ay: block;">隨著消費(fèi)者對(duì)高品質(zhì)的多媒體、語(yǔ)音和數(shù)據(jù)等服務(wù)需求的增加,以及通信技術(shù)本身要求的上升,對(duì)千兆位速率和更長(zhǎng)距離鏈接的需求變得迫在眉睫。面對(duì)這些,我們?cè)撊绾螒?yīng)對(duì)？
今天,北美、歐盟和亞太地區(qū)的管理機(jī)構(gòu)正在聯(lián)手,以提供使用頻譜的新方法。新型無(wú)線電系統(tǒng)將繼續(xù)演化,最終要求在架構(gòu)、電路和算法層面上進(jìn)行意義重大的優(yōu)化。
類似IEEE 這樣的方法正在通過(guò)增加現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的效率來(lái)提高數(shù)據(jù)速率；其它像超寬帶(UWB和WiMedia UWB應(yīng)用的示波器軟件" target=_blank>UWB)和認(rèn)知無(wú)線電等技術(shù)則訴諸更高蹈的戰(zhàn)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(lái)已久,即轉(zhuǎn)向更高的、尚未使用的頻率,例如60GHz毫米波段。
通過(guò)增加效率達(dá)到Gbps水平相當(dāng)困難,僅能適度增加無(wú)線帶寬,雖然這樣做毫無(wú)疑問(wèn)會(huì)提高魯棒性；UWB的共享戰(zhàn)略通過(guò)嚴(yán)格限制發(fā)射功率才可以實(shí)現(xiàn)；認(rèn)知無(wú)線電或許不會(huì)有這樣的限制,但它會(huì)持續(xù)感知頻譜環(huán)境,以便在必要的時(shí)候改變自身特性以規(guī)避干擾；另一方面,毫米波技術(shù)雖然可以在新的未授權(quán)波段內(nèi)以高功率水平使用傳統(tǒng)無(wú)線電技術(shù),但是如果想借助CMOS實(shí)現(xiàn)低成本的解決方案,就要求新的設(shè)計(jì)方法學(xué)。
本文將對(duì)上述各類方法進(jìn)行比較,在下一代旨在實(shí)現(xiàn)吉比特?zé)o線聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線設(shè)計(jì)中,這些方法很可能首當(dāng)其沖。
下一代WLAN
IEEE 是流行的系列WLAN技術(shù)的擴(kuò)展。它原本僅是作為使網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)吞吐量超越100 Mbps的增強(qiáng)型標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)在卻包含了一整套技術(shù),可以支持各種設(shè)備和應(yīng)用,從單天線、低功耗的VoIP手持電話到擁有4個(gè)天線的高性能圖形工作站。目前,所有提供a/b/g產(chǎn)品的主要芯片廠商,都在進(jìn)行技術(shù)的開(kāi)發(fā)工作。此外,Airgo網(wǎng)絡(luò)公司在該領(lǐng)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(xiàng)正式標(biāo)準(zhǔn)。
為支持上述應(yīng)用,規(guī)范在這種聯(lián)網(wǎng)堆棧的媒體存取控制層(MAC)和物理層(PHY)采用了多種數(shù)字和模擬技術(shù)。MAC技術(shù)的范圍從多接收器集合(以增加VoIP系統(tǒng)的效率并降低功耗)到面向海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)木扌蛶С帧?
PHY技術(shù)包括:用來(lái)增加無(wú)線鏈接頻譜效率的256進(jìn)制正交調(diào)幅(256 QAM)、40MHz通道綁定以及單/多天線空間復(fù)用,以支持帶有1到4根天線的單輸入/單輸出和MIMO系統(tǒng)；其中最后這項(xiàng)是系統(tǒng)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。
除這些功能外,還具備對(duì)前代系統(tǒng)(a/b/g WLAN)的支持。
包羅萬(wàn)象的特點(diǎn)同時(shí)也是其最大的桎梏。為了支持各種不同的應(yīng)用和舊有協(xié)議,系統(tǒng)必須支持各種混合特性,這無(wú)形中增加了實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性和成本?？臻g復(fù)用和MIMO系統(tǒng)顯著增加了處理信號(hào)所必需的芯片數(shù)量:從一根天線到支持新標(biāo)準(zhǔn)中的4根天線,這種增加將無(wú)線系統(tǒng)中某些部分的復(fù)雜性增加了64倍。
若想在無(wú)需大量占用新頻譜資源的條件下支持標(biāo)準(zhǔn)所提供的最大數(shù)據(jù)傳輸速率(高于500 Mbps),就需要提升香農(nóng)定律的極限,將目前a和g系統(tǒng)中的2 bps/Hz的頻譜容量提升至16 bps/Hz。這將限制較高數(shù)據(jù)傳輸速率下的通信范圍和可達(dá)到的誤差率。
如果這樣的話,預(yù)計(jì)多數(shù)系統(tǒng)的實(shí)際吞吐量?jī)H會(huì)達(dá)到100到200 Mbps。
超寬帶
UWB中包括一系列由美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)批準(zhǔn)的技術(shù),可以在3.1-10.6 GHz間的7 GHz頻譜(與其它用戶共享)內(nèi)傳輸極低功率的信號(hào)。UWB無(wú)線電實(shí)現(xiàn)的挑戰(zhàn)在于,如何充分利用其帶寬來(lái)提供高數(shù)據(jù)速率,同時(shí)確保這種解決方案與等技術(shù)相比具有更低的成本。
目前已經(jīng)有兩種競(jìng)爭(zhēng)的UWB方案獲得了發(fā)展,其中一種方法基于跳頻正交頻分復(fù)用(OFDM),與a/g系統(tǒng)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(hào)取代正弦波來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)。
OFDM的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是它的總體復(fù)雜性與目前的系統(tǒng)相當(dāng),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(wú)線電使用一個(gè)簡(jiǎn)單的脈沖發(fā)生器驅(qū)動(dòng)天線,并且發(fā)射一個(gè)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(duì)映信令(antipodal signaling)或脈位調(diào)制(PPM),具有更低的線性度要求,但是考慮到該方法缺少可擴(kuò)展性,WiMedia聯(lián)盟等大型行業(yè)組織已經(jīng)拒絕使用該方法。
各種不同方案間的競(jìng)爭(zhēng)引發(fā)了IEEE標(biāo)準(zhǔn)的困境,從而導(dǎo)致UWB產(chǎn)品問(wèn)世時(shí)間的推遲。雖然利用簡(jiǎn)單的無(wú)線電傳輸數(shù)百兆數(shù)據(jù)的前景十分誘人,但是如果想要達(dá)到Gbps的鏈接速率,其過(guò)低的發(fā)射功率僅能提供極其有限的傳輸范圍。
雖然現(xiàn)在全世界僅有美國(guó)使用UWB,而且應(yīng)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(jìn)行之中,而且許多公司都大力支持該項(xiàng)技術(shù)。同樣,在一系列可行的應(yīng)用領(lǐng)域中,UWB開(kāi)始嶄露頭角。另外,隨著人們對(duì)脈沖無(wú)線電實(shí)現(xiàn)的不斷了解,或許人們可能發(fā)現(xiàn)一條可擴(kuò)展的低成本實(shí)現(xiàn)之路。
認(rèn)知無(wú)線電
認(rèn)知無(wú)線電的支持理念是通過(guò)感知頻率、時(shí)間和空間域等頻譜環(huán)境實(shí)現(xiàn)頻譜共享,然后在閑置維度進(jìn)行傳輸。這種新的無(wú)線電功能將涉及多種新的模擬和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù),以完成必需的時(shí)變頻譜感知、寬帶頻率捷變(wideband-frequency agility)和空間辨別。為了將認(rèn)知無(wú)線電的作用發(fā)揮到及至,人們很期待它能夠在UWB所使用的3-10GHz頻段內(nèi)進(jìn)行操作,但是想要FCC對(duì)此做出任何決定恐怕需要很長(zhǎng)的時(shí)間。
但是無(wú)論如何,我們?nèi)杂邢Ｍ吹紽CC最終做出這樣的決定,因?yàn)镕CC現(xiàn)在正在通過(guò)一項(xiàng)“規(guī)則制定進(jìn)程”,新的進(jìn)程或許會(huì)允許認(rèn)知無(wú)線電中某些有限的形式在400-800MHz的數(shù)字電視頻段上得以運(yùn)行。
使用功耗水平合理的寬帶寬所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì),可能最終會(huì)為達(dá)到Gbps數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)脈沖無(wú)線電一樣,在實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無(wú)線電方面也仍有許多有待學(xué)習(xí)的地方,例如如何可靠地規(guī)避主用戶,從而使第二用戶不被弱化。IEEE去年底在美國(guó)的巴爾的摩市召開(kāi)了DySpan 2005大會(huì),首次聚焦此類無(wú)線電技術(shù)。
毫無(wú)疑問(wèn),這昭示著一種頻譜使用新方法的開(kāi)始。
雖然目前尚有許多有關(guān)認(rèn)知無(wú)線電的管理工作要做,但是在毫米波頻段,該項(xiàng)工作已經(jīng)展開(kāi)。特別值得一提的是,這里存在一個(gè)實(shí)質(zhì)上空閑且未授權(quán)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(shí)會(huì)被氧氣吸收,所以亞洲、歐洲和美州的管理者都允許用數(shù)十到數(shù)百瓦的等效全向輻射功率(EIPR)進(jìn)行無(wú)線發(fā)射。寬帶寬和高允許發(fā)射功率潛在地使多千兆位無(wú)線傳輸成為可能,雖然在低成本的千兆鏈接實(shí)現(xiàn)以前,幾個(gè)關(guān)鍵性的問(wèn)題必須得以解決。
歷來(lái),毫米波器件僅在昂貴的大型化合物半導(dǎo)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(shù)千美元無(wú)線電中的使用。為了使其獲得廣泛認(rèn)同,以低成本技術(shù)(即CMOS)實(shí)現(xiàn)毫米波電路是必由之路。
最近,伯克利無(wú)線研究中心(一家研究聯(lián)盟)與加州大學(xué)伯克利分校的合作研究結(jié)果顯示,130納米CMOS具有足夠的性能,可以用于60 GHz的集成無(wú)線電方案。另外,研究人員發(fā)現(xiàn)利用片上發(fā)射線能催生一個(gè)可被高度復(fù)制的設(shè)計(jì)方法學(xué)。
許多人還相信,毫米波的特性會(huì)給高數(shù)據(jù)速率無(wú)線通信造成一種非常困難的傳播環(huán)境。雖然氧氣吸收導(dǎo)致了15dB/千米的損耗,但是在100米時(shí),損耗只有,所以對(duì)室內(nèi)應(yīng)用來(lái)說(shuō),氧氣吸收所造成的損耗可以忽略不計(jì)。
除氧氣吸收以外,人們相信還有另一個(gè)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(jié)于另一個(gè)因素:如果使用像半波長(zhǎng)偶極子這樣的全向天線,當(dāng)頻率增加時(shí),天線的有效面積隨頻率平方的增加成比例縮小。換句話說(shuō),如果天線的覆蓋面積保持不變,那么說(shuō)明路徑損耗沒(méi)有增加。事實(shí)上,這里存在一個(gè)會(huì)隨頻率平方而增加的“增益”,因?yàn)樘炀€(覆蓋面積大于半波偶極子)是有方向的,它將帶有一個(gè)無(wú)源增益。
例如,一個(gè)有效面積是1平方英寸的60GHz天線,它的增益大約會(huì)是25 dB,但是該增益卻以高度的方向性為代價(jià)。這意味著,如果想充分發(fā)揮毫米波無(wú)線電的潛能,就需要一個(gè)能夠精確定位的解決方案。
無(wú)線技術(shù)的進(jìn)步為可靠性增強(qiáng)的超高數(shù)據(jù)速率傳輸提供了可能,并且可以更好地利用無(wú)線頻譜資源。上面所介紹的每項(xiàng)技術(shù),都有各自性能上的優(yōu)勢(shì),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(dá)到更高數(shù)據(jù)速率鏈接應(yīng)用的要求,也就是實(shí)現(xiàn)超越Gbps的目標(biāo),最終會(huì)出現(xiàn)一個(gè)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(xué)伯克利無(wú)線研究中心聯(lián)合總監(jiān)
