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無線通信的未來——為無處不在的連接做好準備

（2024年11月23日更新）

無線通信的主要目標一直是為世界各地的人與萬物建立聯(lián)系。無論是人與人之間的手機通信還是車輛通信（vehicle communication；V2X）平臺協(xié)助車輛協(xié)調(diào)交通順序或協(xié)調(diào)Azoteq代理物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Thins；IoT）智能工廠裝置監(jiān)控，今天的無線系統(tǒng)正致力于實現(xiàn)這些夢想。

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這種力量代表著無處不在的連接 – 也就是說，能夠無縫利用衛(wèi)星、蜂巢網(wǎng)絡和本地局域網(wǎng)絡來保持快速、安全、可靠的在線連接的系統(tǒng)已經(jīng)從可有可無轉(zhuǎn)變?yōu)楸匾墓δ堋?/p>

對于建立這些技術的工程師來說，設計優(yōu)化無線系統(tǒng)的挑戰(zhàn)將隨著系統(tǒng)的功能而增加。這些挑戰(zhàn)包括確保設備符合系統(tǒng)的標準協(xié)議和設備的可操作性；算法、天線、數(shù)組、RF多領域系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化，如收發(fā)器設計選擇，以及硬件原型的設計驗證，通過自動空和真實信道和減損模型進行。

幸運的是，現(xiàn)成的技能和最佳實踐可以幫助工程師設計、建模和測試這些系統(tǒng)，確保系統(tǒng)之間的良好合作，為企業(yè)和消費者提供無線通信管道，甚至是真正的連接。

無線技術的演變

從技術角度來看，無處不在的概念最近并沒有誕生。然而，它的實施一直面臨著經(jīng)濟、技術、物理等方面的挑戰(zhàn)。

在經(jīng)濟層面，訪問點的數(shù)量過去受到成本的限制，因此主要保留在人口密度高的地區(qū)。高吞吐量的連接不能無縫地構建在各種范圍和距離上，每項技術都必須滿足自己的利基市場。最后，在物理層面上，由于其他使用相同或相鄰頻譜的系統(tǒng)的干擾，每個通信鏈路都受到限制。這使得各種系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)成為必要。

今天的高級無線系統(tǒng)克服了許多挑戰(zhàn)例如，低軌道（Low Earth Orbit；LEO）與中軌道相比，衛(wèi)星信號可以在更遠的距離提供更大的吞吐量（Medium Earth Orbit；MEO）與地球靜止軌道（Geostationary Orbit；GEO）相應地，它更具成本效益 – 但其他挑戰(zhàn)仍然存在。

比方說，5G、Wi-Fi以衛(wèi)星為基礎的通信設備依賴于多用戶的多輸入、多輸出（multiple-input and multiple-output；MIMO）波束成形技術，觸及服務區(qū)用戶。MIMO配置支持波束成形的裝置傳輸和接收多個信號，使工程師必須立即優(yōu)化多個帶寬的使用。然而，這需要對可用信號空間進行持續(xù)準確調(diào)度，建模和測量連接兩端的通道，以建立兩個設備的在線。

在設計無處不在的連接時，工程師通常會指定較小范圍的通信Wi-Fi系統(tǒng)，大規(guī)模通信指定蜂巢式（cellular）系統(tǒng)。這些不同類型的網(wǎng)絡可以一個接一個地運行，所以例如，可以刪除發(fā)送到擁擠蜂巢服務區(qū)的信號Wi-Fi反之亦然。

藍牙在無處不在的連接中也起著關鍵作用。雖然不是高吞吐量無線網(wǎng)絡的一部分，但藍牙的低功耗、基本速率和增強數(shù)據(jù)傳輸速率ISM低功耗藍牙標準使其成為傳輸短距離信號的理想平臺。

工程師可以充分利用藍牙提供的短距離信號，因為它們足以顯示這些設備是否需要連接到網(wǎng)絡。或者，藍牙還可以幫助工程師節(jié)省帶寬，當設備不需要在線到網(wǎng)絡時保持脫機。

為了確保衛(wèi)星連接、4等大型局域網(wǎng)絡G和5G等行動網(wǎng)絡，本地局域網(wǎng)絡（Wi-Fi）、藍牙等個人局域網(wǎng)可以同步提供無處不在的連接，需要大量的測試。

對于處理這些問題的工程師來說，通過模型建立和模擬進行大量測試比實時設備更理想，從而清楚地顯示了大型模擬平臺的價值。

通過模擬協(xié)助實現(xiàn)無處不在的連接

要解決無處不在的挑戰(zhàn)，工程師不僅需要了解當今所有無線通信協(xié)議和標準之間的關系和相互干擾，還需要測試標準之間的兼容性。

工程師可以使用大規(guī)模的建模和模擬工具，如MATLAB與Simulink，在部署前進行系統(tǒng)設計、建立模型、測試和分析，以確保系統(tǒng)的可靠性。

例如，與每個操作模式相關的參數(shù)的數(shù)量和復雜性將是蜂巢網(wǎng)絡系統(tǒng)開發(fā)的主要挑戰(zhàn)之一。工程師需要知道，每個參數(shù)都必須在蜂巢網(wǎng)絡通道可能發(fā)生的各種條件下進行測試。如果不滿足所有這些測試條件，系統(tǒng)將無法驗證。

為了應對這一挑戰(zhàn)，工程師可以使用模擬平臺，它提供了一個更方便、更快、更可靠的環(huán)境來檢查所有潛在參數(shù)，并與其他系統(tǒng)一起評估它們。由于MATLAB和Simulink提供的先進技能，如以更簡單的方式生成波形，以及使用自動生成C程序代碼GPUs平行操作可以加快模擬速度，并將更快的測試方法轉(zhuǎn)化為可能。

當然，多用戶MIMO當它們能夠準確地找到并鏈接到目標裝置時，與波束成形系統(tǒng)是有效的。這個時候需要像MATLAB和Simulink模擬平臺更容易驗證精確定位的任務。這些解決方案不僅為工程師提供符合行業(yè)標準的工具，還包括藍牙和5G、LTE、與Wi-Fi，還提供了可視化和測試環(huán)境，幫助工程師在地圖上檢查室內(nèi)外RF傳播效應。這將有助于工程師確保多裝置鏈接的準確性。

無處不在的連接在當今世界繼續(xù)發(fā)揮著必要的作用。這意味著模擬平臺將繼續(xù)適應調(diào)整，以確保工程師在設計衛(wèi)星網(wǎng)絡、行動網(wǎng)絡、本地局域網(wǎng)等多種形式的系統(tǒng)時保持快速、安全、可靠的在線連接。

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