無線通信的未來--為無所不在的連接做好準(zhǔn)備

為各地的人與萬物建立連接一直是無線通信的主要目標(biāo)。不論是人與人透過移動電話來溝通、車輛通訊（vehicle communication；V2X）平臺協(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）裝置來監(jiān)控的智能工廠，現(xiàn)今的無線系統(tǒng)正在致力實現(xiàn)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(wèi)星、蜂巢式網(wǎng)絡(luò)、以及本地局域網(wǎng)絡(luò)來維持快速、安全、且可靠的在線連接的系統(tǒng)?已經(jīng)從可有可無，變成必須具備的功能。

對于打造這些科技的工程師而言，設(shè)計針對無所不在的連接而優(yōu)化的無線系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)會隨著系統(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)計選擇等多領(lǐng)域系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化；以及透過自動的空中測試和真實信道與減損模型進(jìn)行硬件原型的設(shè)計驗證。

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

無線科技的演進(jìn)

從技術(shù)上的觀點來看，無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、技術(shù)、物理等方面的挑戰(zhàn)。

以經(jīng)濟層面來說，存取點的數(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。高吞吐量的連接無法無縫地建構(gòu)在各種的范圍和距離上，而且每一項技術(shù)都得滿足各自的利基市場。最后，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(tǒng)帶來的干擾而受到限制。這使得各種系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)成為必要。

當(dāng)現(xiàn)今的高階無線系統(tǒng)已經(jīng)克服了這其中的許多挑戰(zhàn)?舉例來說，低軌道（Low Earth Orbit；LEO）衛(wèi)星的訊號能夠在更遠(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）對應(yīng)起來更具成本效益 – 但其他的挑戰(zhàn)卻仍然存在。

比方說，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(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來建立兩臺裝置的聯(lián)機。

工程師在設(shè)計無所不在的連接時，通常上會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)可以一前一后地運行，因此舉例來說，被發(fā)送到擁擠的蜂巢式服務(wù)區(qū)域的訊號可以卸除到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的理想平臺。

工程師可以善用藍(lán)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(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)機到網(wǎng)絡(luò)的時候可以維持在脫機狀態(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等行動網(wǎng)域網(wǎng)絡(luò)、本地局域網(wǎng)絡(luò)（Wi-Fi）、以及藍(lán)牙等個人局域網(wǎng)絡(luò)?都能夠同步提供無所不在的連接，有必要進(jìn)行大量的測試。

對于處理這些問題的工程師來說，透過模型建立和仿真來執(zhí)行大量的測試，比執(zhí)行在實時設(shè)備上更為理想，這時便清楚展現(xiàn)了大規(guī)模仿真平臺的價值。

透過模擬協(xié)助達(dá)成無所不在的連接

解決無所不在連接的挑戰(zhàn)，不僅需要工程師對于當(dāng)今所有無線通信協(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、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(tǒng)的可靠度。

舉例來說，與每一個運作模式所關(guān)聯(lián)的參數(shù)數(shù)量與復(fù)雜性會是蜂巢式網(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)行測試。如果不符合這所有的測試條件，系統(tǒng)則無法通過驗證。

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

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)裝置時有效。這時就需要像是MATLAB和Simulink的模擬平臺來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(biāo)準(zhǔn)的工具來產(chǎn)生個別的訊號，包含藍(lán)牙、5G、LTE、與Wi-Fi，也提供了可視化和測試環(huán)境來協(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。這代表模擬平臺也會不斷地適應(yīng)調(diào)整，以保有其在工程師設(shè)計能夠無縫使用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、行動網(wǎng)絡(luò)、本地局域網(wǎng)絡(luò)等許多形式的系統(tǒng)時的必要性，同時能夠維持一個快速、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）