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作者：Houman Zarrinkoub 博士，MathWorks 首席無線產品經理 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。無論是人們使用手機交流，車輛通信 (V2X) 平臺幫助汽車在交通中轉彎，還是物聯網 (IoT) 設備監控智能工廠，今天的無線系統都在逐漸使這些夢想變為現實。 這種強大的力量意味著泛在連接 - 能夠無縫使用衛星、蜂窩和局域網來維持快速、安全和可靠的在線連接的系統 - 不再是“最好具備”的功能，而是“必備”的功能。 對于構建這些技術的工程師來說，隨著泛在連接能力的增強，設計針對泛在連接而優化的無線系統的挑戰也隨之增長。其中包括確保設備符合系統和設備互操作性的標準協議；優化用于集成算法、天線、陣列和射頻收發機設計選擇的多域系統參數；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計。 幸運的是，工程師可以使用現有技術和最佳做法對這些系統進行設計、建模和測試，確保它們能夠協作工作，不僅為商業客戶和普通消費者提供無線接入，還提供真正的泛在連接。 無線技術的發展 從技術角度來看，泛在連接的概念并非新生事物。然而，由于經濟、技術和物理等各方面的原因，其實現仍是一項挑戰。從經濟角度來說，接入點的數量歷來受到成本的限制，主要部署在高密度人群區域。高吞吐量鏈路無法在各種范圍和距離內無縫構建，每種技術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之間進行協調。 雖然現代高級無線系統已克服其中許多挑戰，例如，低地球軌道 (LEO) 衛星比中地球軌道 (MEO) 和地球靜止軌道 (GEO) 衛星更具成本效益，其信號能夠提供遠距離的大吞吐量，但其他挑戰仍存在。 例如，5G、Wi-Fi和基于衛星的通信設備依賴多用戶多輸入多輸出 (MIMO) 波束成形技術到達服務區域中的用戶。支持 MIMO 和波束成形的設備能夠發送和接收多個信號，這就要求工程師必須同時優化多個頻帶的使用。然而，這需要持續監控可用信號空間和精確調度，以及在連接兩個設備的鏈路兩端進行信道建模和測量。 在設計泛在連接時，工程師通常指定 Wi-Fi 系統用于短程通信，蜂窩系統用于遠程通信。這些異構類型的網絡可以關聯式工作，例如，發送到擁擠的蜂窩服務區域的信號可以將工作負載分散到 Wi-Fi 服務網絡，反之亦然。 藍牙在泛在連接中也發揮著作用。雖然藍牙不屬于高吞吐量無線網絡，但鑒于其基本速率、增強數據速率和低功耗藍牙標準的低功耗和 ISM 頻帶使用等特點，該平臺成為發送短程信號的理想選擇。工程師可以使用藍牙提供的短程信號，因為它們最能表明設備是否需要連接到 Internet。藍牙也可以幫助工程師節省帶寬，并在設備不需要連接時保持設備離線。 確保這些類型的網絡（衛星鏈路等寬域網、4G 和 5G 等蜂窩廣域網、局域網 (Wi-Fi) 和藍牙等個人局域網）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場設備更好進行廣泛的測試。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泛在連接 要解決泛在連接帶來的挑戰，工程師不僅要了解當今所有無線通信協議和標準之間的關系和干擾，還要測試這些標準之間的兼容性。 工程師可以使用大型建模和仿真工具，如使用 MATLAB 和 Simulink 在部署前對系統進行設計、建模、測試和分析，確保其系統早在構建物理設備之前就具有可靠性。 例如，當開發蜂窩網絡系統時，一個關鍵挑戰是處理與每種運營模式相關聯的參數數目和復雜性。工程師需要明白，每個參數都需要針對典型蜂窩網絡中可能出現的各種信道條件進行測試。如果未滿足所有測試條件，系統將無法通過認證。 為了解決此問題，工程師可以使用仿真平臺提供環境，使得對所有潛在參數進行的審核和針對其他系統進行的評估比物理測試更輕松、更快捷、更可靠。得益于 MATLAB 和 Simulink 帶來的技術進步，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用等，更快的測試方法在很大程度上是可能實現的。 當然，多用戶 MIMO 和波束成形系統的有效性取決于準確指向并連接目標設備的能力。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。這些解決方案不僅為工程師提供符合行業標準的工具來生成包括藍牙、5G、LTE 和 Wi-Fi 在內的各種信號，還提供可視化和測試環境，使它們能夠在地圖上看到室內和室外射頻傳播的影響。這將有助于它們確保多臺設備之間的連接準確無誤。 泛在連接仍是現代世界的必備條件。這最終意味著仿真平臺也必須予以調整來滿足工程師的要求，因為他們設計的系統必須能夠無縫地使用多種模式，包括衛星、蜂窩和局域網，同時保持快速、安全和可靠的在線連接。 |
