深入探究802.11ac技术

所有无线通信标准中"最高阶"的调制模式。而802.11ac则是消费类电子领域中引入256-QAM的首个商用的无线标准，以满足不断增长的数据吞吐量要求。在公式2中，我们可以看到调制机制的"阶次"与每个符号所代表的比特位数之间的简单关系。

  公式2.每个符号的比特位数随着调制机制的复杂性而增加。

我们可以很容易地看到，简单的调制机制，例如BPSK（二进制相移键控）使用两个符号，因此每个符号可以产生1个比特位。相比较而言，一个更加复杂的调制机制，例如256-QAM则拥有更高的"阶次"，从而可以实现更高的数据速率。事实上，256-QAM中，每个符号可以产生8个比特位(log₂(256)=8)。比较802.11ac和 802.11n，我们可以看到：对于能够实现256-QAM的环境条件，与传统的64-QAM机制相比，可以将数据速率提高33%。

有关调制阶次的一个有趣的问题是，我们可以看到发射机的调制质量与Shannon-Hartley原理之间关系紧密。要了解这一关系，一个简单的实例就是802.11ac规范中对发射机相对星座误差（我们可以理解为EVM）的限制。在我们观察图3时可以看到，更高阶次的调制类型，例如256-QAM，对于EVM的要求更为严格——这一点并不奇怪，因为EVM和SNR之间的关系非常紧密。

图3. 发射机最低EVM要求

为了更好地说明SNR对调制阶次类型的影响，图4中展示了一个256-QAM信号在各种SNR环境中的星座图。

图4.更高的SNR可以实现更高阶次的调制，如256-QAM

如256-QAM的星座图所示，32dB的SNR对于256-QAM信号解调来说足矣，不会产生明显的比特误差以及帧误差。相对而言，在一个具有较低信噪比的环境中，我们可以看到星座图中的拖尾效应，这在27dB或者更低信噪比的环境中尤为明显。在这些信道环境条件下，一个给定的Wi-Fi接入节点无法使用256-QAM模式维持通信，只能使用较低阶次的调制模式时以维持一定范围内的帧误差率。这一示例表明了Shannon-Hartley 原理中所描述的SNR与数据吞吐量之间的关系。

计算数据速率

凭借802.11ac规范所带来了关键技术改进，如更高的带宽、更多的空间流、以及更高阶次调制类型，有人可能会猜想可选的高吞吐量特性会比802.11n提高一个数量级。事实上，由于802.11n的理论限制为600Mbps，802.11ac的数据速率增加将会比802.11n提高一个数量级。

为了正确地估计802.11ac的最大理论 吞吐量，我们必须考虑一些关键的因素，例如：调制类型、子载波个数、码率、符号率，以及空间流的个数。为了确定总数据速率，我们首先确定任意时刻一次发出的编码数据的位数。之前的802.11ac规范草案将此定义为"子载波比特位数"（ Number of data bits per subcarrier, N_DPSC），其中包含所有空间流的比特位。从数学角度考虑，N_DPSC是通过每个符号的位数、码率以及子载波的个数等因素决定的。

  在公式3中，可以看到N_DPSC的数学表示。

  公式3.每个符号的比特位数与码率等因素对整个空间流编码的比特位数的影响。

例如，在一个20MHz 的802.11ac信号发射时，64个子载波中的52个将被用于数据，而其余的则用于保护性频带、空子载波以及先导频率信号。如果使用QPSK调制模式以及½的码率，则N_DPSC将会等于26比特（1 x 52 x 0.5）。如图5所示，我们对多个带宽以及空间流组合，计算其在256-QAM调制模式下的N_DPSC。

图5. N_DPSC随着带宽大小和空间数据流的数量的增加呈指数性增加

知道了每个空间流中的总比特位数，我们就可以通过将(N_DBPS)与空间流的个数、符码率、以及符码使用率相乘，就可以计算802.11ac物理层的最大理论吞吐量。在此示例中，符号率等于子载波间隔，即为312.5 kHz 或者312,500 符号/秒。其中的关系如公式4所示。

  公式4. 数据速率是N_DPSC、符号率以及符码使用率的函数。

如公式4所示，符码使用率即为数据符号周期与符号总间隔的比值，其中：

T_DFT = DFT/IFDFT 符号周期 = 3.2 μs

T_SYMS = 短 GI 符号间隔 = 3.6 μs