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無線通訊的未來--為無所不在的連接做好準備
 

【作者: Houman Zarrinkoub】   2022年07月24日 星期日

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為各地的人與萬物建立連接一直是無線通訊的主要目標。不論是人與人透過行動電話來溝通、車輛通訊(vehicle communication;V2X)平台協助車子進行交通順序的協調,或者以物聯網(Internet of Thins;IoT)裝置來監控的智慧工廠,現今的無線系統正在致力實現這些夢想。


這股力量代表著無所不在的連接 – 也就是能夠無縫地使用衛星、蜂巢式網路、以及本地區域網路來維持快速、安全、且可靠的線上連接的系統?已經從可有可無,變成必須具備的功能。



對於打造這些科技的工程師而言,設計針對無所不在的連接而優化的無線系統所面臨的挑戰會隨著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定和裝置的互通性;整合了演算法、天線、陣列、RF收發器設計選擇等多領域系統參數的優化;以及透過自動的空中測試和真實通道與減損模型進行硬體原型的設計驗證。


很幸運地,現在已經有現成的技巧和最佳實踐可以幫助工程師進行這些系統的設計、建模和測試,確保系統間的良好協作,提供企業和消費者無線通訊的管道,甚至是真正無所不在的連接。


無線科技的演進

從技術上的觀點來看,無所不在的概念並不是最近才誕生。然而,它的執行卻一直面臨到經濟、技術、物理等方面的挑戰。


以經濟層面來說,存取點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。高吞吐量的連接無法無縫地建構在各種的範圍和距離上,而且每一項技術都得滿足各自的利基市場。最後,在物理層面,每一個通訊鏈路還會因為其他使用了相同或鄰近頻譜的系統帶來的干擾而受到限制。這使得各種系統之間的協調成為必要。


當現今的高階無線系統已經克服了這其中的許多挑戰?舉例來說,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)對應起來更具成本效益 – 但其他的挑戰卻仍然存在。


比方說,5G、Wi-Fi和以衛星為基礎的通訊裝置,仰賴多使用者的多輸入多輸出(multiple-input and multiple-output;MIMO)波束成形技術,以觸及服務區域內的使用者。MIMO和支援波束成形的裝置被配置來傳送和接收多重訊號,使工程師必須立即優化多重頻寬的使用。然而,這需要對可用訊號空間進行持續的監控,還需要精確的調度、以及在連接的兩端進行通道的建模和量測來建立兩台裝置的連線。


工程師在設計無所不在的連接時,通常上會將較小範圍的通訊指定給Wi-Fi系統,較大範圍的通訊指定給蜂巢式(cellular)系統。這些類型相異的網路可以一前一後地運行,因此舉例來說,被發送到擁擠的蜂巢式服務區域的訊號可以卸載到Wi-Fi服務的網路,反之亦然。


藍牙也在無所不在的連接中擔當了關鍵角色。雖然它不是作為高吞吐量無線網路的一部分,藍牙的低功耗以及其基本速率、增強資料傳輸速率使用的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台。


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路。或者,藍牙也可以協助工程師節省頻寬,當裝置不需要連線到網路的時候可以維持在離線狀態。


為了確保這些類型的網路?大範圍區域網路如衛星連接、4G和5G等行動網域網路、本地區域網路(Wi-Fi)、以及藍牙等個人區域網路?都能夠同步提供無所不在的連接,有必要進行大量的測試。


對於處理這些問題的工程師來說,透過模型建立和模擬來執行大量的測試,比執行在即時設備上更為理想,這時便清楚展現了大規模模擬平台的價值。


透過模擬協助達成無所不在的連接

解決無所不在連接的挑戰,不僅需要工程師對於當今所有無線通訊協定和標準之間的關係和相互干擾的了解,還需要進行標準之間的相容性測試。


工程師可以使用大範圍建模與模擬工具,如MATLAB與Simulink,進行系統設計、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。


舉例來說,與每一個運作模式所關聯的參數數量與複雜性會是蜂巢式網路系統開發的重大挑戰之一。工程師需要了解,每一個參數都必須在各種可能發生於蜂巢式網路通道的條件下進行測試。如果不符合這所有的測試條件,系統則無法通過驗證。


為了處理這項挑戰,工程師可以使用模擬平台,它提供一個比實體測試更方便、更快速、更可靠的環境來檢視所有潛在參數,並對這些參數進行與其他系統的評估。由於MATLAB和Simulink提供的各項先進技巧,像是用更簡單的方式產生波形,以及使用自動產生C程式碼、藉由GPUs與平行運算來加快模擬速度,將更快速的測試方法化為可能。


當然,多使用者MIMO與波束成形系統只在它們能夠準確找到且連結到目標裝置時有效。這時就需要像是MATLAB和Simulink的模擬平台來讓驗證精確定位的任務更加容易。這些解決方案不只提供工程師符合產業用標準的工具來產生個別的訊號,包含藍牙、5G、LTE、與Wi-Fi,也提供了視覺化和測試環境來協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連結的精確性。


無所不在的連接持續在當今世界佔據必要角色。這代表模擬平台也會不斷地適應調整,以保有其在工程師設計能夠無縫使用衛星網路、行動網路、本地區域網路等許多形式的系統時的必要性,同時能夠維持一個快速、安全、可靠的線上連接。


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


**刊頭圖:在無線通訊領域無所不在的連接,代表模擬平台也會不斷地適應調整。


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