無(wú)線(xiàn)通信的未來(lái)--為無(wú)所不在的連接做好準備

為各地的人與萬(wàn)物建立連接一直是無(wú)線(xiàn)通信的主要目標。不論是人與人透過(guò)移動(dòng)電話(huà)來(lái)溝通、車(chē)輛通訊（vehicle communication；V2X）平臺協(xié)助車(chē)子進(jìn)行交通順序的協(xié)調，或者以物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Thins；IoT）裝置來(lái)監控的智能工廠(chǎng)，現今的無(wú)線(xiàn)系統正在致力實(shí)現這些夢(mèng)想。

這股力量代表著(zhù)無(wú)所不在的連接 – 也就是能夠無(wú)縫地使用衛星、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(xiàn)連接的系統?已經(jīng)從可有可無(wú)，變成必須具備的功能。

對于打造這些科技的工程師而言，設計針對無(wú)所不在的連接而優(yōu)化的無(wú)線(xiàn)系統所面臨的挑戰會(huì )隨著(zhù)系統所具備的功能而增加。這些挑戰包含要確保裝置符合系統的標準協(xié)議和裝置的互操作性；整合了算法、天線(xiàn)、數組、RF收發(fā)器設計選擇等多領(lǐng)域系統參數的優(yōu)化；以及透過(guò)自動(dòng)的空中測試和真實(shí)信道與減損模型進(jìn)行硬件原型的設計驗證。

很幸運地，現在已經(jīng)有現成的技巧和最佳實(shí)踐可以幫助工程師進(jìn)行這些系統的設計、建模和測試，確保系統間的良好協(xié)作，提供企業(yè)和消費者無(wú)線(xiàn)通信的管道，甚至是真正無(wú)所不在的連接。

無(wú)線(xiàn)科技的演進(jìn)

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

以經(jīng)濟層面來(lái)說(shuō)，存取點(diǎn)的數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域。高吞吐量的連接無(wú)法無(wú)縫地建構在各種的范圍和距離上，而且每一項技術(shù)都得滿(mǎn)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 )因為其他使用了相同或鄰近頻譜的系統帶來(lái)的干擾而受到限制。這使得各種系統之間的協(xié)調成為必要。

當現今的高階無(wú)線(xiàn)系統已經(jīng)克服了這其中的許多挑戰?舉例來(lái)說(shuō)，低軌道（Low Earth Orbit；LEO）衛星的訊號能夠在更遠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）對應起來(lái)更具成本效益 – 但其他的挑戰卻仍然存在。

比方說(shuō)，5G、Wi-Fi和以衛星為基礎的通訊裝置，仰賴(lài)多用戶(hù)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)區域內的用戶(hù)。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，使工程師必須立即優(yōu)化多重帶寬的使用。然而，這需要對可用訊號空間進(jìn)行持續的監控，還需要精確的調度、以及在連接的兩端進(jìn)行通道的建模和量測來(lái)建立兩臺裝置的聯(lián)機。

工程師在設計無(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，較大范圍的通訊指定給蜂巢式（cellular）系統。這些類(lèi)型相異的網(wǎng)絡(luò )可以一前一后地運行，因此舉例來(lái)說(shuō)，被發(fā)送到擁擠的蜂巢式服務(wù)區域的訊號可以卸除到Wi-Fi服務(wù)的網(wǎng)絡(luò )，反之亦然。

藍牙也在無(wú)所不在的連接中擔當了關(guān)鍵角色。雖然它不是作為高吞吐量無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的一部分，藍牙的低功耗以及其基本速率、增強數據傳輸速率使用的ISM頻段、低功耗藍牙標準，使其成為傳送短距離訊號的理想平臺。

工程師可以善用藍牙提供的短距離訊號，因為它們最夠顯示這些裝置是否需要連接到網(wǎng)絡(luò )?；蛘?，藍牙也可以協(xié)助工程師節省帶寬，當裝置不需要聯(lián)機到網(wǎng)絡(luò )的時(shí)候可以維持在脫機狀態(tài)。

為了確保這些類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò )?大范圍局域網(wǎng)絡(luò )如衛星連接、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)行大量的測試。

對于處理這些問(wèn)題的工程師來(lái)說(shuō)，透過(guò)模型建立和仿真來(lái)執行大量的測試，比執行在實(shí)時(shí)設備上更為理想，這時(shí)便清楚展現了大規模仿真平臺的價(jià)值。

透過(guò)模擬協(xié)助達成無(wú)所不在的連接

解決無(wú)所不在連接的挑戰，不僅需要工程師對于當今所有無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議和標準之間的關(guān)系和相互干擾的了解，還需要進(jìn)行標準之間的兼容性測試。

工程師可以使用大范圍建模與模擬工具，如MATLAB與Simulink，進(jìn)行系統設計、建立模型、測試、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的可靠度。

舉例來(lái)說(shuō)，與每一個(gè)運作模式所關(guān)聯(lián)的參數數量與復雜性會(huì )是蜂巢式網(wǎng)絡(luò )系統開(kāi)發(fā)的重大挑戰之一。工程師需要了解，每一個(gè)參數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)行測試。如果不符合這所有的測試條件，系統則無(wú)法通過(guò)驗證。

為了處理這項挑戰，工程師可以使用仿真平臺，它提供一個(gè)比實(shí)體測試更方便、更快速、更可靠的環(huán)境來(lái)檢視所有潛在參數，并對這些參數進(jìn)行與其他系統的評估。由于MATLAB和Simulink提供的各項先進(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與平行運算來(lái)加快仿真速度，將更快速的測試方法化為可能。

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

無(wú)所不在的連接持續在當今世界占據必要角色。這代表模擬平臺也會(huì )不斷地適應調整，以保有其在工程師設計能夠無(wú)縫使用衛星網(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(xiàn)連接。

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