發布日期：2022-07-14 點擊率：32
今天,北美、歐盟和亞太地區的管理機構正在聯手,以提供使用頻譜的新方法。新型無線電系統將繼續演化,最終要求在架構、電路和算法層面上進行意義重大的優化。
類似IEEE 這樣的方法正在通過增加現有標準的效率來提高數據速率；其它像超寬帶(UWB和WiMedia UWB應用的示波器軟件" target=_blank>UWB)和認知無線電等技術則訴諸更高蹈的戰略,譬如與其它用戶共享頻譜資源；而另一種將投入使用的方法由來已久,即轉向更高的、尚未使用的頻率,例如60GHz毫米波段。
通過增加效率達到Gbps水平相當困難,僅能適度增加無線帶寬,雖然這樣做毫無疑問會提高魯棒性；UWB的共享戰略通過嚴格限制發射功率才可以實現；認知無線電或許不會有這樣的限制,但它會持續感知頻譜環境,以便在必要的時候改變自身特性以規避干擾；另一方面,毫米波技術雖然可以在新的未授權波段內以高功率水平使用傳統無線電技術,但是如果想借助CMOS實現低成本的解決方案,就要求新的設計方法學。
本文將對上述各類方法進行比較,在下一代旨在實現吉比特無線聯網的無線設計中,這些方法很可能首當其沖。
下一代WLAN
IEEE 是流行的系列WLAN技術的擴展。它原本僅是作為使網絡數據吞吐量超越100 Mbps的增強型標準,現在卻包含了一整套技術,可以支持各種設備和應用,從單天線、低功耗的VoIP手持電話到擁有4個天線的高性能圖形工作站。目前,所有提供a/b/g產品的主要芯片廠商,都在進行技術的開發工作。此外,Airgo網絡公司在該領域還推出了一種與眾不同的多輸入多輸出(MIMO)方法。
IEEE期望能夠在2007年的3月至9月間成為一項正式標準。
為支持上述應用,規范在這種聯網堆棧的媒體存取控制層(MAC)和物理層(PHY)采用了多種數字和模擬技術。MAC技術的范圍從多接收器集合(以增加VoIP系統的效率并降低功耗)到面向海量數據傳輸的巨型幀支持。
PHY技術包括:用來增加無線鏈接頻譜效率的256進制正交調幅(256 QAM)、40MHz通道綁定以及單/多天線空間復用,以支持帶有1到4根天線的單輸入/單輸出和MIMO系統；其中最后這項是系統的關鍵優勢。
除這些功能外,還具備對前代系統(a/b/g WLAN)的支持。
包羅萬象的特點同時也是其最大的桎梏。為了支持各種不同的應用和舊有協議,系統必須支持各種混合特性,這無形中增加了實現的復雜性和成本。空間復用和MIMO系統顯著增加了處理信號所必需的芯片數量:從一根天線到支持新標準中的4根天線,這種增加將無線系統中某些部分的復雜性增加了64倍。
若想在無需大量占用新頻譜資源的條件下支持標準所提供的最大數據傳輸速率(高于500 Mbps),就需要提升香農定律的極限,將目前a和g系統中的2 bps/Hz的頻譜容量提升至16 bps/Hz。這將限制較高數據傳輸速率下的通信范圍和可達到的誤差率。
如果這樣的話,預計多數系統的實際吞吐量僅會達到100到200 Mbps。
超寬帶
UWB中包括一系列由美國聯邦通信委員會(FCC)批準的技術,可以在3.1-10.6 GHz間的7 GHz頻譜(與其它用戶共享)內傳輸極低功率的信號。UWB無線電實現的挑戰在于,如何充分利用其帶寬來提供高數據速率,同時確保這種解決方案與等技術相比具有更低的成本。
目前已經有兩種競爭的UWB方案獲得了發展,其中一種方法基于跳頻正交頻分復用(OFDM),與a/g系統有許多相似的特性；另一種從根本上講是新方法,它使用脈沖信號取代正弦波來發送數據。
OFDM的一個主要挑戰是它的總體復雜性與目前的系統相當,這意味著想要大幅降低成本和功耗不太可能。另一方面,脈沖無線電使用一個簡單的脈沖發生器驅動天線,并且發射一個通帶脈沖(passband pulse),寬帶天線和可能采用的帶通濾波器決定了該脈沖的形狀。
直接序列UWB方案使用對映信令(antipodal signaling)或脈位調制(PPM),具有更低的線性度要求,但是考慮到該方法缺少可擴展性,WiMedia聯盟等大型行業組織已經拒絕使用該方法。
各種不同方案間的競爭引發了IEEE標準的困境,從而導致UWB產品問世時間的推遲。雖然利用簡單的無線電傳輸數百兆數據的前景十分誘人,但是如果想要達到Gbps的鏈接速率,其過低的發射功率僅能提供極其有限的傳輸范圍。
雖然現在全世界僅有美國使用UWB,而且應用范圍也僅限于短距離鏈接,但是旨在放松其管制的各種努力卻在進行之中,而且許多公司都大力支持該項技術。同樣,在一系列可行的應用領域中,UWB開始嶄露頭角。另外,隨著人們對脈沖無線電實現的不斷了解,或許人們可能發現一條可擴展的低成本實現之路。
認知無線電
認知無線電的支持理念是通過感知頻率、時間和空間域等頻譜環境實現頻譜共享,然后在閑置維度進行傳輸。這種新的無線電功能將涉及多種新的模擬和數字信號處理技術,以完成必需的時變頻譜感知、寬帶頻率捷變(wideband-frequency agility)和空間辨別。為了將認知無線電的作用發揮到及至,人們很期待它能夠在UWB所使用的3-10GHz頻段內進行操作,但是想要FCC對此做出任何決定恐怕需要很長的時間。
但是無論如何,我們仍有希望看到FCC最終做出這樣的決定,因為FCC現在正在通過一項“規則制定進程”,新的進程或許會允許認知無線電中某些有限的形式在400-800MHz的數字電視頻段上得以運行。
使用功耗水平合理的寬帶寬所帶來的優勢,可能最終會為達到Gbps數據傳輸速率提供一條途徑。
就如目前人們還不知道如何才能最好地實現脈沖無線電一樣,在實現認知無線電方面也仍有許多有待學習的地方,例如如何可靠地規避主用戶,從而使第二用戶不被弱化。IEEE去年底在美國的巴爾的摩市召開了DySpan 2005大會,首次聚焦此類無線電技術。
毫無疑問,這昭示著一種頻譜使用新方法的開始。
雖然目前尚有許多有關認知無線電的管理工作要做,但是在毫米波頻段,該項工作已經展開。特別值得一提的是,這里存在一個實質上空閑且未授權的頻段,范圍從57到66GHz。未被使用的部分原因是由于頻率在60 GHz時會被氧氣吸收,所以亞洲、歐洲和美州的管理者都允許用數十到數百瓦的等效全向輻射功率(EIPR)進行無線發射。寬帶寬和高允許發射功率潛在地使多千兆位無線傳輸成為可能,雖然在低成本的千兆鏈接實現以前,幾個關鍵性的問題必須得以解決。
歷來,毫米波器件僅在昂貴的大型化合物半導體中可行,例如磷化銦和砷化鎵,這限制了其在成本僅為上百或數千美元無線電中的使用。為了使其獲得廣泛認同,以低成本技術(即CMOS)實現毫米波電路是必由之路。
最近,伯克利無線研究中心(一家研究聯盟)與加州大學伯克利分校的合作研究結果顯示,130納米CMOS具有足夠的性能,可以用于60 GHz的集成無線電方案。另外,研究人員發現利用片上發射線能催生一個可被高度復制的設計方法學。
許多人還相信,毫米波的特性會給高數據速率無線通信造成一種非常困難的傳播環境。雖然氧氣吸收導致了15dB/千米的損耗,但是在100米時,損耗只有,所以對室內應用來說,氧氣吸收所造成的損耗可以忽略不計。
除氧氣吸收以外,人們相信還有另一個損耗:它與頻率的平方成比例,可以由富萊斯(Friis)路徑損耗公式推出。這種“損耗”歸結于另一個因素:如果使用像半波長偶極子這樣的全向天線,當頻率增加時,天線的有效面積隨頻率平方的增加成比例縮小。換句話說,如果天線的覆蓋面積保持不變,那么說明路徑損耗沒有增加。事實上,這里存在一個會隨頻率平方而增加的“增益”,因為天線(覆蓋面積大于半波偶極子)是有方向的,它將帶有一個無源增益。
例如,一個有效面積是1平方英寸的60GHz天線,它的增益大約會是25 dB,但是該增益卻以高度的方向性為代價。這意味著,如果想充分發揮毫米波無線電的潛能,就需要一個能夠精確定位的解決方案。
無線技術的進步為可靠性增強的超高數據速率傳輸提供了可能,并且可以更好地利用無線頻譜資源。上面所介紹的每項技術,都有各自性能上的優勢,也擁有各自不同的缺陷,這些缺陷必須予以克服。
但是我們很清楚地看到,為了達到更高數據速率鏈接應用的要求,也就是實現超越Gbps的目標,最終會出現一個整合了上述部分或全部方法的解決方案。
作者:Robert W. Brodersen
加州大學伯克利無線研究中心聯合總監
