未来高速无线通信标准发展探析
众所周知，无线通信标准在不断演进，以提供日益增长的数据吞吐能力。数据速率的提高主要是通过协议物理层的增强实现的。这些增强一般都需要几年的时间，这使得我们能够同时展望未来的通信系统和RF测试要求的变化。目前最热门的两个无线标准是无线局域网(WLAN)产品领域的IEEE 802.11ac和蜂窝通信领域的3GPP LTE-Advanced。
IEEE 802.11ac是一个新标准，该标准针对更高吞吐能力的无线连接而设计，与基于IEEE 802.11a/g/n的当代Wi-Fi产品相比，具有更多的MIMO通道、更高的带宽和更高阶的调制类型。我们将研究的一些关键的IEEE 802.11ac规范采用8×8多输入多输出(MIMO)天线技术、160MHz通道带宽和256状态正交调幅(256QAM)。
同样，LTE-Advanced是3GPP LTE规范的演进版本，它具有各种还包含更多空间流和载波聚合技术的增强功能。目前新设计的LTE网络基于3GPP发行版8规范，而LTE-Advanced则基于3GPP发行版10规范，其增强功能很有可能作为现有LTE网络的未来升级而提供。LTE-Advanced的主要细节包括使用8×8 MIMO技术和载波聚合技术，从而使用多达100 MHz的通道带宽。
本文将探讨这两个标准的物理层特性，并介绍高数据速率是如何实现的。我们还将讨论更多的空间流、载波聚合和更高阶的调制方案如何直接转化成更高的数据吞吐能力。最后，我们将讨论每个标准的物理层演进给当前RF工程师带来了怎样的新测试挑战。
不断增加的空间流
第一个无线通信标准为提高数据速率而引入MIMO天线技术已经有五年多了。在MIMO以前，一般将香农-哈特利(Shannon-Hartley)定理作为给定数据通信通道的理论数据吞吐能力的模型：
容量=带宽×log2(1+SNR)
根据该定理，通过影响通道带宽或信噪比(SNR)可以提高特定通道的数据速率。不过具有多个空间流的MIMO系统的设计却允许背离香农哈特利定理。在2×2 MIMO系统中，在同一物理通道中使用两个独立的空间流能够有效地使数据速率达到传统的单输入单输出(SISO)系统的应有数据速率的两倍。相应地，4×4 MIMO通道可以实现4倍的数据速率，8×8 MIMO通道则可以实现8倍的数据速率。
目前，IEEE 802.11ac和LTE-Advanced等新一代无线通信标准不断地使用更多的空间流来提高数据吞吐能力。比如，Wi-Fi的前身IEEE 802.11n采用复杂的4×4 MIMO配置，新一代802.11ac采用8×8 MIMO配置。从LTE到LTE-Advanced的蜂窝通信技术的演进将带来同样的变化。目前的LTE规范可以实现4X4 MIMO下行链路通道，而LTE-Advanced则支持8×8 MIMO下行链路通道。除IEEE 802.11ac和LTE-Advanced之外，我们将看到这一趋势将继续向前发展。有关16×16 MIMO系统的研究已经开始进行，未来有一我们会看到16×16 MIMO系统(这取决于研究的结果)。
对于新一代基于MIMO的通信系统的测试工程师而言，根据历史事实，使用传统仪器很难满足多端口MIMO测量的同步要求(如果这些要求并不是无法满足的话)。如今，PXI仪器的模块化和软件定义架构可以为工程师提供测试新一代无线标准所需的灵活性。比如，在典型的PXI系统中，只需在同样的主机中增加更多的PXI下变频器和数字化器，4通道RF信号分析仪就可以升级到8通道RF信号分析仪。
更高的通道带宽
正如香农哈特利定理的所述，增加数字通信通道的带宽是增加通道带宽的第二个途径。根据历史事实，在蜂窝领域，当GSM/EDGE发展到UMTS时，仅增加数字调制信号的符号率即可增加通道带宽。不过，大家普遍认为，在单载波通信系统中使用宽带信号会产生固有的物理硬件挑战。此外，由于具有更高符号率的系统会产生较短的符号周期，因此多径衰落等其他常见的无线挑战在宽带单载波通信系统中的问题会越来越大。
目前，新一代无线通信通道整合正交频分复用(OFDM)技术和载波聚合技术来提高有效的符号率，同时还可以避免出现宽带单载波通信系统的传统挑战。OFDM是目前用于IEEE 802.11a/g/n和LTE的一种常见技术，这种技术可以将一个通道分成正交和较低符号率的子载波，从而实现更高的有效符号率，同时减轻多径衰落问题。对于IEEE 802.11ac和LTE-Advanced等新一代标准而言，通过增加通道带宽提高数据速率是通过使用以下两种机制实现的：更多的子载波和载波聚合。
IEEE 802.11g是针对单个20-MHz OFDM通道而设计的标准，IEEE 802.11n则支持多达两个20MHz通道的设备实现40MHz的总带宽，从而增加载波聚合技术。相比之下，IEEE 802.11ac支持20、40、80和160MHz通道带宽方案。在40和80MHz模式的IEEE 802.11ac中，通过使用更多的子载波实现了更高的带宽。因此，20MHz模式采用64个子载波，40MHz模式采用128个子载波，80MHz模式采用256个子载波，160MHz模式采用512个子载波。相比之下，80+80 MHz模式的IEEE 802.11ac将采用略有不同的方案。在这种模式下，载波聚合方案将通过接入点同时采用两个唯一的80MHz OFDM通道（每个通道256个子载波）。在表1中，我们对各种常见IEEE 802.11标准的不同调制类型、MIMO方案和通道带宽进行了比较和对比。