无线通信的未来--为无所不在的连接做好准备

为各地的人与万物建立连接一直是无线通信的主要目标。不论是人与人透过移动电话来沟通、车辆通讯（vehicle communication；V2X）平台协助车子进行交通顺序的协调，或者以物联网（Internet of Thins；IoT）装置来监控的智能工厂，现今的无线系统正在致力实现这些梦想。

这股力量代表着无所不在的连接 – 也就是能够无缝地使用卫星、蜂巢式网络、以及本地局域网络来维持快速、安全、且可靠的在线连接的系统?已经从可有可无，变成必须具备的功能。

对于打造这些科技的工程师而言，设计针对无所不在的连接而优化的无线系统所面临的挑战会随着系统所具备的功能而增加。这些挑战包含要确保装置符合系统的标准协议和装置的互操作性；整合了算法、天线、数组、RF收发器设计选择等多领域系统参数的优化；以及透过自动的空中测试和真实信道与减损模型进行硬件原型的设计验证。

很幸运地，现在已经有现成的技巧和最佳实践可以帮助工程师进行这些系统的设计、建模和测试，确保系统间的良好协作，提供企业和消费者无线通信的管道，甚至是真正无所不在的连接。

无线科技的演进

从技术上的观点来看，无所不在的概念并不是最近才诞生。然而，它的执行却一直面临到经济、技术、物理等方面的挑战。

以经济层面来说，存取点的数量在从前受到成本的限制，因此主要只保留给人口密度高的区域。高吞吐量的连接无法无缝地建构在各种的范围和距离上，而且每一项技术都得满足各自的利基市场。最后，在物理层面，每一个通讯链路还会因为其他使用了相同或邻近频谱的系统带来的干扰而受到限制。这使得各种系统之间的协调成为必要。

当现今的高阶无线系统已经克服了这其中的许多挑战?举例来说，低轨道（Low Earth Orbit；LEO）卫星的讯号能够在更远的距离提供更大吞吐量，比中轨道（Medium Earth Orbit；MEO）和地球静止轨道（Geostationary Orbit；GEO）对应起来更具成本效益 – 但其他的挑战却仍然存在。

比方说，5G、Wi-Fi和以卫星为基础的通讯装置，仰赖多用户的多输入多输出（multiple-input and multiple-output；MIMO）波束成形技术，以触及服务区域内的用户。MIMO和支持波束成形的装置被配置来传送和接收多重讯号，使工程师必须立即优化多重带宽的使用。然而，这需要对可用讯号空间进行持续的监控，还需要精确的调度、以及在连接的两端进行通道的建模和量测来建立两台装置的联机。

工程师在设计无所不在的连接时，通常上会将较小范围的通讯指定给Wi-Fi系统，较大范围的通讯指定给蜂巢式（cellular）系统。这些类型相异的网络可以一前一后地运行，因此举例来说，被发送到拥挤的蜂巢式服务区域的讯号可以卸除到Wi-Fi服务的网络，反之亦然。

蓝牙也在无所不在的连接中担当了关键角色。虽然它不是作为高吞吐量无线网络的一部分，蓝牙的低功耗以及其基本速率、增强数据传输速率使用的ISM频段、低功耗蓝牙标准，使其成为传送短距离讯号的理想平台。

工程师可以善用蓝牙提供的短距离讯号，因为它们最够显示这些装置是否需要连接到网络。或者，蓝牙也可以协助工程师节省带宽，当装置不需要联机到网络的时候可以维持在脱机状态。

为了确保这些类型的网络?大范围局域网络如卫星连接、4G和5G等行动网域网络、本地局域网络（Wi-Fi）、以及蓝牙等个人局域网络?都能够同步提供无所不在的连接，有必要进行大量的测试。

对于处理这些问题的工程师来说，透过模型建立和仿真来执行大量的测试，比执行在实时设备上更为理想，这时便清楚展现了大规模仿真平台的价值。

透过模拟协助达成无所不在的连接

解决无所不在连接的挑战，不仅需要工程师对于当今所有无线通信协议和标准之间的关系和相互干扰的了解，还需要进行标准之间的兼容性测试。

工程师可以使用大范围建模与模拟工具，如MATLAB与Simulink，进行系统设计、建立模型、测试、及在部署之前的分析，在建立物理装置之前便能趁早确保系统的可靠度。

举例来说，与每一个运作模式所关联的参数数量与复杂性会是蜂巢式网络系统开发的重大挑战之一。工程师需要了解，每一个参数都必须在各种可能发生于蜂巢式网络信道的条件下进行测试。如果不符合这所有的测试条件，系统则无法通过验证。

为了处理这项挑战，工程师可以使用仿真平台，它提供一个比实体测试更方便、更快速、更可靠的环境来检视所有潜在参数，并对这些参数进行与其他系统的评估。由于MATLAB和Simulink提供的各项先进技巧，像是用更简单的方式产生波形，以及使用自动产生C程序代码、藉由GPUs与平行运算来加快仿真速度，将更快速的测试方法化为可能。

当然，多用户MIMO与波束成形系统只在它们能够准确找到且链接到目标装置时有效。这时就需要像是MATLAB和Simulink的模拟平台来让验证精确定位的任务更加容易。这些解决方案不只提供工程师符合产业用标准的工具来产生个别的讯号，包含蓝牙、5G、LTE、与Wi-Fi，也提供了可视化和测试环境来协助工程师在地图上检视室内和室外的RF传播效应。这将帮助工程师确保多重装置链接的精确性。

无所不在的连接持续在当今世界占据必要角色。这代表模拟平台也会不断地适应调整，以保有其在工程师设计能够无缝使用卫星网络、行动网络、本地局域网络等许多形式的系统时的必要性，同时能够维持一个快速、安全、可靠的在线连接。

（本文由钛思科技提供；作者Houman Zarrinkoub为MathWorks公司首席无线产品经理）