環(huán)球看點！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)都在逐漸使這些夢想變?yōu)楝F(xiàn)實。

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)計針對泛在連接而優(yōu)化的無線系統(tǒng)的挑戰(zhàn)也隨之增長。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)計選擇的多域系統(tǒng)參數(shù)；以及用自動無線測試和真實的信道和損傷模型來驗證硬件原型的設(shè)計。

幸運的是，工程師可以使用現(xiàn)有技術(shù)和最佳做法對這些系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計、建模和測試，確保它們能夠協(xié)作工作，不僅為商業(yè)客戶和普通消費者提供無線接入，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，其實現(xiàn)仍是一項挑戰(zhàn)。從經(jīng)濟(jì)角度來說，接入點的數(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。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通信鏈路受到限制。這使得必須對各種系統(tǒng)之間進(jìn)行協(xié)調(diào)。

雖然現(xiàn)代高級無線系統(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)送和接收多個信號，這就要求工程師必須同時優(yōu)化多個頻帶的使用。然而，這需要持續(xù)監(jiān)控可用信號空間和精確調(diào)度，以及在連接兩個設(shè)備的鏈路兩端進(jìn)行信道建模和測量。

在設(shè)計泛在連接時，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，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(lán)牙提供的短程信號，因為它們最能表明設(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。對于處理這些問題的工程師來說，通過建模和仿真比使用現(xiàn)場設(shè)備更好進(jìn)行廣泛的測試。因此，大型仿真平臺的價值得以凸顯。

仿真如何幫助工程師實現(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 在部署前對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計、建模、測試和分析，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，一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是處理與每種運營模式相關(guān)聯(lián)的參數(shù)數(shù)目和復(fù)雜性。工程師需要明白，每個參數(shù)都需要針對典型蜂窩網(wǎng)絡(luò)中可能出現(xiàn)的各種信道條件進(jìn)行測試。如果未滿足所有測試條件，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提供環(huán)境，使得對所有潛在參數(shù)進(jìn)行的審核和針對其他系統(tǒng)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 帶來的技術(shù)進(jìn)步，例如測試波形生成的簡易性、自動 C 代碼生成的使用、GPU 和并行計算在加速仿真中的應(yīng)用等，更快的測試方法在很大程度上是可能實現(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 等仿真平臺來簡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(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，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(nèi)和室外射頻傳播的影響。這將有助于它們確保多臺設(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也必須予以調(diào)整來滿足工程師的要求，因為他們設(shè)計的系統(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)，同時保持快速、安全和可靠的在線連接。

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