泛在連接塑造無(wú)線(xiàn)的未來(lái) - 工程師準備須知

連接人與無(wú)處不在的萬(wàn)事萬(wàn)物，始終是無(wú)線(xiàn)通信的主要目標。無(wú)論是人們使用手機交流，車(chē)輛通信 (V2X) 平臺幫助汽車(chē)在交通中轉彎，還是物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設備監控智能工廠(chǎng)，今天的無(wú)線(xiàn)系統都在逐漸使這些夢(mèng)想變?yōu)楝F實(shí)。

這種強大的力量意味著(zhù)泛在連接 - 能夠無(wú)縫使用衛星、蜂窩和局域網(wǎng)來(lái)維持快速、安全和可靠的在線(xiàn)連接的系統 - 不再是“最好具備”的功能，而是“必備”的功能。

對于構建這些技術(shù)的工程師來(lái)說(shuō)，隨著(zhù)泛在連接能力的增強，設計針對泛在連接而優(yōu)化的無(wú)線(xiàn)系統的挑戰也隨之增長(cháng)。其中包括確保設備符合系統和設備互操作性的標準協(xié)議；優(yōu)化用于集成算法、天線(xiàn)、陣列和射頻收發(fā)機設計選擇的多域系統參數；以及用自動(dòng)無(wú)線(xiàn)測試和真實(shí)的信道和損傷模型來(lái)驗證硬件原型的設計。

幸運的是，工程師可以使用現有技術(shù)和最佳做法對這些系統進(jìn)行設計、建模和測試，確保它們能夠協(xié)作工作，不僅為商業(yè)客戶(hù)和普通消費者提供無(wú)線(xiàn)接入，還提供真正的泛在連接。

無(wú)線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展

從技術(shù)角度來(lái)看，泛在連接的概念并非新生事物。然而，由于經(jīng)濟、技術(shù)和物理等各方面的原因，其實(shí)現仍是一項挑戰。從經(jīng)濟角度來(lái)說(shuō)，接入點(diǎn)的數量歷來(lái)受到成本的限制，主要部署在高密度人群區域。高吞吐量鏈路無(wú)法在各種范圍和距離內無(wú)縫構建，每種技術(shù)都在迎合自己的利基市場(chǎng)。最后，在物理上，使用相同或相鄰頻譜的其他系統帶來(lái)的干擾也使每個(gè)通信鏈路受到限制。這使得必須對各種系統之間進(jìn)行協(xié)調。

雖然現代高級無(wú)線(xiàn)系統已克服其中許多挑戰，例如，低地球軌道 (LEO) 衛星比中地球軌道 (MEO) 和地球靜止軌道 (GEO) 衛星更具成本效益，其信號能夠提供遠距離的大吞吐量，但其他挑戰仍存在。

例如，5G、Wi-Fi和基于衛星的通信設備依賴(lài)多用戶(hù)多輸入多輸出 (MIMO) 波束成形技術(shù)到達服務(wù)區域中的用戶(hù)。支持 MIMO 和波束成形的設備能夠發(fā)送和接收多個(gè)信號，這就要求工程師必須同時(shí)優(yōu)化多個(gè)頻帶的使用。然而，這需要持續監控可用信號空間和精確調度，以及在連接兩個(gè)設備的鏈路兩端進(jìn)行信道建模和測量。

在設計泛在連接時(shí)，工程師通常指定 Wi-Fi 系統用于短程通信，蜂窩系統用于遠程通信。這些異構類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò )可以關(guān)聯(lián)式工作，例如，發(fā)送到擁擠的蜂窩服務(wù)區域的信號可以將工作負載分散到 Wi-Fi 服務(wù)網(wǎng)絡(luò )，反之亦然。

藍牙在泛在連接中也發(fā)揮著(zhù)作用。雖然藍牙不屬于高吞吐量無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，但鑒于其基本速率、增強數據速率和低功耗藍牙標準的低功耗和 ISM 頻帶使用等特點(diǎn)，該平臺成為發(fā)送短程信號的理想選擇。工程師可以使用藍牙提供的短程信號，因為它們最能表明設備是否需要連接到 Internet。藍牙也可以幫助工程師節省帶寬，并在設備不需要連接時(shí)保持設備離線(xiàn)。

確保這些類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò )（衛星鏈路等寬域網(wǎng)、4G 和 5G 等蜂窩廣域網(wǎng)、局域網(wǎng) (Wi-Fi) 和藍牙等個(gè)人局域網(wǎng)）同步提供泛在連接需要大量的測試。對于處理這些問(wèn)題的工程師來(lái)說(shuō)，通過(guò)建模和仿真比使用現場(chǎng)設備更好進(jìn)行廣泛的測試。因此，大型仿真平臺的價(jià)值得以凸顯。

仿真如何幫助工程師實(shí)現泛在連接

要解決泛在連接帶來(lái)的挑戰，工程師不僅要了解當今所有無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議和標準之間的關(guān)系和干擾，還要測試這些標準之間的兼容性。

工程師可以使用大型建模和仿真工具，如使用 MATLAB 和 Simulink 在部署前對系統進(jìn)行設計、建模、測試和分析，確保其系統早在構建物理設備之前就具有可靠性。

例如，當開(kāi)發(fā)蜂窩網(wǎng)絡(luò )系統時(shí)，一個(gè)關(guān)鍵挑戰是處理與每種運營(yíng)模式相關(guān)聯(lián)的參數數目和復雜性。工程師需要明白，每個(gè)參數都需要針對典型蜂窩網(wǎng)絡(luò )中可能出現的各種信道條件進(jìn)行測試。如果未滿(mǎn)足所有測試條件，系統將無(wú)法通過(guò)認證。

為了解決此問(wèn)題，工程師可以使用仿真平臺提供環(huán)境，使得對所有潛在參數進(jìn)行的審核和針對其他系統進(jìn)行的評估比物理測試更輕松、更快捷、更可靠。得益于 MATLAB 和 Simulink 帶來(lái)的技術(shù)進(jìn)步，例如測試波形生成的簡(jiǎn)易性、自動(dòng) C 代碼生成的使用、GPU 和并行計算在加速仿真中的應用等，更快的測試方法在很大程度上是可能實(shí)現的。

當然，多用戶(hù) MIMO 和波束成形系統的有效性取決于準確指向并連接目標設備的能力。這需要 MATLAB 和 Simulink 等仿真平臺來(lái)簡(jiǎn)化驗證精確定向和定位的任務(wù)。這些解決方案不僅為工程師提供符合行業(yè)標準的工具來(lái)生成包括藍牙、5G、LTE 和 Wi-Fi 在內的各種信號，還提供可視化和測試環(huán)境，使它們能夠在地圖上看到室內和室外射頻傳播的影響。這將有助于它們確保多臺設備之間的連接準確無(wú)誤。

泛在連接仍是現代世界的必備條件。這最終意味著(zhù)仿真平臺也必須予以調整來(lái)滿(mǎn)足工程師的要求，因為他們設計的系統必須能夠無(wú)縫地使用多種模式，包括衛星、蜂窩和局域網(wǎng)，同時(shí)保持快速、安全和可靠的在線(xiàn)連接。

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