IEEE802.11ac 規格とRF測定

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1 Application er s Manual Note Keysight Insert the Title in this Space Keysight Technologies IEEE802.11ac 規格と RF 測定

2 02 Keysight IEEE802.11ac 規格と RF 測定 Application Note はじめに 1990 年 無線 LAN の統一規格を作成するためのワーキンググループである が設立されてから 20 年以上が経ちました その間 IEEE は市場の要求に答えるべく a/b/g と新たな規格を作ってきました そして 実効速度 100MBps というさらなる高速化を実現し 新たに MIMO 技術を使用した規格 n が 2009 年に策定され 現在広く用いられています しかしながら昨今では無線 LAN も単なるデータ通信用途だけではなく 音声や高画質映像のストリーミングなどリアルタイム性 の要求も高まり さらに高速な通信が必要となっています その要求に答えるべく 2013 年に n を拡張し 1GB/s のスループットを目指す ac 規格が策定予定です 本アプリケーション ノートでは IEEE802.11ac の規格と RF 測定について説明します 本アプリケーションでは から最新の ac ドラフト仕様 IEEE P802.11ac /D3.1 を参照しています 内容 はじめに 無線 LAN 各規格の位置付け ac の使用周波数 n 技術との違い パケットフォーマットとサブキャリア配置 MCS Index Multi User MIMO RF テスト項目 まとめ 付録 A Keysight 関連製品 付録 B 関連文献... 13

3 03 Keysight IEEE802.11ac 規格と RF 測定 Application Note 1. 無線 LAN 各規格の位置付け ac の説明に進む前に 現在使用されている IEEE 各規格の概要を表 1 にまとめます b 以外の規格で OFDM が用いられています n は a/g の拡張 ac は n の拡張規格と言えます 周波数は 2.4GHz 帯と 5GHz 帯が用いられています 表 1 無線 LAN 各規格のまとめ 規格周波数帯域幅変調方式最大データレート b 2400~2483.5MHz(ch1~13) 2471~2497MHz(ch14) 26MHz 以下 g 2400~2483.5MHz(ch1~13) 26MHz(CCK) 18MHz(OFDM) a 5150~5250MHz 5250~5350MHz 5470~5725MHz n 2400~2483.5MHz(ch1~13) 5150~5250MHz 5250~5350MHz 5470~5725MHz ac 5150~5250MHz 5250~5350MHz 5470~5725MHz DSSS/CCK ( スペクトラム拡散 ) DSSS/CCK OFDM 11Mbps 11Mbps 54Mbps 18MHz 以下 OFDM 54Mbps 18MHz 以下 38MHz 以下 18MHz 以下 38MHz 以下 80MHz 以下 1 160MHz 以下 1 OFDM OFDM 600Mbps ( 実効レート 100Mbps~) 6.93Gbps ( スループット 1Gbps ~ ) 1 規格策定前のためチャネル幅を記載

4 04 Keysight IEEE802.11ac 規格と RF 測定 Application Note ac の使用周波数 ac は a や n が使用している 5GHz 帯域を使用します なお 5GHz 帯の中で 5.2GHz 帯 5.3GHz 帯は屋内専用 5.6GHz 帯は屋外利用可能となっています また 5.3GHz 帯 5.6GHz 帯は 気象レーダが使われている帯域のため レーダを探知したチャネルは一定期間使用することができません ac は n と同様の 20MHz, 40MHz のチャネルに加えて 80MHz, 160MHz のチャネルを使用することが可能です さらに連続した 160MHz 帯が確保できない場合においても 160MHz 伝送と同等の伝送速度を実現する MHz noncontiguous mode が定義されています 設定可能な 80+80MHz non-contiguous チャネル配置を含む日本における具体的な周波数割り当てを図 1 に示します なお 国内では 2012 年 12 月現在 法制度化がされていないため 80MHz 160MHz のチャネルは使用することができません 図 1 日本における周波数割り当て ( 図中数字はチャネル番号 ) n 技術との違い ac の物理層は n 規格の拡張であり 下位互換性があります 表 2 は n の主な仕様 表 3 はどのように ac が拡張しているかが示されています n の理論的な最大データレートは 40MHz 帯域 4 ストリームを使用した時の 600MB/s となります ただし多くのコンシューマ デバイスは 2 ストリームに限られています この場合最大のデータレートは 300MB/s です ac の理論的な最大データレートは 6.93Gb/s です これは 160MHz 帯域 8 ストリーム 256QAM を用いた MCS9 ショート ガード インターバルを使ったときの値です コンシューマ デバイスのより現実的な最大データレートの例として 80MHz 4 ストリーム MCS9 ノーマル ガード インターバルを用いたと場合 1.56GB/s となります 表 n の主要な仕様 特性必須オプション 伝送方式 チャネル帯域 20 MHz 40 MHz OFDM FFT サイズ サブキャリア数 / パイロット 52 / / 6 サブキャリア間隔 khz OFDM シンボル間隔 4 us 3.6 us + ショート ガード インターバル 変調方式 BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM 前方誤り訂正 Binary convolutional coding (BCC) Low density parity check (LDPC) コーディング レート 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 MCS 対応 0 to 7, 0 to 15 for access points 8 to 76, 16 to 76 for APs MIMO ストリーム数 オペレーティングモード / PPDU フォーマット 1, 2 for access points direct mapping Legacy/non-HT (802.11a/b/g) Mixed/HT-mixed (802.11a/b/g/n) 3 or 4 streams Tx beamforming, STBC Greenfield/HT-Greenfield (802.11n only)

5 05 Keysight IEEE802.11ac 規格と RF 測定 Application Note 表 ac の主要な仕様 特性必須オプション チャネル帯域 20 MHz, 40 MHz, 80 MHz 160 MHz, MHz FFT サイズ 64, 128, サブキャリア数 / パイロット 52 / 4, 108 / 6, 234 / / 16 変調方式 BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM 256QAM MCS 対応 0 to 7 8 and 9 MIMO ストリーム数 1 2 to 8 Tx beamforming, STBC Multi-user MIMO (MU-MIMO) オペレーション モード / PPDU フォーマット Very high throughput / VHT 4. パケットフォーマットとサブキャリア配置フレーム構造内のプリアンブルとトレーニング フィールドにより受信機は物理層の規格を自動で認識します n と ac のプリアンブルフォーマットを図 2 に示します Legacy (non-ht, non-vht) STF, LTF, や SIG は下位互換性を保つために送信されます VHT プリアンブルを詳細に見ていくと まず 20MHz よりも広い帯域では Legacy フィールドはそれぞれの 20MHz サブバンドに適切な位相回転をして複製されています サブキャリアは Peakto-average Power ratio(papr) を減らすために 90 度または 180 度回転されます VHT 伝送であることを示すため そして自動識別可能にするための VHT-SIG-A の 1 番目のシンボルは BPSK となり 2 番目の VHT-SIG-A シンボルは 90 度位相が回転している BPSK(QBPSK) となります n の HT-SIG はどちらのシンボルも QBPSK 変調を用いているので VHT-SIG と HT-SIG は異なっています VHT-SIG-A フィールドは VHG パケットの情報 すなわち帯域 ストリーム数 ガード インターバル コーディング MCS ビーム フォーミングが要求されます プリアンブル中の残りのフィールドは VHT デバイスのみに対して使用されます VHT-STF は MIMO における自動ゲイン コントロールの推定に使われます 次に受信機が送信と受信のアンテナ間 の MIMO チャネルを推測するためのロング トレイニング シーケンスがあります VHT-LTF の数はスペース タイム ストリームの数に依ります 1, 2, 4 の VHT-LTF のマッピングは n と同じです 6 もしくは 8 の VHT-LTF が追加されています VHT-SIG-B フィールドはシングルもしくはマルチユーザモードにおけるデータ長と MCS を記述しています 次にサブキャリア配置について見ていきます 20MHz 40MHz チャネルではサブキャリア数とパイロットは n と同じです 80MHz チャネルに新規の値が定義されています 図 3 図 4 にキャリア配置を示します 160MHz と 80+80MHz チャネルは 2 つの 80MHz と同様に定義されます まず プリアンブル部分ですが 80MHz の帯域幅では 40MHz の帯域幅のサブキャリア配置を 2 つならべ 160MHz の帯域幅では 80MHz の帯域幅のサブキャリア配置を 2 つならべています 一方 データ部分のサブキャリア配置は 80MHz の帯域幅では 242 本 160MHz の帯域幅では 484 本のサブキャリア数となっています 図 n/ac のプリアンブルフォーマット

6 06 Keysight IEEE802.11ac 規格と RF 測定 Application Note 図 3 キャリア配置 - プリアンブル 図 4 キャリア配置 プリアンブル ( 左 ), データ ( 右 )

7 07 Keysight IEEE802.11ac 規格と RF 測定 Application Note 5.MCS Index MCS 番号は n と番号の付け方が変わりました n では 0~76 までの番号ですべての状態を表していましたが ac では各帯域幅 ストリームの数において 0~9 までの MCS 番号を使用し 変調方式 符号化率 GI 時間 データレートの状態を表す形に変更されました 表 4 は 20MHz の帯域で 1 ストリームの時の状態になります Mandatory となっていますが MCS8, 9 は全条件で Optional です 表 5 は最大の帯域幅である 160MHz 最大のストリーム数である 8 ストリーム時の状態になります MCS9 の時 最大の転送レート Mbps が実現されます 表 4 VHT MCSs for mandatory 20MHz, NSS = 1 (MCS 8, 9 は Option) MCS Index Modulation R NBPSCS NSD NSP NCBPS NDBPS NES Data Rate(Mb/s) 800ns GI 0 BPSK 1/ QPSK 1/ QPSK 3/ QAM 1/ QAM 3/ QAM 2/ QAM 3/ QAM 5/ QAM 3/ Note: MCS9 is invalid due to mod (NCBPS/NES, DR) not being equal to 0. R Coding Rate, NBPSCS Bits/Subcarrier (per Spatial Stream), NSD Modulated Data Symbols, NSP Pilot Symbols, NCBPS Coded Bits/Symbol, NDBPS Data Bits / Symbol, NES Data Field BCC Encoders 400ns GI 表 5 VHT MCSs for optional 160 MHz, NSS = 8 MCS Index Modulation R NBPSCS NSD NSP NCBPS NDBPS NES Data Rate(Mb/s) 800ns GI 0 BPSK 1/ QPSK 1/ QPSK 3/ QAM 1/ QAM 3/ NA QAM 3/ QAM 5/ QAM 5/ Note: MCS9 is invalid due to mod (NCBPS/NES, DR) not being equal to ns GI 2 MCS 8,9 はオプションです

8 08 Keysight IEEE802.11ac 規格と RF 測定 Application Note 6.Multi User MIMO 従来の WLAN 規格ではアクセスポイントとデバイス間は 1 ストリームのみです MIMO 伝送が n から取り入られることにより 2 つ以上の完全に分離した伝送 受信チェーンで通信することが可能になりました n に用いられている MIMO の目的は単一ユーザのデータレートを上げることです ここでいう MIMO すなわち Multi Input Multi Output の Input と Output は RF コンポネンツを含む送信機と受信機の伝達経路 いわゆる チャネル に対する入出力です 2 つの送信機を持ったアクセスポイントから 2 つのチャネルに入力がある場合 MI と表し 逆に 2 つの受信機を持つデバイスに対してチャネルから 2 つの出力がある場合 MO と表します Single Input Single Output (SISO) は多くシステムにおける標準的な伝送モードです より複雑なシステムの容量や測定されるデータレートは SISO と比較して表されます Single Input Multiple Output は受信ダイバーシティと呼ばれます 一つの送信機から単一のデータストリームが 2 つの受信機に送られます S/N が悪い場合の受信データの品質の向上が目的です エラー率や再送の減少によるデータレートの向上が期待できますがデータ容量は変わりません Multiple Input Single Output は送信ダイバーシティ技術です 送信機が同じデータを違うタイミングで送る Space Time Block Coding が信号のロバストネスを向上するために使われます 左図にあるように独立したデータを 2 つの送信機と 2 つの受信機で送受する Multiple Input Multiple Output は Spatial Multiplexing とも知られています それぞれの受信機は送信機からの出力の合成であるチャネルの出力を見ます チャネル推定技術を使って受信機は 2 つのデータストリームを分け データを復調するために行列式を用います ストリーム間で最大の相関除去ができる理想的な状態であればデータ容量は 2 倍になりますが実際にはシステムには必ずノイズが乗ります S/N が良くかつアンテナ間の相関が低いほど理論値に近づきます 現在の n のコンシューマ デバイスは MIMO をサポートしていても 2 つの Spatial Stream のみサポートしている製品が多くを占めています 最大ストリーム数が 8 の ac でも当面は 2~4 ストリーム程度となるのではないかと言われています ac に取り入られた新しい技術として Multi-user MIMO (MU-MIMO) があります MU-MIMO は個々のデバイスのデータレートは変えずに効率的にネットワーク全体のスループットを向上します n で採用しているシングルユーザ MIMO 技術は 1 対 1 の通信ですのでアクセスポイントと 1 つのデバイスが通信している間 他のデバイスは通信できません またアクセスポイントが MIMO 機能を持っていたとしても端末側が SISO であれば SISO 通信をすることになるためこの点からもシステムの効率は良くありません 一方 MU-MIMO はアクセスポイントが持っている MIMO のストリームを各端末デバイスに割り当て 各デバイスと同時通信が可能になりますのでシステム効率が上がります ac の MU-MIMO は最大 4 ユーザ 1 ユーザにつき最大 4 ストリーム 1 システムあたり最大 8 ストリームまでの使用が可能です 図 5 伝送モード

9 09 Keysight IEEE802.11ac 規格と RF 測定 Application Note 7.RF テスト項目 ac の送信 受信テストを表 4 に示します n と似ていますが ac で加わった規格をカバーするべくいくつか新たな定義と仕様が追加されています ここでは ac ドラフト仕様 (Draft 3.1) から送信系の仕様 と受信系の仕 様 を引用しています MHz のスペクトラル マスク試験は 100kHz の RBW, 30kHz の VBW で測定される 40MHz のマスクの拡張です 80+80MHz ではマスクは離れた周波数における 80MHz マスクの和になります ( 図 6) 表 6 テスト項目 送信系試験 Transmit Spectrum Mask Spectral Flatness Transmit center frequency and symbol clock frequency tolerance Modulation Accuracy Transmit center frequency leakage Transmitter constellation error and Transmitter modulation accuracy(evm) 受信系試験 Receiver Minimum input level sensitivity Adjacent channel rejection Nonadjacent channel rejection Receiver maximum input level Clear channel assessment(cca) sensitivity RSSI 図 1 中心周波数が 160Mhz 離れている場合の 80+80MHz モードのスペクトラル マスク ( 出典元 :IEEE P802.11ac /D3.1) 表 7 は n と ac のスペクトラル フラットネスの仕様です ac Draft 3.1 で記載されているリミットは n-2009 で定められている n のリミットに対して 2dB 緩和されています ちなみに では n の 5GHz 帯の仕様が ac と同じ値に変更されました (2.4GHz 帯では n-2009 から変更はありません ) 表 8 は n と ac の Relative Constellation Error (RCE) (= EVM) の仕様です 256QAM が追加されコーディング レート 5/6 のときに最も厳しい -32dB となります また n の 5GHz 帯における 64QAM, コーディング レート 5/6 時の EVM 仕様は n-2009 では -28dB, では -27dB に変更になっています こちらも ac に合わせる形となっています

10 10 Keysight IEEE802.11ac 規格と RF 測定 Application Note 表 7 スペクトラル フラットネスの仕様 帯域 (MHz) ~-1 +1 ~ ~-2 +2 ~ ~-2 +2 ~ ~-6 +6 ~ Non-HT Duplicate 80 Non-HT Duplicate 平均パワーを算出するためのサブキャリア -42 ~-33, -31 ~-6, +6 ~+31, +33 ~ ~-70, -58~ -33, -31 ~-6, +6 ~+31, +33 ~+58, +70 ~+84 テストするサブキャリアインデックス -16 ~-1,+1 ~ ~-17, +17 ~ ~-2, +2 ~ ~-58, +43 ~ ~-2, +2 ~ ~-85, +85 ~ n 最大偏差 (db) IEE802.11n / / -4 +/ / ac 最大偏差 (db) +/ / -6 +/ / -6 +/ / ~-6, +6 ~ / ~-33, -31 ~-6, +6 ~+31, +33 ~ ~-58, +43~ ~ -70, -58 ~-33, -31 ~-6, +6 ~+31, +33 ~+58, +70 ~ ~-97, -95 ~-85, +85 ~+95, +97 ~+122 +/ / -4 +/ / -6 +/ / -6 表 8 Transmitter Relative Constellation Error (RCE) (=EVM) Modulation Coding Rate n RCE(dB) n-2009 BPSK 1/ QPSK 1/ QPSK 3/ QAM 1/ QAM 3/ QAM 2/ QAM 3/ QAM 5/ QAM 3/4 N/A QAM 5/6 N/A まとめ ac は 1GB/s を達成するため 80MHz, 160MHz の広帯域の追加 256QAM 変調の追加 MU-MIMO の採用といった技術が採用されています しかしながらこのような複雑な仕様を採用することにより開発には n に比べ厳しいチャレンジが必要であると言えるでしょう キーサイト テクノロジーでは ac の 160MHz 帯域 MIMO に対応した 送信 受信測定ソリューションをご提供することが可能です ac RCE (db)

11 11 Keysight IEEE802.11ac 規格と RF 測定 Application Note 付録 A Keysight 関連製品 信号生成ソリューション Signal Studio は basic ac option (GFP) と advanced ac option (TFP) の 2 つのオプションがあります 使用する信号が限定的である部品テストには GFP 受信機の感度測定などのテストには TFP が推奨です 主な特長 : BCC または LDPC チャネルコーディングを含む ac 信号の生成 全ての変調とコーディング レート (MCS 0-9) に対応 1 台の信号発生器で 20, 40, 80, 160MHz 帯域までの信号生成に対応 ( 最大帯域はハードウェアに依存 ) RF コンバイナと 2 つの信号発生器を使うことにより 80+80MHz 信号の生成可能 柔軟な Spatial Stream 構成によりシングルまたは 4 ストリーム アンテナまでのマルチ ユーザ MIMO(MU-MIMO) に対応 信号発生器 N5172B, N5182A/B, E4438C, E8267D と N5106B PXB ベースバンド ジェネレータ + チャネル エミュレータ (E8267D は MIMO 未対応 ) に対応 N7617B Signal Studio for WLAN a/b/g/n/ac N5182B MXG Vector Signal Generator1 主な特長 : 9 khz ~ 6 GHz 内蔵ベースバンド ジェネレータで 160 MHz までの RF 変調帯域 1GSa ベースバンド メモリ搭載 外部 I/Q 入力で 200 MHz バンド幅 ビルトイン I/Q スキューとチャネルコレクション機能で EVM 性能の改善 複数の EXG のベースバンド ジェネレータをシンプルに同期させ MIMO に対応 オプション 012 により MIMO のための位相同期を実現 N5172B EXG Vector Signal Generator1 主な特長 : 9 khz ~ 6 GHz 内蔵ベースバンド ジェネレータで 120 MHz までの RF 変調帯域 512 MSa ベースバンド メモリ搭載 外部 I/Q 入力で 200 MHz バンド幅 ビルトイン I/Q スキューとチャネルコレクション機能で EVM 性能の改善 複数の EXG のベースバンド ジェネレータをシンプルに同期させ MIMO に対応 オプション 012 により MIMO のための位相同期を実現

12 12 Keysight IEEE802.11ac 規格と RF 測定 Application Note 信号解析ソリューション Vector Signal Analysis Software Option BHJ ac 変調解析ソフトウェア 主な特長 : 全ての帯域と変調方式に対応 自動またはマニュアル検出による 4Spatial stream に対応 EVM, OFDM エラー IQ パラメータ シングルチャネルとクロスチャネルパワー測定に対応 ストリームごとの EVM チャネル周波数応答 チャネル マトリックス Condition Number を含む MIMO 測定に対応 OFDM データ バースト情報と VHT-SIG 情報の表示 様々なハードウェアの構成に対応しているので性能 帯域 チャネル数の要求に柔軟に対応できます シグナルアナライザ シリーズオシロスコープ PXI モジュールなどに対応しています 対応ハードウェアについて詳しくは Technical Overview EN をご確認ください 主な特長 : 全ての a/b/g/n/ac 規格に対応 ワンボタンで IEEE 規格 送信項目の Pass/Fail 測定が可能 PXA などの X-series シグナルアナライザの内部で駆動 容易に自動測定プログラムの構築が可能 N9077A WLAN ac Measurements Application 主な特長 : 2Hz 最大 50GHz 最大 160MHz 帯域 89600VSA と同様 25 の内蔵測定アプリケーションに対応 表示平均雑音レベル -172dBm/Hz 残留 EVM 0.4%( 実測値 ) N9030A PXA Signal Analyzer 主な特長 : 10 MHz ~ 26.5 GHz 4 チャネルの位相同期可能なダウンコンバータを使用 最大 2GSa/s 12 bit レンジのデジタイザを使用 89600VSA と使用すること 最大 800 MHz 帯域 1 シャーシで最大 4 チャネル搭載可能 Wideband MIMO PXI Signal Analyzers

13 13 Keysight IEEE802.11ac 規格と RF 測定 Application Note 付録 B 関連文献 IEEE P802.11ac/D3.1 Testing New-generation Wireless LAN Application Note, EN N7617B Signal Studio for WLAN a/b/g/n/ac Technical Overview, EN 89601B/BN-B7R, 89601B/BN-B7R, 89601B/BN-B7Z WLAN Modulation Analysis VSA Software Technical Overview, EN MXG/EXG X シリーズ標準信号源, JAJP N9077A & W9077A WLAN X-series Measurement Application Technical Overview, EN Testing Very High Throughput ac Signals Application Note, EN 次世代 ac 無線 LAN トランスミッタのデザイン検証, JAJP MIMO の基礎と MIMO 受信機の性能試験, JAJP MIMO 無線 LAN 物理層の測定, JAJP

14 キーサイト テクノロジー合同会社本社 東京都八王子市高倉町 9-1 計測お客様窓口受付時間 9:00-18:00( 土 日 祭日を除く ) TEL ( ) FAX ( ) contact_japan@keysight.com ホームページ 記載事項は変更になる場合があります ご発注の際はご確認ください Keysight Technologies Published in Japan, August 13, JAJP A

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