環(huán)球看點(diǎn)！泛在連接塑造無線的未來 - 工程師準(zhǔn)備須知

Houman Zarrinkoub 博士，MathWorks 首席無線產(chǎn)品經(jīng)理

連接人與無處不在的萬事萬物，始終是無線通信的主要目標(biāo)。無論是人們使用手機(jī)交流，車輛通信 (V2X) 平臺(tái)幫助汽車在交通中轉(zhuǎn)彎，還是物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備監(jiān)控智能工廠，今天的無線系統(tǒng)都在逐漸使這些夢(mèng)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

這種強(qiáng)大的力量意味著泛在連接 - 能夠無縫使用衛(wèi)星、蜂窩和局域網(wǎng)來維持快速、安全和可靠的在線連接的系統(tǒng) - 不再是“最好具備”的功能，而是“必備”的功能。

(相關(guān)資料圖)

對(duì)于構(gòu)建這些技術(shù)的工程師來說，隨著泛在連接能力的增強(qiáng)，設(shè)計(jì)針對(duì)泛在連接而優(yōu)化的無線系統(tǒng)的挑戰(zhàn)也隨之增長(zhǎng)。其中包括確保設(shè)備符合系統(tǒng)和設(shè)備互操作性的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議；優(yōu)化用于集成算法、天線、陣列和射頻收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)選擇的多域系統(tǒng)參數(shù)；以及用自動(dòng)無線測(cè)試和真實(shí)的信道和損傷模型來驗(yàn)證硬件原型的設(shè)計(jì)。

幸運(yùn)的是，工程師可以使用現(xiàn)有技術(shù)和最佳做法對(duì)這些系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、建模和測(cè)試，確保它們能夠協(xié)作工作，不僅為商業(yè)客戶和普通消費(fèi)者提供無線接入，還提供真正的泛在連接。

無線技術(shù)的發(fā)展

從技術(shù)角度來看，泛在連接的概念并非新生事物。然而，由于經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和物理等各方面的原因，其實(shí)現(xiàn)仍是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。從經(jīng)濟(jì)角度來說，接入點(diǎn)的數(shù)量歷來受到成本的限制，主要部署在高密度人群區(qū)域。高吞吐量鏈路無法在各種范圍和距離內(nèi)無縫構(gòu)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(tǒng)帶來的干擾也使每個(gè)通信鏈路受到限制。這使得必須對(duì)各種系統(tǒng)之間進(jìn)行協(xié)調(diào)。

雖然現(xiàn)代高級(jí)無線系統(tǒng)已克服其中許多挑戰(zhàn)，例如，低地球軌道 (LEO) 衛(wèi)星比中地球軌道 (MEO) 和地球靜止軌道 (GEO) 衛(wèi)星更具成本效益，其信號(hào)能夠提供遠(yuǎn)距離的大吞吐量，但其他挑戰(zhàn)仍存在。

例如，5G、Wi-Fi和基于衛(wèi)星的通信設(shè)備依賴多用戶多輸入多輸出 (MIMO) 波束成形技術(shù)到達(dá)服務(wù)區(qū)域中的用戶。支持 MIMO 和波束成形的設(shè)備能夠發(fā)送和接收多個(gè)信號(hào)，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(xù)監(jiān)控可用信號(hào)空間和精確調(diào)度，以及在連接兩個(gè)設(shè)備的鏈路兩端進(jìn)行信道建模和測(cè)量。

在設(shè)計(jì)泛在連接時(shí)，工程師通常指定 Wi-Fi 系統(tǒng)用于短程通信，蜂窩系統(tǒng)用于遠(yuǎn)程通信。這些異構(gòu)類型的網(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(qū)域的信號(hào)可以將工作負(fù)載分散到 Wi-Fi 服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，反之亦然。

藍(lán)牙在泛在連接中也發(fā)揮著作用。雖然藍(lán)牙不屬于高吞吐量無線網(wǎng)絡(luò)，但鑒于其基本速率、增強(qiáng)數(shù)據(jù)速率和低功耗藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)的低功耗和 ISM 頻帶使用等特點(diǎn)，該平臺(tái)成為發(fā)送短程信號(hào)的理想選擇。工程師可以使用藍(lán)牙提供的短程信號(hào)，因?yàn)樗鼈冏钅鼙砻髟O(shè)備是否需要連接到 Internet。藍(lán)牙也可以幫助工程師節(jié)省帶寬，并在設(shè)備不需要連接時(shí)保持設(shè)備離線。

確保這些類型的網(wǎng)絡(luò)（衛(wèi)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(lán)牙等個(gè)人局域網(wǎng)）同步提供泛在連接需要大量的測(cè)試。對(duì)于處理這些問題的工程師來說，通過建模和仿真比使用現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備更好進(jìn)行廣泛的測(cè)試。因此，大型仿真平臺(tái)的價(jià)值得以凸顯。

仿真如何幫助工程師實(shí)現(xiàn)泛在連接

要解決泛在連接帶來的挑戰(zhàn)，工程師不僅要了解當(dāng)今所有無線通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系和干擾，還要測(cè)試這些標(biāo)準(zhǔn)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、建模、測(cè)試和分析，確保其系統(tǒng)早在構(gòu)建物理設(shè)備之前就具有可靠性。

例如，當(dāng)開發(fā)蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時(shí)，一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是處理與每種運(yùn)營(yíng)模式相關(guān)聯(lián)的參數(shù)數(shù)目和復(fù)雜性。工程師需要明白，每個(gè)參數(shù)都需要針對(duì)典型蜂窩網(wǎng)絡(luò)中可能出現(xiàn)的各種信道條件進(jìn)行測(cè)試。如果未滿足所有測(cè)試條件，系統(tǒng)將無法通過認(rèn)證。

為了解決此問題，工程師可以使用仿真平臺(tái)提供環(huán)境，使得對(duì)所有潛在參數(shù)進(jìn)行的審核和針對(duì)其他系統(tǒng)進(jìn)行的評(píng)估比物理測(cè)試更輕松、更快捷、更可靠。得益于 MATLAB 和 Simulink 帶來的技術(shù)進(jìn)步，例如測(cè)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(jì)算在加速仿真中的應(yīng)用等，更快的測(cè)試方法在很大程度上是可能實(shí)現(xiàn)的。

當(dāng)然，多用戶 MIMO 和波束成形系統(tǒng)的有效性取決于準(zhǔn)確指向并連接目標(biāo)設(shè)備的能力。這需要 MATLAB 和 Simulink 等仿真平臺(tái)來簡(jiǎn)化驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)的工具來生成包括藍(lán)牙、5G、LTE 和 Wi-Fi 在內(nèi)的各種信號(hào)，還提供可視化和測(cè)試環(huán)境，使它們能夠在地圖上看到室內(nèi)和室外射頻傳播的影響。這將有助于它們確保多臺(tái)設(shè)備之間的連接準(zhǔn)確無誤。

泛在連接仍是現(xiàn)代世界的必備條件。這最終意味著仿真平臺(tái)也必須予以調(diào)整來滿足工程師的要求，因?yàn)樗麄冊(cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)必須能夠無縫地使用多種模式，包括衛(wèi)星、蜂窩和局域網(wǎng)，同時(shí)保持快速、安全和可靠的在線連接。

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