在最新的一項市場調查中，研究人員預計：到2015年，每年將有超過10億臺IEEE 802.11ac 無線通信設備投入使用。這是一個相當驚人的數字，特別是考慮到802.11ac尚未成為官方標準的前提下。所以你可能會問：“什么是802.11ac協議，它跟當前的Wi-Fi有何區別？”

如果你還記得幾年前，世界上最早出現的一些802.11n Wi-Fi產品曾被打上“草稿-n”的標簽。這些路由器和接入節點被冠以“草稿-n”綽號，是有其特定的原因的：官方標準尚未形成。現在，802.11n產品已經無處不在，作為一種先進的Wi-Fi標準被廣泛接受。然而，就如同大多802.11g產品已經移至802.11n一樣，下一代的Wi-Fi將會基于802.11ac規范。

新802.11ac規范的初衷是考慮到更高數據吞吐量的要求。就如同我們已經看到Wi-Fi從802.11a/b發展至g再到n，802.11ac的超高吞吐量（very high throughput, VHT）規范可以實現極高的數據傳輸速率。在此，我們將探討其物理層中一些主要的技術特性，以及它如何支持高數據吞吐量。此外，我們將特別分析一些不斷演進的特性，例如應用更高的信道帶寬、調制類型的改變、以及更多空間流(Spatial stream)的應用以實現更高的數據速率。

首先，我們比較一下過去的以及未來的Wi-Fi的基本的物理層規范，如圖1所示。

圖1. 新一代Wi-Fi中的物理層規范的技術演進

如圖1所示，802.11n規范中最主要的新特性就是通過引入4x4 MIMO技術，使用了更多的空間流。發展至802.11ac后，可實現的最大的空間流可達8x8 MIMO。此外還有其它的重要改變，包括：可選的160 MHz信道帶寬，以及引入了256-QAM調制機制。

使用更高的信道帶寬

追溯至MIMO技術起源，Shannon-Hartley原理曾被認為是計算一個數字信道的數據吞吐量的主要理論模型。

公式1. 經典Shannon-Hartley信道吞吐量理論模型

根據這一理論，通過一個特定信道的數據傳輸速率僅能通過改變信道帶寬或者信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）來提高。時至今日，Shannon-Hartley理論已經無法計算多個空間流所實現的總數據吞吐量，但它依然能表明信道帶寬與數據傳輸速率之間的相關性。

在一個OFDM系統中，人們可以很直觀地看到，更高的帶寬與更高的數據傳輸速率之間存在相關性。例如，在使用相同的子載波間距（也就是使用相同的符號率）時，增加子載波的數量將增加信道帶寬。在802.11ac規范中，我們可以很清楚的看到信道帶寬與數據子載波數量之間的關系。如圖2所示，在所有帶寬模型中，子載波的間距是不變的，只需增加子載波的數量就可增加帶寬。

圖2. 802.11ac中可選的信道帶寬

*代表此模式在802.11ac中是可選的。

如圖2所示，可選的160 MHz模式遠遠超過了802.11n所支持的最大帶寬（40MHz）。目前，具有160MHz可用頻譜的Wi-Fi頻帶僅能在5 GHz頻帶中實現（而不是2.4GHz）.因此，802.11ac規范僅能用于5GHz ISM頻帶。

提高空間流數量

Shannon-Hartley理論可以很合理地估計SISO（單輸入單輸出）信道的理論吞吐量，但我們必須對其進行一些更改，才能合理的估計MIMO（多輸入多輸出）信道的最大吞吐量。在一個具有充足多路徑反射的物理信道中，數據傳輸速率在理論上的最大提升隨著理論空間流的數量的增加而線性增加。例如，在一個2x2的MIMO系統中，在同一個物理信道（即使用相同的頻率）中使用兩個獨立的空間流，其所能實現的數據速率是傳統的單輸入單輸出（SISO）系統的兩倍。同樣，相對于SISO信道，一個4x4 MIMO信道可以實現4倍的數據速率提升，而8x8 MIMO信道則可以實現8倍的數據速率提升。。與其它新出現的無線通信規范（如3GPP LTE Advanced）類似，802.11ac VHT規范可以實現最高8x8 MIMO系統。

調制機制與碼率的改進

802.11ac提高數據吞吐量所使用的最有趣的方法之一，就是256-QAM調制機制。過去，隨著802.11a的發展，64-QAM調制曾被認為是所有無線通信標準中“最高階”的調制模式。而802.11ac則是消費類電子領域中引入256-QAM的首個商用的無線標準，以滿足不斷增長的數據吞吐量要求。在公式2中，我們可以看到調制機制的“階次”與每個符號所代表的比特位數之間的簡單關系。

公式2.每個符號的比特位數隨著調制機制的復雜性而增加。

我們可以很容易地看到，簡單的調制機制，例如BPSK（二進制相移鍵控）使用兩個符號，因此每個符號可以產生1個比特位。相比較而言，一個更加復雜的調制機制，例如256-QAM則擁有更高的“階次”，從而可以實現更高的數據速率。事實上，256-QAM中，每個符號可以產生8個比特位(log2(256)=8)。比較802.11ac和 802.11n，我們可以看到：對于能夠實現256-QAM的環境條件，與傳統的64-QAM機制相比，可以將數據速率提高33%。

有關調制階次的一個有趣的問題是，我們可以看到發射機的調制質量與Shannon-Hartley原理之間關系緊密。要了解這一關系，一個簡單的實例就是802.11ac規范中對發射機相對星座誤差（我們可以理解為EVM）的限制。在我們觀察圖3時可以看到，更高階次的調制類型，例如256-QAM，對于EVM的要求更為嚴格——這一點并不奇怪，因為EVM和SNR之間的關系非常緊密。

圖3. 發射機最低EVM要求

為了更好地說明SNR對調制階次類型的影響，圖4中展示了一個256-QAM信號在各種SNR環境中的星座圖。

圖4.更高的SNR可以實現更高階次的調制，如256-QAM

如256-QAM的星座圖所示，32dB的SNR對于256-QAM信號解調來說足矣，不會產生明顯的比特誤差以及幀誤差。相對而言，在一個具有較低信噪比的環境中，我們可以看到星座圖中的拖尾效應，這在27dB或者更低信噪比的環境中尤為明顯。在這些信道環境條件下，一個給定的Wi-Fi接入節點無法使用256-QAM模式維持通信，只能使用較低階次的調制模式時以維持一定范圍內的幀誤差率。這一示例表明了Shannon-Hartley 原理中所描述的SNR與數據吞吐量之間的關系。

計算數據速率

憑借802.11ac規范所帶來了關鍵技術改進，如更高的帶寬、更多的空間流、以及更高階次調制類型，有人可能會猜想可選的高吞吐量特性會比802.11n提高一個數量級。事實上，由于802.11n的理論限制為600Mbps，802.11ac的數據速率增加將會比802.11n提高一個數量級。

為了正確地估計802.11ac的最大理論 吞吐量，我們必須考慮一些關鍵的因素，例如：調制類型、子載波個數、碼率、符號率，以及空間流的個數。為了確定總數據速率，我們首先確定任意時刻一次發出的編碼數據的位數。之前的802.11ac規范草案將此定義為“子載波比特位數”（ Number of data bits per subcarrier, NDPSC），其中包含所有空間流的比特位。從數學角度考慮，NDPSC是通過每個符號的位數、碼率以及子載波的個數等因素決定的。

在公式3中，可以看到NDPSC的數學表示。

公式3.每個符號的比特位數與碼率等因素對整個空間流編碼的比特位數的影響。

例如，在一個20MHz 的802.11ac信號發射時，64個子載波中的52個將被用于數據，而其余的則用于保護性頻帶、空子載波以及先導頻率信號。如果使用QPSK調制模式以及?的碼率，則NDPSC將會等于26比特（1 x 52 x 0.5）。如圖5所示，我們對多個帶寬以及空間流組合，計算其在256-QAM調制模式下的NDPSC。

圖5. NDPSC隨著帶寬大小和空間數據流的數量的增加呈指數性增加

知道了每個空間流中的總比特位數，我們就可以通過將(NDBPS)與空間流的個數、符碼率、以及符碼使用率相乘，就可以計算802.11ac物理層的最大理論吞吐量。在此示例中，符號率等于子載波間隔，即為312.5 kHz 或者312,500 符號/秒。其中的關系如公式4所示。

公式4. 數據速率是NDPSC、符號率以及符碼使用率的函數。

如公式4所示，符碼使用率即為數據符號周期與符號總間隔的比值，其中：

因此，在使用短防護間隔的配置中，符碼使用率為3.2/3.6 = 88.9%。

同樣，在使用長防護間隔的配置中，符碼使用率為3.2/4.0 = 80%。

在公式5中，我們可以估計802.11ac通信信道的最大理論吞吐量。在確定802.11ac的最大理論吞吐量時，我們將會考慮使用8x8MIMO、160 MHz信道帶寬、256-QAM調制機制以及短防護間隔。在此示例中，理論最大數據吞吐量如公式5所示。

公式5. 802.11ac的最大理論吞吐量超過6.9 Gbps。

如公式5所示，802.11ac物理層所能提供的理論最大數據吞吐量可以超過每秒6.9千兆比特。然而，必須要注意的是，這僅僅是理論計算而已。在現實中，超過6.9 Gbps的數據速率僅當物理信道足夠、能同時實現8個空間數據流時才能實現。此外，考慮到256-QAM調制模式下對SNR的要求，最大理論吞吐量僅能在發射機和接收機足夠接近、信號強度足夠大時才能實現。最后，我們還要意識到，對于一個通信系統來說，遠遠不止物理層一個方面而已。雖然物理層能夠支持6.9 Gbps，但是必須還要對MAC層、數據總線、甚至嵌入式控制器等進行大量的改進，才能讓供應商做出真正實現最大數據吞吐量的產品。

802.11ac測試中的挑戰和解決方案

諸如802.11ac的下一代無線通信標準，可以為消費者帶來數據傳輸速率的顯著提升，然而這同時也使得設計和測試這種無線產品充滿挑戰。當今的工程師必須要面對復雜的多通道無線測試，如8x8 MIMO。此外，可選的160MHz規范的帶寬要求非常高，工程師們必須隨著帶寬的不斷增加，確保測量的高質量。最后，在自動化測量中，測量的復雜性將隨著測量速度的增加而增加。考慮到802.11ac信號的解調需要提高一個數量級的信號處理能力，802.11ac的測量速度要求也是一個需要關注的問題。

展望未來，可以看到軟件定義的PXI測試設備將處于測試下一代無線通信標準的前沿位置。National Instruments于2012年1月發布了測試下一代802.11ac WLAN芯片組和設備的先行支持，并于巴塞羅那舉辦的世界移動通信大會(MWC)上展示了最新的802.11ac測試解決方案，能夠支持包括20，40，80和80+80 160MHz各種帶寬的信號接收(Rx)和發送(Tx)，并支持高達4X4 MIMO的配置。因此，NI測試解決方案具備足夠的靈活性，除了802.11ac，同樣可以測試802.11a/b/g/n設備。

“通過支持最新的WLAN標準，802.11ac，我們展示了NI公司的軟件定義的模塊化測試系統的力量”， NI首席執行官和公司創始人James Truchard博士表示， “我們的模塊化測試平臺提供了更快的測試時間和更低的投入成本，并通過與LabVIEW相結合，幫助工程師研究、驗證、測試最新的無線標準及設備。

基于NI PXI平臺的802.11ac 測試方案主要特性：

調制方式最高可達256 QAM

可支持4X4 MIMO

通道帶寬包括20, 40, 80, 以及80+80, 160 MHz

可支持LDPC, STBC和AMPDU

可支持NI LabVIEW, ANSI C, 以及Microsoft Visual Studio等多種開發環境

NI正在與一些前沿的合作伙伴，包括芯片供應商，OEM廠商和電子制造服務（EMS）提供商展開合作，測試最新的802.11ac設備。采用軟件定義的PXI測試平臺可以滿足最新的移動通信規范和無線連接標準。無論是智能手機、平板電腦等消費電子產品，還是開發板(reference design board)、無線收發器等嵌入式產品，NI解決方案可測試各類移動通信設備和芯片。PXI所帶來的諸如模塊性、靈活性以及強大的信號處理能力等優勢，將使其在不遠的將來越發成為測試和測量領域的主要技術平臺。