概觀
眾所周知，無線通訊標準需不斷發展演進，才能因應持續攀升的傳輸率。若要提升資料傳輸率，主要必須強化通訊協定的實體層 (Physical layer)。由於強化過程往往需耗時數年，也迫使我們必須一併考量通訊系統與 RF 測試需求的變化。目前最受人矚目的 2 種無線標準，就是 WLAN 產品中的 IEEE 802.11ac，與蜂巢式通訊技術 (Cellular communications) 3GPP 的 LTE-Advanced。
在 2011 年底所擬定的 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 Wi-Fi 產品相較，IEEE 802.11ac 又具備更多 MIMO 通道、更大的頻寬、更高階次的調變類型。接著將說明數項 IEEE 802.11ac 的重要規格，如 8x8 MIMO 天線技術、160 MHz 通道頻寬、256 種狀態的正交幅調變 (256-QAM)。
同樣的，LTE-Advanced 屬於 3GPP 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 8x8 MIMO 與載波聚合技術，並可使用高達 100 MHz 通道頻寬。
接著將說明此 2 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 2 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。
持續提高的空間串流
為提高資料傳輸率，而首次將無線通訊標準導入 MIMO 天線技術已經是 5 年多前的事了。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。
方程式 1. 通道傳輸率的典型 Shannon-Hartley 定理模型
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，就會悖離 Shannon-Hartley 定理。在 2x2 MIMO 系統中，若單一實體通道使用 2 組獨立的空間串流，將可有效加倍傳輸率；即達到傳統單入單出 (SISO) 系統的 2 倍傳輸率。依此類推，4x4 MIMO 通道將可達 4 倍資料傳輸率；8x8 MIMO 通道就是 8 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，舊的 Wi-Fi 標準 IEEE 802.11n，即使用複雜的 4x4 MIMO 設定；新的 802.11ac 將採用 8x8 MIMO 設定。而從 LTE 到 LTE-Advanced 的蜂巢式通訊技術，亦產生了類似的變化。目前的 LTE 規格可達 4X4 MIMO 下鏈 (Downlink) 通道；LTE-Advanced 則可達 8x8 MIMO 的下鏈通道。除了 IEEE 802.11ac 與 LTE-Advanced 之外，我們已可預見此趨勢將持續發展。目前早已開始 16x16 MIMO 系統的研究，而取決於研究結果，我們當然有機會迎接 16x16 系統的到來。
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，僅需在相同主機中添加 PXI 降轉換器與示波器，4 通道的 RF 訊號分析器即可輕鬆升級至 8 通道。
更高的通道頻寬
如 Shannon-Hartley 定理所說，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 GSM/EDGE 發展到 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。但一般認知亦強調：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，因此如多路徑衰減 (Multipath fading) 的常見難題，卻會在寬帶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，就整合了正交頻分多工 (OFDM) 與載波聚合技術，而提高了有效符碼率；同時亦避免寬帶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，並減少多路徑的問題。針對新一代的 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 2 項機制：更多的子載波與載波聚合。
IEEE 802.11g 是針對單一 20 MHz 的 OFDM 通道所設計；IEEE 802.11n 可支援 2 個 20 MHz 通道的裝置，而達到 40 MHz 總頻寬，進而增加了載波聚合技術。而 IEEE 802.11ac 更能支援 20、40、80、160 MHz 的通道頻寬。在 IEEE 802.11ac 的 40 與 80 MHz 模式中，是以更多子載波達到更高的頻寬。換句話說，20、40、80、160 MHz 的模式，將分別使用 64、128、256、512 個子載波。再說到 IEEE 802.11ac 的 80+80 MHz 模式，則方法略有不同。在 80+80 MHz 模式中，載波聚合將透過 1 個存取點，同時使用 2 個獨立的 80 MHz OFDM 通道 (各通道分別為 256 個子載波)。圖 1 即針對多種常見的 IEEE 802.11 標準，比較了不同的調變類型、MIMO 方案、通道頻寬。
802.11a/g 802.11n 802.11ac 天線設定 1x1 SISO 最多 4x4 MIMO 最多 8x8 MIMO 最高階次的調變 BPSK to 64-QAM BPSK to 64-QAM BPSK to 256-QAM 通道頻寬 20 MHz 20 MHz & 20+20 MHz 20、40、80、80+80、160 MHz 發表年代
1999 (802.11a)
2003 (802.11g)
2009 (細部規格規範中) 2012 (最後規格)
圖 1. 不同 WLAN 標準的實體層特性參數
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 1.4 ~ 20 MHz 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 5 組連續的 20 MHz 載波，而達最高 100 MHz 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 100 MHz 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 160 MHz 模式，但現有 RF 訊號分析器一般僅達 100 MHz 或以下的瞬間頻寬。若要測試寬帶載波聚合技術的設備，單單為了滿足頻寬需求，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；因此更凸顯了 PXI 的模組化優勢。
更高階次的調變類型
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。若系統是使用正交幅調變 (QAM)，則實際通道的傳輸率將與 QAM 的「階次」直接相關。舉例來說，1 個 4-QAM 通道的資料可用 4 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，1 個 16-QAM 通道的資料可用 4 位元符碼而呈現；1 個 64-QAM 通道的資料可用 6 位元符碼而呈現。
新的 IEEE 802.11ac 規格，是首次支援 256-QAM 的消費性無線標準之一。與使用 64-QAM 的系統相較，256-QAM 格式的各組符碼均可用 8 位元資料而呈現 [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 (即如 256-QAM)，則必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 QPSK 等的方案。圖 2 即以不同的 SNR 條件，呈現出 16-QAM 訊號的星座圖 (Constellation diagram)。
圖 2. 不同 SNR 條件下的 16-QAM。
如星座圖所示，若要解調 16-QAM 的訊號而不產生位元錯誤，則 44 dB 的 SNR 即已足夠。相對之下，若要使用 16-QAM 調變類型，但 SNR 僅達 30 dB 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，則 IEEE 802.11ac 當然應使用 256-QAM 調變類型。
從儀控角度來說，幾乎僅需更改軟體，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，不過就是 1 種新的波形而已；可讓工程師隨著通訊標準的演變，提升自己所需的測試設備。因此，不論是 IEEE 802.11ac 或未來的通訊標準，若要支援 256-QAM 調變類型，只要更新軟體即可輕鬆完成。
摘要
在討論新一代的無線通訊標準時，我們也看到了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，都是為了提升資料傳輸率。針對 IEEE 802.11ac 而言，最終將朝著 8x8 MIMO、高達 160 MHz 頻寬、256-QAM 而演變。而 LTE-Advanced 亦趨向使用 8x8 MIMO 設定，且載波聚合技術亦將支援高達 100 MHz 通道頻寬。另應注意的是，現有 2G 與 3G 蜂巢式標準亦正不斷演進中，並將納入這些功能。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，在 UMTS 中，最近才新增的 HSPA+ 技術，即為下鏈增加了 64-QAM。針對後續發展，HSPA+ Advanced 將增加 2- 與 4-Carrier 的聚合技術，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，而明顯提升消費者最在乎的上網速度；但魚與熊掌不可兼得，IEEE 802.11ac 與 LTE-Advanced 通訊標準，理所當然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。也因此，新一代無線標準的量測與儀控將更具挑戰性。面對如 IEEE 802.11ac 與 LTE-Advanced 的新通訊標準，多虧有 PXI 的模組化與軟體定義架構，絕對是替代傳統儀控的不二解決方案。
概觀
眾所周知，無線通訊標準需不斷發展演進，才能因應持續攀升的傳輸率。若要提升資料傳輸率，主要必須強化通訊協定的實體層 (Physical layer)。由於強化過程往往需耗時數年，也迫使我們必須一併考量通訊系統與 RF 測試需求的變化。目前最受人矚目的 2 種無線標準，就是 WLAN 產品中的 IEEE 802.11ac，與蜂巢式通訊技術 (Cellular communications) 3GPP 的 LTE-Advanced。
在 2011 年底所擬定的 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 Wi-Fi 產品相較，IEEE 802.11ac 又具備更多 MIMO 通道、更大的頻寬、更高階次的調變類型。接著將說明數項 IEEE 802.11ac 的重要規格，如 8x8 MIMO 天線技術、160 MHz 通道頻寬、256 種狀態的正交幅調變 (256-QAM)。
同樣的，LTE-Advanced 屬於 3GPP 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 8x8 MIMO 與載波聚合技術，並可使用高達 100 MHz 通道頻寬。
接著將說明此 2 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 2 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。
持續提高的空間串流
為提高資料傳輸率，而首次將無線通訊標準導入 MIMO 天線技術已經是 5 年多前的事了。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。
方程式 1. 通道傳輸率的典型 Shannon-Hartley 定理模型
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，就會悖離 Shannon-Hartley 定理。在 2x2 MIMO 系統中，若單一實體通道使用 2 組獨立的空間串流，將可有效加倍傳輸率；即達到傳統單入單出 (SISO) 系統的 2 倍傳輸率。依此類推，4x4 MIMO 通道將可達 4 倍資料傳輸率；8x8 MIMO 通道就是 8 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，舊的 Wi-Fi 標準 IEEE 802.11n，即使用複雜的 4x4 MIMO 設定；新的 802.11ac 將採用 8x8 MIMO 設定。而從 LTE 到 LTE-Advanced 的蜂巢式通訊技術，亦產生了類似的變化。目前的 LTE 規格可達 4X4 MIMO 下鏈 (Downlink) 通道；LTE-Advanced 則可達 8x8 MIMO 的下鏈通道。除了 IEEE 802.11ac 與 LTE-Advanced 之外，我們已可預見此趨勢將持續發展。目前早已開始 16x16 MIMO 系統的研究，而取決於研究結果，我們當然有機會迎接 16x16 系統的到來。
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，僅需在相同主機中添加 PXI 降轉換器與示波器，4 通道的 RF 訊號分析器即可輕鬆升級至 8 通道。
更高的通道頻寬
如 Shannon-Hartley 定理所說，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 GSM/EDGE 發展到 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。但一般認知亦強調：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，因此如多路徑衰減 (Multipath fading) 的常見難題，卻會在寬帶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，就整合了正交頻分多工 (OFDM) 與載波聚合技術，而提高了有效符碼率；同時亦避免寬帶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，並減少多路徑的問題。針對新一代的 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 2 項機制：更多的子載波與載波聚合。
IEEE 802.11g 是針對單一 20 MHz 的 OFDM 通道所設計；IEEE 802.11n 可支援 2 個 20 MHz 通道的裝置，而達到 40 MHz 總頻寬，進而增加了載波聚合技術。而 IEEE 802.11ac 更能支援 20、40、80、160 MHz 的通道頻寬。在 IEEE 802.11ac 的 40 與 80 MHz 模式中，是以更多子載波達到更高的頻寬。換句話說，20、40、80、160 MHz 的模式，將分別使用 64、128、256、512 個子載波。再說到 IEEE 802.11ac 的 80+80 MHz 模式，則方法略有不同。在 80+80 MHz 模式中，載波聚合將透過 1 個存取點，同時使用 2 個獨立的 80 MHz OFDM 通道 (各通道分別為 256 個子載波)。圖 1 即針對多種常見的 IEEE 802.11 標準，比較了不同的調變類型、MIMO 方案、通道頻寬。
| 802.11a/g | 802.11n | 802.11ac | |
| 天線設定 | 1x1 SISO | 最多 4x4 MIMO | 最多 8x8 MIMO |
| 最高階次的調變 | BPSK to 64-QAM | BPSK to 64-QAM | BPSK to 256-QAM |
| 通道頻寬 | 20 MHz | 20 MHz & 20+20 MHz | 20、40、80、80+80、160 MHz |
| 發表年代 |
1999 (802.11a)
2003 (802.11g)
| 2009 (細部規格規範中) | 2012 (最後規格) |
圖 1. 不同 WLAN 標準的實體層特性參數
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 1.4 ~ 20 MHz 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 5 組連續的 20 MHz 載波，而達最高 100 MHz 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 100 MHz 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 160 MHz 模式，但現有 RF 訊號分析器一般僅達 100 MHz 或以下的瞬間頻寬。若要測試寬帶載波聚合技術的設備，單單為了滿足頻寬需求，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；因此更凸顯了 PXI 的模組化優勢。
更高階次的調變類型
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。若系統是使用正交幅調變 (QAM)，則實際通道的傳輸率將與 QAM 的「階次」直接相關。舉例來說，1 個 4-QAM 通道的資料可用 4 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，1 個 16-QAM 通道的資料可用 4 位元符碼而呈現；1 個 64-QAM 通道的資料可用 6 位元符碼而呈現。
新的 IEEE 802.11ac 規格，是首次支援 256-QAM 的消費性無線標準之一。與使用 64-QAM 的系統相較，256-QAM 格式的各組符碼均可用 8 位元資料而呈現 [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 (即如 256-QAM)，則必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 QPSK 等的方案。圖 2 即以不同的 SNR 條件，呈現出 16-QAM 訊號的星座圖 (Constellation diagram)。
圖 2. 不同 SNR 條件下的 16-QAM。
如星座圖所示，若要解調 16-QAM 的訊號而不產生位元錯誤，則 44 dB 的 SNR 即已足夠。相對之下，若要使用 16-QAM 調變類型，但 SNR 僅達 30 dB 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，則 IEEE 802.11ac 當然應使用 256-QAM 調變類型。
從儀控角度來說，幾乎僅需更改軟體，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，不過就是 1 種新的波形而已；可讓工程師隨著通訊標準的演變，提升自己所需的測試設備。因此，不論是 IEEE 802.11ac 或未來的通訊標準，若要支援 256-QAM 調變類型，只要更新軟體即可輕鬆完成。
摘要
在討論新一代的無線通訊標準時，我們也看到了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，都是為了提升資料傳輸率。針對 IEEE 802.11ac 而言，最終將朝著 8x8 MIMO、高達 160 MHz 頻寬、256-QAM 而演變。而 LTE-Advanced 亦趨向使用 8x8 MIMO 設定，且載波聚合技術亦將支援高達 100 MHz 通道頻寬。另應注意的是，現有 2G 與 3G 蜂巢式標準亦正不斷演進中，並將納入這些功能。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，在 UMTS 中，最近才新增的 HSPA+ 技術，即為下鏈增加了 64-QAM。針對後續發展，HSPA+ Advanced 將增加 2- 與 4-Carrier 的聚合技術，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，而明顯提升消費者最在乎的上網速度；但魚與熊掌不可兼得，IEEE 802.11ac 與 LTE-Advanced 通訊標準，理所當然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。也因此，新一代無線標準的量測與儀控將更具挑戰性。面對如 IEEE 802.11ac 與 LTE-Advanced 的新通訊標準，多虧有 PXI 的模組化與軟體定義架構，絕對是替代傳統儀控的不二解決方案。
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