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下一代无线网:从千兆WiFi到White Space

发布时间: 2018-11-09 点击量: 254
无线技术是一种独一无二的技术。尽管无线技术的历史超过一百年,但是它的发展从未停止。而且所有过去,现在和未来的改进都源于一个最根本的的进程:更好的工程设计可以更有效利用空间和时间。 各种新的无线技术层出不穷:802.11ac承诺单个接入点的传输速度为1G/秒;LTE-A也力求为带有本地设备-设备直接通信的完全移动宽带开拓一条道路;智能频谱的再利用减轻了带宽压力。而且,兆兆位系统结合了原有理念的创新式再利用,可以带来更好的服务。 无线技术的历史 首个被应用到实践中的无线信号是摩斯密码,它极易受到覆盖范围内其他信号的干扰。 调谐(Tuning)技术可以让多种信号共享频谱;更好的天线意味着相同频率可被重复利用,而且不会产生干扰;振幅和频率的调整意味着每个信号携带的信息量更大。 无线技术的最大突破是晶体管的胜利。从50年代开始,摩尔定律就一直赋予工程师用最小的代价做最多工作的能力。无线技术更是如此。所有现代技术,如802.11ac,LTE和60GHz都是把多种跨频率和空间路径的频道结合起来;同一时间处理多个频道是目前平行吉比特晶体管芯片架构的理想任务。 这同样适用于SDR(Software-Defined Radio),SDR依赖快速处理器以数学方式重复原本由专门电路完成的信号处理。这意味着单个SDR只需改变编程就能管理多项标准,这就不由得引起人们猜测一个芯片或将可以处理三类无线技术——PAN,LAN和WAN。不过,从经济角度来说有些不合算。 未来的LAN 下一代无线LAN技术802.11ac将在2014年获批。它是建立的理念在其之前的802.11n之上,802.11n将MIMO引入市场。通过在相同频道上运行多个转换器和接收器,MIMO利用每个转换器/接收器之间的细微时差创建平行频道。 60GHz 801.11ad 的传输量很大,但是其范围还是有限,而且不能穿透墙体或窗户;它很可能出现在支持2.4GHz和5GHz标准的三频段设备中。 802.11n标准指定了四个平行的空间信道,信道设置的最大值为40MHz;802.11ac将数值增加到了最小80MHz和可选160MHz。它还使用更有效方式把数据编写到传输通道:不过,与理论最大值已经非常接近——香农极限(Shannon Limit)——未来的改进或许源自更宽的信道。 60GHz是继802.11b 2.4GHz和802.11a/n/ac 5GHz之后可用于wifi技术的第三个主流波段。尽管准确的频率分配因国家不同而不同,但是所推荐的标准拥有四个信道,每个都有2.16GHz的带宽。在MIMO上,空间信道由波束成形或AAS创建——Adaptive Antenna Steering。60GHz的天线非常小,大概两毫米长。所以可以很容易地创建密集阵列,并对其进行配置,使之可以创建出动态的紧凑的波束,以便追踪移动的设备。60GHz wifi技术以802.11ad闻名,由无线吉比特联盟推广,旨在提供7Gbps的传输速度,不过其传输范围只有10米,而且不能穿透墙体和窗户。标准将回到802.11ac或更慢的速度。 60GHz 802.11ad的使用案例 目前,实验得到的最快频率是240GHz,在此波段,Fraunhofer 研究所和其他德国研究者通过Millilink项目已经在一公里的距离里达到了40Gbps的速度。他们有望使用多频道技术将其扩展到Tb范围,这样一来,该技术就可以取代光纤连接,而且可以提供长距离传输。不过,和光纤不同,在大雨天,它所受影响比较大。 未来的WAN 人们在逐步开发LTE技术,因为此技术可使用近20个不同频段提供100Mbps的速度。尽管很多运营商都在做4G业务,但是它并不成熟:LTE-A像一把伞涵盖了各种想提供第四代移动宽带的意向。 类似的想法包括802.11ac中用过的平行概念,具备八道MIMO,可上下调节波段,自动配置,带宽管理以及高级编码。一个单独的全频谱基站就可以提供10Gbps的传输速度,而且还被分成不同部分;LTE-A吸收了已失败第一代WiMAX端到端标准的所有精髓。 首个LTE-A网络正在部署中,但它不是全频谱的。 小型蜂窝 如果用户消耗大量带宽,那么具备较少高容量桅杆的蜂窝无线不能随用户的高密度进行扩展。 小型蜂窝(转发器负责5-250位用户的蜂窝)有望解决此问题。最小的变体是家庭基站(Femtocell),目前这种蜂窝是用到家庭中。而微微蜂窝(Picocell) 则用于办公室,迷你蜂窝应用于校园。回程连接(Backhaul)——蜂窝到电话系统的连接——背负着建筑物原有的互联网连接。 部署足量小型蜂窝的主要问题是向政治商业案例提供和技术案例一样的额外带宽。可通过频段占用传感,中央数据库协调和SON架构中蜂窝间的直接协调来实现频率分配,且不与其他蜂窝产生干扰。不过,与注册手机白名单相反,一旦小型蜂窝向公众开放,谁为回程带宽付费则成了一个问题。 LTE-D LTE-D介于PAN和WAN之间。它使用兼容LTE的协议和频率,但却是用于设备到设备的通信。每个设备都会建立一个持续更新的可通话设备映射,而且可以通过本地LTE基站建立通话,所以不再需要电话或用户端的不明地址。 购物广场的LTE-D模拟图:标成蓝色的用户与测试对象和附近的小商店可进行直接的设备到设备的通讯,小商店可以向目标客户发送广告信息。 White Space White Space是无线WAN最近的一项创新,尽管它也表现出向更传统系统的趋同演化。 叠加(Overlaying)所有现有频率,White Space可使用智能网络来感知,分析,配置和使用可分配到其他暂不使用服务的频道。这样可带来高效,长距离传输的带宽。最有可能应用到的领域是农村宽带和低速高密度物联网,因为在这种网络中个,距离和传感器平均每秒向中央控制器发回数以百计比特,而且也接收同样慢的命令。 White Space在发展中国家的应用很有前景,因为发展中国家已分配频段的占用情况要少得多,而且其现有架构中的农村人口也非常可观。谷歌SkyNet就是一个非常引人注目的概念,它主张使用有线抗干扰罩和White Space系统大片区域提供人们负担得起的无线网络。飞行广播转换器可以追溯到上世纪20年代;而它现在的技术创新是在长期无人的轻航平台上结合低能耗,高带宽和长时照明。 从更长远来看 从自动驾驶汽车到前线无人机,自动化的交通工具将更需要无线架构,而且所需的可靠性和连接保障也更多。研究着眼于以新的方式重新利用现有架构:例如,一个移动手机网络可用作雷达系统的组件;使用短而快数据包的密集型端到端网络可提供二级连接矩阵,这样的矩阵抗干扰能力强。它能把全球的带宽提升到新高度,使无人驾驶客机成为可能。 无线技术改变世界的脚步并未停止。
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