸率。實施所有選擇性參數(160 MHz頻寬、8空間流、具短保護間隔、256QAM5/6)的裝置可達超過6 Gbps的傳輸率。

主要特性

802.11ac影響下列在WLAN 系統中的關鍵實體層參數：
1. 頻率：只使用 5 GHz 頻帶。
2. 寬頻寬：80或160 MHz頻寬。
3. 調變與編碼系統(MCS)：10個配置(相較於802.11n的77個配置)。
4. 能與802.11n向後相容。
5. 支援多空間流。
6. 波束成型與多重使用者的MiMo。

頻率

802.11ac裝置只使用在5 GHz RF頻帶(4.9 至 6.0 GHz)。選擇限制此頻帶的使用主要是受到802.11ac較寬的寬頻需求驅使。當頻寬增加，頻道配置會是挑戰，尤其在擁擠及分段式 2.4 GHz頻帶。

寬的通道頻寬

802.11ac在802.11n上包括一些頻寬加強，有些是強制性、有些是選擇性。除了20 MHz與40 MHz頻寬(現階段由大多數802.11n裝置所支援)之外，802.11ac草案規格包括1個強制性且連續80 MHz的頻寬。此更寬頻寬的關鍵性效益在於有效地加倍提升PHY速率，超過802.11n的速率，忽略對晶片組業者的成本增加。隨著80 MHz連續頻寬模式，同時提高資料傳輸率/傳輸流量及增加系統效率，且資料傳輸可更快，如此，可促成未由目前802.11n規格所支援的新應用。

此外，802.11ac規格包括選擇性160 MHz頻寬，此頻寬可為連續或非連續(80+80 MHz)。在非連續的情況中，頻譜是由兩頻段組成：每個頻段使用任何兩個802.11ac 80 MHz頻道傳輸，頻率可能非相鄰。相較於40/80 MHz傳輸，160 MHz PHY傳輸具減少需求(例如MiMo順序、MCS等)複雜度的優點，允許裝置達成Gbps無線傳輸流量，且適合更多的應用服務。不過，在5 GHz頻帶的160 MHz頻寬無法全球使用，且支援此特性的設計將會產生更高成本；因此，決定讓此特性是選擇性存在於802.11ac裝置中。

調變與編碼系統(MCS)

802.11ac使用熟知的802.11n OFDM(正交分頻多工)調變、交錯、與編碼架構。特別是802.11ac與802.11n要求裝置能夠支援BPSK、QPSK、16QAM與64QAM調變。不過，相對於802.11n的規格有著兩個關鍵的差異點。

802.11ac包括經過核可的星狀映射加強，特別是選擇性256QAM(3/4和5/6編碼率)，可用於802.11ac 80 MHz和160 MHz傳輸。256QAM的好處在於提供比64QAM傳輸更大33%的傳輸流量。不過，在耗損信號的環境中，這會造成較低的位元錯誤容許誤差。相對於強制性模式，基於下列理由，256QAM調變可成為「選擇性」模式：
1. 允許設計彈性。
2. 針對不需要高調變的應用，可降低實現成本。
3. 就下列幾個面向而言，不符合256QAM嚴格要求的裝置，也容易採行 802.11ac：
(1) EVM(錯誤向量大小)。
(2) SNR(信雜比)。
(3) PAPR(峰值對平均功率比)。

對802.11n的第2差異在於明顯減少定義的MCS索引量。只有10個單獨使用者 MCS(0至9)定義在802.11ac，明顯少於在802.11n中指定的77個MCS索引。802.11n需要77個MCS索引支援「不同」調變，例如1位使用者可能在1空間流上接收BPSK調變信號，及在另一空間流上接收16QAM 調變信號。

802.11ac只支援「相同」調變。因為此特性證明在市場中不會成功(很少802.11n 裝置實際支援此功能)，所以TGac決定放棄支援「不同」調變。同時，在802.11ac中提供的額外通道頻寬與調變選擇，而可能性數量(因此，MCS索引數)將不實用。

向後相容性

802.11ac提供與802.11a和802.11n裝置在5 GHz頻帶操作的向後相容性。此表示：802.11ac能與支援802.11a和802.11n技術的裝置互動；802.11ac訊框結構可容納與802.11 a和802.11n裝置的傳輸。

802.11ac的向後相容性在替代性革命技術(諸如802.11 ad)上為802.11ac的有利因素，此技術也允許超過801.11n的資料傳輸率，但不能與現有的WLAN裝置一起操作。向後相容性將可緩和與市場的調適，並確保802.11ac裝置可用於既有WLAN網路。

多空間流

相較於在 802.11n的4條空間流，802.11ac包括支援多達8條空間流。如在 802.11n，在相同頻率上的多重資料流的空間多工利用由獨立空間路徑所提供的額外自由度，以有效倍增通道容量。當資料流經過通道時，資料流會組合，而在接收器的任務就是分開及解碼這些資料流。儘管此技術複雜，但是802.11n裝置的業者已學到使用在多天線之間的獨立路徑以增大效益，且現可有效轉移此知識到 802.11ac裝置的製造。於是，預期第1個802.11ac晶片已可利用多重空間流技術。

波束成型與多重使用者MiMo

根據802.11n的經驗，Wi-Fi裝置的業者學會如何使用傳送波束成型，即是，有能力在特定方向集中射頻(RF)能量，以改善到個別站台的傳輸。802.11ac建立在此知識上，且包括提升諸如單一聲測(single sounding)與反饋格式(相較於802.11n的多重聲測與反饋格式)。

802.11ac更重要在於TGac已建立在802.11n新機制的波束成型能力，允許存取點(Access Point；AP)利用相同通道、多個天線、與空間多工，同時在不同方向與多個用戶通訊。例如，1個具有8根天線的存取點可使用4x 4 MiMo對2個實體分開的站台通訊。相較下，MiMo裝置現階段只考慮點對點存取連接每一個別終端的多重天線；因此，存取點必須時間多工以服務多位用戶。

此組先進機制採用多使用者MiMo(MU-MiMo)的名稱，且為目前在TGac的計畫中最想要提升的功能之一，以提高最新802.11標準的效率(每百萬赫頻譜的百萬位元傳輸數，以Mbps/MHz為單位)。

使用類推方式，即MU-MiMo藉由乙太網路交換基礎，以減少競爭：延伸傳送波束成型技術，以使存取點將具有專屬頻寬的「交換」Wi-Fi提供給站台；此類似現階段典型有線乙太網路運作的方法。

雖然MU-MiMo承諾的效益有許多且吸引人，但正確使用技術需要晶片組設計者與業者發展對用戶的空間感與精製的佇列系統，且當條件符合時，即可利用機會傳輸給多位用戶。換句話說，增加系統能力會帶來更昂貴信號處理成本與增加複雜度。根據此理由，MU-MiMO(一傳輸裝置，多接收裝置)只包含在802.11ac草案規格中，作為選擇性模式。

應用

1. 存取點
存取點(AP)將使用802.11ac的強化型MiMo能力，以有效增加任何家用或商用WLAN網路能力。隨著強化的多重資料流技術與新的Mu-MiMo能力，802.11ac承諾大幅增加網路能力，且更有效支援存取點去連接日漸增加的家用無線裝置數量與種類的需求。

2. 家庭娛樂
802.11ac可用在電視、機上盒與網路遊戲控制台，允許HDTV及其他內容的住家分送，其中包括將HD視訊同時流給住家的多位用戶。這些裝置與應用不會受到典型行動裝置的空間與功率限制，且一些最好的裝置可成功運用802.11ac新強化的MiMo技術(達 4x 4 MiMo，甚至超過)。

3. 行動電話娛樂
在802.11ac的更高能源效率上，增加的資料率能夠很理想地提供用途於行動娛樂裝置，諸如音樂播放器、手持式遊戲裝置、無線相機與攝影機。由於在功率消耗與實際空間的限制，所以這些第1代裝置將可能只使用SiSo或2x 2 MiMo 802.11ac晶片組。

4. 可攜式電腦
可攜式電腦裝置可利用802.11ac快速同步及使用其他802.11ac裝置來複製大資料檔案、或串流HD視訊及其他內容。

5. 個人電腦週邊設備
802.11ac技術可用來取代個人電腦與顯示器間的有線視訊連結。需要802.11ac的MiMo實施來達成這些應用所需的頻寬。

6. 手機
行動電話(或者，智慧型手機)可使用802.11ac來與行動娛樂裝置和電腦裝置通訊，供快速同步大筆資料檔案，且大體上支援使用者對於快速資料傳輸的成長要求。這些裝置需要高的傳輸流量，但通常也要體積小和考量到功率消耗；因此，802.11ac有可能只以單資料流來實現。

典型的802.11ac組態

表3提供在存取點與另一802.11ac網路用戶裝置(STA)之間的802.11ac組態的一些範例。PHY連接速率與聚合能力假設為256-QAM，速率5/6，短GI(400 ns)。

測試 802.11ac

802.11ac將超越現今在生產線上每台WLAN測試儀器的能力。至少，在選擇量測802.11ac新裝置的任何測試設備需要：比以往更寬的VSA/VSG IF頻寬，至少80 MHz即時頻寬；完全支援802.11ac MiMo強化；改善802.11ac發射器調變測試的調變精準度。

由於頻寬增加，802.11ac顯示出測試上的重要新挑戰。802.11ac不再使用大部分(如果不是全部)結合向量信號分析器與向量信號產生器於一機(VSA/VSG)的可用測試儀器，因為它們並沒有測試新技術80 MHz或160 MHz通道所需的120 MHz或240 MHz IF頻寬。在現階段選擇802.11測試的設備上，裝置製造者應該確保能夠進行802.11ac測試。

不僅處理802.11ac頻寬的挑戰，也驅動MiMo的測試需求。正確的MiMo測試需要獨立抓取及產生802.11ac裝置的信號，此會使用高達8個空間流及一些其他強化，以改善現有802.11n MiMo系統的效能。

為了準確驗證MiMo效能，尤其是在研發環境，802.11ac能力測試設備應支援達8個獨立VSA與VSG資源、以及包括支援新的802.11ac MiMo強化。

隨著802.11ac發射器調變準確性(相關星狀RMS誤差)要求的提升，同時測試儀器也需要提升其測試能力的要求。發射器調變準確性是利用誤差向量振幅(EVM)來測量，且需要VSA與測試儀器將忽略的(理想上為零)失真加到捕捉的信號。VSA所加的失真也會以EVM方式進行測量，典型上，晶片組業者想要測試儀器的性能比晶片規格至少好10 dB以上。對於具有802.11ac能力的測試儀器而言，要轉譯成下列VSA的最大EVM需求：
1. 最大裝置EVM(在256QAM為-32 dB)- 10 dB = -42 dB
2. 當從事測試儀器的決策時，必須確保此嚴格的性能要求可被滿足。

結論

802.11ac對使用WLAN技術的裝置，達成一個演進性的改變，卻對測試設備造成一個革命性變化。因為演進性變化，所以802.11ac將在接下來的12至18個月中，被快速採用於多數無線產品裡面，不過，在測試儀器硬體上的改變則是必需的，才能正確測試 802.11ac。802.11ac的寬頻寬將進一步推動射頻半導體設計的限制，尤其是功率放大器設計與線性方法需要去支援256 QAM調變。

(本文由LitePoint公司提供，記者張琳一整理)