無(wú)線通信的未來(lái)--為無(wú)所不在的連接做好準(zhǔn)備

為各地的人與萬(wàn)物建立連接一直是無(wú)線通信的主要目標(biāo)。不論是人與人透過(guò)移動(dòng)電話來(lái)溝通、車輛通訊（vehicle communication；V2X）平臺(tái)協(xié)助車子進(jìn)行交通順序的協(xié)調(diào)，或者以物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Thins；IoT）裝置來(lái)監(jiān)控的智能工廠，現(xiàn)今的無(wú)線系統(tǒng)正在致力實(shí)現(xiàn)這些夢(mèng)想。

這股力量代表著無(wú)所不在的連接 – 也就是能夠無(wú)縫地使用衛(wèi)星、蜂巢式網(wǎng)絡(luò)、以及本地局域網(wǎng)絡(luò)來(lái)維持快速、安全、且可靠的在線連接的系統(tǒng)?已經(jīng)從可有可無(wú)，變成必須具備的功能。

對(duì)于打造這些科技的工程師而言，設(shè)計(jì)針對(duì)無(wú)所不在的連接而優(yōu)化的無(wú)線系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)會(huì)隨著系統(tǒng)所具備的功能而增加。這些挑戰(zhàn)包含要確保裝置符合系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和裝置的互操作性；整合了算法、天線、數(shù)組、RF收發(fā)器設(shè)計(jì)選擇等多領(lǐng)域系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化；以及透過(guò)自動(dòng)的空中測(cè)試和真實(shí)信道與減損模型進(jìn)行硬件原型的設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

很幸運(yùn)地，現(xiàn)在已經(jīng)有現(xiàn)成的技巧和最佳實(shí)踐可以幫助工程師進(jìn)行這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建模和測(cè)試，確保系統(tǒng)間的良好協(xié)作，提供企業(yè)和消費(fèi)者無(wú)線通信的管道，甚至是真正無(wú)所不在的連接。

無(wú)線科技的演進(jìn)

從技術(shù)上的觀點(diǎn)來(lái)看，無(wú)所不在的概念并不是最近才誕生。然而，它的執(zhí)行卻一直面臨到經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、物理等方面的挑戰(zhàn)。

以經(jīng)濟(jì)層面來(lái)說(shuō)，存取點(diǎn)的數(shù)量在從前受到成本的限制，因此主要只保留給人口密度高的區(qū)域。高吞吐量的連接無(wú)法無(wú)縫地建構(gòu)在各種的范圍和距離上，而且每一項(xiàng)技術(shù)都得滿足各自的利基市場(chǎng)。最后，在物理層面，每一個(gè)通訊鏈路還會(huì)因?yàn)槠渌褂昧讼嗤蜞徑l譜的系統(tǒng)帶來(lái)的干擾而受到限制。這使得各種系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)成為必要。

當(dāng)現(xiàn)今的高階無(wú)線系統(tǒng)已經(jīng)克服了這其中的許多挑戰(zhàn)?舉例來(lái)說(shuō)，低軌道（Low Earth Orbit；LEO）衛(wèi)星的訊號(hào)能夠在更遠(yuǎn)的距離提供更大吞吐量，比中軌道（Medium Earth Orbit；MEO）和地球靜止軌道（Geostationary Orbit；GEO）對(duì)應(yīng)起來(lái)更具成本效益 – 但其他的挑戰(zhàn)卻仍然存在。

比方說(shuō)，5G、Wi-Fi和以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的通訊裝置，仰賴多用戶的多輸入多輸出（multiple-input and multiple-output；MIMO）波束成形技術(shù)，以觸及服務(wù)區(qū)域內(nèi)的用戶。MIMO和支持波束成形的裝置被配置來(lái)傳送和接收多重訊號(hào)，使工程師必須立即優(yōu)化多重帶寬的使用。然而，這需要對(duì)可用訊號(hào)空間進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)控，還需要精確的調(diào)度、以及在連接的兩端進(jìn)行通道的建模和量測(cè)來(lái)建立兩臺(tái)裝置的聯(lián)機(jī)。

工程師在設(shè)計(jì)無(wú)所不在的連接時(shí)，通常上會(huì)將較小范圍的通訊指定給Wi-Fi系統(tǒng)，較大范圍的通訊指定給蜂巢式（cellular）系統(tǒng)。這些類型相異的網(wǎng)絡(luò)可以一前一后地運(yùn)行，因此舉例來(lái)說(shuō)，被發(fā)送到擁擠的蜂巢式服務(wù)區(qū)域的訊號(hào)可以卸除到Wi-Fi服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)，反之亦然。

藍(lán)牙也在無(wú)所不在的連接中擔(dān)當(dāng)了關(guān)鍵角色。雖然它不是作為高吞吐量無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的一部分，藍(lán)牙的低功耗以及其基本速率、增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸速率使用的ISM頻段、低功耗藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)，使其成為傳送短距離訊號(hào)的理想平臺(tái)。

工程師可以善用藍(lán)牙提供的短距離訊號(hào)，因?yàn)樗鼈冏顗蝻@示這些裝置是否需要連接到網(wǎng)絡(luò)?；蛘?，藍(lán)牙也可以協(xié)助工程師節(jié)省帶寬，當(dāng)裝置不需要聯(lián)機(jī)到網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候可以維持在脫機(jī)狀態(tài)。

為了確保這些類型的網(wǎng)絡(luò)?大范圍局域網(wǎng)絡(luò)如衛(wèi)星連接、4G和5G等行動(dòng)網(wǎng)域網(wǎng)絡(luò)、本地局域網(wǎng)絡(luò)（Wi-Fi）、以及藍(lán)牙等個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)?都能夠同步提供無(wú)所不在的連接，有必要進(jìn)行大量的測(cè)試。

對(duì)于處理這些問題的工程師來(lái)說(shuō)，透過(guò)模型建立和仿真來(lái)執(zhí)行大量的測(cè)試，比執(zhí)行在實(shí)時(shí)設(shè)備上更為理想，這時(shí)便清楚展現(xiàn)了大規(guī)模仿真平臺(tái)的價(jià)值。

透過(guò)模擬協(xié)助達(dá)成無(wú)所不在的連接

解決無(wú)所不在連接的挑戰(zhàn)，不僅需要工程師對(duì)于當(dāng)今所有無(wú)線通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系和相互干擾的了解，還需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)之間的兼容性測(cè)試。

工程師可以使用大范圍建模與模擬工具，如MATLAB與Simulink，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建立模型、測(cè)試、及在部署之前的分析，在建立物理裝置之前便能趁早確保系統(tǒng)的可靠度。

舉例來(lái)說(shuō)，與每一個(gè)運(yùn)作模式所關(guān)聯(lián)的參數(shù)數(shù)量與復(fù)雜性會(huì)是蜂巢式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開發(fā)的重大挑戰(zhàn)之一。工程師需要了解，每一個(gè)參數(shù)都必須在各種可能發(fā)生于蜂巢式網(wǎng)絡(luò)信道的條件下進(jìn)行測(cè)試。如果不符合這所有的測(cè)試條件，系統(tǒng)則無(wú)法通過(guò)驗(yàn)證。

為了處理這項(xiàng)挑戰(zhàn)，工程師可以使用仿真平臺(tái)，它提供一個(gè)比實(shí)體測(cè)試更方便、更快速、更可靠的環(huán)境來(lái)檢視所有潛在參數(shù)，并對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行與其他系統(tǒng)的評(píng)估。由于MATLAB和Simulink提供的各項(xiàng)先進(jìn)技巧，像是用更簡(jiǎn)單的方式產(chǎn)生波形，以及使用自動(dòng)產(chǎn)生C程序代碼、藉由GPUs與平行運(yùn)算來(lái)加快仿真速度，將更快速的測(cè)試方法化為可能。

當(dāng)然，多用戶MIMO與波束成形系統(tǒng)只在它們能夠準(zhǔn)確找到且鏈接到目標(biāo)裝置時(shí)有效。這時(shí)就需要像是MATLAB和Simulink的模擬平臺(tái)來(lái)讓驗(yàn)證精確定位的任務(wù)更加容易。這些解決方案不只提供工程師符合產(chǎn)業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)的工具來(lái)產(chǎn)生個(gè)別的訊號(hào)，包含藍(lán)牙、5G、LTE、與Wi-Fi，也提供了可視化和測(cè)試環(huán)境來(lái)協(xié)助工程師在地圖上檢視室內(nèi)和室外的RF傳播效應(yīng)。這將幫助工程師確保多重裝置鏈接的精確性。

無(wú)所不在的連接持續(xù)在當(dāng)今世界占據(jù)必要角色。這代表模擬平臺(tái)也會(huì)不斷地適應(yīng)調(diào)整，以保有其在工程師設(shè)計(jì)能夠無(wú)縫使用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、行動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、本地局域網(wǎng)絡(luò)等許多形式的系統(tǒng)時(shí)的必要性，同時(shí)能夠維持一個(gè)快速、安全、可靠的在線連接。

（本文由鈦思科技提供；作者Houman Zarrinkoub為MathWorks公司首席無(wú)線產(chǎn)品經(jīng)理）