RF通信技術(shù)發(fā)展近況 - 全文

　　移動應(yīng)用的無線射頻技術(shù)需求度高，整合新的調(diào)制技術(shù)是提高傳輸效率以及抗干擾的最大手段。雖然不是每一種無線射頻標準都有超高的帶寬需求，因此在調(diào)制與擴頻技術(shù)要求上也各有不同。

　　一、擴頻技術(shù)

　　擴頻技術(shù)的無線局域網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品是依據(jù)FCC（Federal Communications Committee；美國聯(lián)邦通訊委員會）規(guī)定的ISM（Industrial Scientific， and Medical），頻率范圍開放在902～928MHz及2.4～2.484GHz兩個頻段，所以并沒有所謂使用授權(quán)的限制。擴頻技術(shù)主要又分為“跳頻技術(shù)”及“直接序列”兩種方式。而此兩種技術(shù)是在第二次世界大戰(zhàn)中軍隊所使用的技術(shù)，其目的是希望在惡劣的戰(zhàn)爭環(huán)境中，依然能保持通信信號的穩(wěn)定性及保密性。

　　近代的擴頻技術(shù)則朝向商業(yè)用途發(fā)展，主要的目的是完成分碼多重存?。╟ode division multiple access， CDMA ）技術(shù)以取代之前的分頻多重存?。╢requency division multiple access， FDMA ）及分時多重存?。╰ime division multiple access， TDMA）。比較嚴格的擴頻定義包含兩個部分。其一，經(jīng)由擴頻調(diào)制之后，其傳送信號帶寬應(yīng)遠大于原始未做展頻調(diào)制之信號帶寬其二，頻譜之展開是由于傳輸端采用了一個獨特的碼（code），此碼與傳送數(shù)據(jù)是無關(guān)的，接收端必須使用這個獨特的編碼才能解開展頻，并且獲得傳輸端的數(shù)據(jù)。

　　早期擴頻被軍方所采用，是因為擴頻后，單位頻率的功率值降低，截收者不易通過頻譜分析儀獲得敵方通訊的信息；即使電波被接收了，由于截收者不知道展頻碼的內(nèi)涵，因此無法回復(fù)編碼的信息。所以擴頻通訊亦具有簡單的保密通訊能力。通過擴頻信號的自相關(guān)特性可以改善多路徑干擾所造成通訊質(zhì)量惡化的現(xiàn)象。利用此技術(shù)可完成分碼多任務(wù)通訊，此性質(zhì)已用于蜂巢式移動電話，我們稱為分碼多任務(wù)或分碼多任務(wù)存取技術(shù)，采用擴頻技術(shù)，多個使用者能夠借此獲得更大的可使用帶寬，對于以基地臺為信號傳輸方式的帶寬共享式移動寬帶標準而言，是非常有用的技術(shù)。

　　1、跳頻技術(shù) （FHSS）

　　跳頻技術(shù)（Frequency-Hopping Spread Spectrum； FHSS）在同步、且同時的情況下，接受兩端以特定型式的窄頻載波來傳送信號，對于一個非特定的接受器，F(xiàn)HSS所產(chǎn)生的跳動信號對它而言，也只算是脈沖噪訊。FHSS所展開的信號可依特別設(shè)計來規(guī)避噪訊或One-to-Many的非重復(fù)的頻道，并且這些跳頻信號必須遵守FCC的要求，使用75個以上的跳頻信號、且跳頻至下一個頻率的最大時間間隔（Dwell Time）為400ms。

　　2、直接序列展頻技術(shù) （DSSS）

　　直接序列擴頻技術(shù)（Direct Sequence Spread Spectrum； DSSS）是將原來的信號“1”或“0”，利用10個以上的chips來代表“1”或“0”位，使得原來較高功率、較窄的頻率變成具有較寬帶的低功率頻率。而每個bit使用多少個chips稱做Spreading chips，一個較高的Spreading chips可以增加抗噪訊干擾，而一個較低Spreading Ration可以增加用戶的使用人數(shù)?；旧?，在DSSS的Spreading Ration是相當少的，例如在幾乎所有2.4GHz的無線局域網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品所使用的Spreading Ration皆少于20。而在IEEE802.11的標準內(nèi)，其Spreading Ration大約在100左右。

　　3、 FHSS與 DSSS調(diào)制差異

　　無線局域網(wǎng)絡(luò)在性能和能力上的差異，主要是取決于所采用的是FHSS還是DSSS來實現(xiàn)、以及所采用的調(diào)制方式。然而調(diào)制方式的選擇并不完全是隨意的，像FHSS并不強求某種特定的調(diào)制方式，而且，大部份既有的FHSS都是使用某些不同形式的GFSK，但是，IEEE 802.11草案規(guī)定要使用GFSK。至于DSSS則過使用可變相位調(diào)制（如PSK、QPSK、DQPSK），可以得到最高的可靠性以及表現(xiàn)高數(shù)據(jù)傳輸性能。

　　在抗噪訊能力方面，采用QPSK調(diào)制方式的DSSS與采用FSK調(diào)制方式的FHSS相比，可以發(fā)現(xiàn)這兩種不同技術(shù)的無線局域網(wǎng)絡(luò)各自擁有的優(yōu)勢。FHSS系統(tǒng)之所以選用FSK調(diào)制方式的原因是因為FHSS和FSK內(nèi)在架構(gòu)的簡單性，F(xiàn)SK無線信號可使用非線性功率放大器，但這卻犧牲了作用范圍和抗噪訊能力。而DSSS系統(tǒng)需要稍為昂貴些的線性放大器，但卻可以獲得更多的回饋。

　　4、 DSSS與FHSS之優(yōu)劣

　　截至目前，若以現(xiàn)有的產(chǎn)品參數(shù)詳加比較，可以看出DSSS技術(shù)在需要最佳可靠性的應(yīng)用中具有較佳的優(yōu)勢，而FHSS技術(shù)在需要低成本的應(yīng)用中較占優(yōu)勢。雖然我們可以在因特網(wǎng)內(nèi)看到各家廠商各說各話，但真正需要注意的是廠商在DSSS和FHSS展頻技術(shù)的選擇，必須要審慎根據(jù)產(chǎn)品在市場的定位而定，因為它可以解決無線局域網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力及特性，包括抗干擾能力、使用距離范圍、帶寬大小、及傳輸數(shù)據(jù)的大小。

　　一般而言，DSSS由于采用全頻帶傳送數(shù)據(jù)，速度較快，未來可開發(fā)出更高傳輸頻率的潛力也較大。DSSS技術(shù)適用于固定環(huán)境中、或?qū)鬏斮|(zhì)量要求較高的應(yīng)用，因此，無線廠房、無線醫(yī)院、網(wǎng)絡(luò)小區(qū)、分校連網(wǎng)等應(yīng)用，大都采用DSSS無線技術(shù)產(chǎn)品。FHSS則大都使用于需快速移動的端點，如移動電話在無線傳輸技術(shù)部份即是采用FHSS技術(shù)；且因FHSS傳輸范圍較小，所以往往在相同的傳輸環(huán)境下，所需要的FHSS技術(shù)設(shè)備要比DSSS技術(shù)設(shè)備多，在整體價格上，可能也會比較高。

　　然而直接序列擴頻系統(tǒng)的準噪聲產(chǎn)生器會以遠快于數(shù)據(jù)速率的片碼速率（Chip Rate）產(chǎn)生準噪聲碼，然后對數(shù)據(jù)速率下的數(shù)據(jù)輸出以及片碼速率下的準噪聲產(chǎn)生器輸出進行模2加法（Modulo-2），再將結(jié)果送到相移鍵控調(diào)制器（PSK Modulator），擴頻接收器則會利用準噪聲碼的復(fù)雜關(guān)聯(lián)性進行信息序列譯碼。

　　而另一個值得注意的重點，直接序列擴頻是一種成本很高的解決方案，嚴苛的同步要求使得系統(tǒng)實作變得極為困難。此外，直接序列擴頻還需要二階相移鍵控（Binary PSK）之類的同調(diào)調(diào)制技術(shù)，這些因素讓直接序列展頻不適用于簡單、低成本、低數(shù)據(jù)速率的ISM頻帶收發(fā)器，針對此類應(yīng)用，跳頻擴頻可能才是這類應(yīng)用的理想解決方案。

　　二、OFDM技術(shù)

　　OFDM（Orthogonal Frequency Division Multi-plexing；OFDM）也是擴頻技術(shù)的一種，在其發(fā)展歷程上，以目前普遍的Wi-Fi標準沿革為例，Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)是IEEE在1997年所公布，當初規(guī)定輸出功率為1W，天線增益至少6db，最初是以跳頻擴頻（Frequency Hopping Spread Spectrum， FHSS）、直接序列擴頻（Direct Sequence Spread Spectrum， DSSS）、或紅外線傳輸?shù)燃夹g(shù)來進行2.4GHz頻帶中1~2Mbps之數(shù)據(jù)傳輸，該標準并可支持同步及異步之語音、數(shù)據(jù)傳輸。

　　1999年9月制定，源自IEEE 802.11直接序列展頻（Direct Sequence Spread Spectrum；DSSS）技術(shù)，別名IEEE 802.11 HR（High Rate）的IEEE 802.11b標準，其傳輸速度依調(diào)制方式分為1Mbps（BPSK）、2Mbps（QPSK）、5.5Mbps與11Mbps（CCK）四種，由于技術(shù)架構(gòu)與802.11一脈相成，且業(yè)界積極推廣，因此迅速席卷全球無線局域網(wǎng)絡(luò)市場。而與802.11b同期發(fā)展，同樣身為802.11補充標準的802.11a，采用別樹一格的OFDM正交頻分復(fù)用技術(shù)，以及5GHz的ISM波段，在物理層傳輸帶寬上可達802.11b將近五倍的速度表現(xiàn)。

　　由于OFDM能在不需要復(fù)雜均衡算法條件下解決常見的射頻失真問題，并能在頻域中輕易擴展，其獨特優(yōu)勢已開始嶄露頭角。過去幾年，OFDM技術(shù)已成功應(yīng)用在一些無線領(lǐng)域，如WLAN、廣播（DVB）和WiBro/WiMAX。

　　舉例說明，2006年IEEE.802.11的工作研討小組批準的一個建議書便特別指定使用OFDM編碼方式，以便因應(yīng)下一代無線網(wǎng)絡(luò)之需求。而在數(shù)字電視方面，全球數(shù)字影像傳輸（DVB-T）標準中，也應(yīng)用此技術(shù)使數(shù)據(jù)傳輸速率達到15Mbps的帶寬表現(xiàn)。OFDM技術(shù)近來已經(jīng)采用于數(shù)字音頻廣播（DAB）系統(tǒng)、數(shù)字無線傳輸以及歐洲標準的數(shù)字視訊廣播（DVB）系統(tǒng)中，它可以有效地解決通訊傳輸中的頻率干擾及多重路徑衰弱等問題。

　　此外，雖然采用OFDM的802.11a并不成功，但包括UWB、802.11n、WiMAX以及下一代的4G移動通訊網(wǎng)路等標準仍然采用此調(diào)制技術(shù)，正也是著眼于OFDM有著可以有效提升帶寬表現(xiàn)的長處。

　　此外，雖然采用OFDM的802.11a并不成功，但包括UWB、802.11n、WiMAX以及下一代的4G移動通訊網(wǎng)路等標準仍然采用此調(diào)制技術(shù)，正也是著眼于OFDM有著可以有效提升帶寬表現(xiàn)的長處。

　　三、MIMO技術(shù)

　　單純將OFDM技術(shù)加入網(wǎng)絡(luò)標準，便已經(jīng)可以大幅改善傳輸效率，而要進一步改善信號質(zhì)量與提升傳輸速度，便要進一步加入另外一種由來已久的技術(shù)，也就是MIMO。MIMO（Multiple-Input Multiple-Out-put）系統(tǒng)就是利用多天線來抑制信號信道衰減。根據(jù)收發(fā)兩端天線數(shù)量，相對于普通的SISO（Single-Input Single-Output）單天線進出系統(tǒng)，MIMO還可以包括SIMO（Single-Input Multi-ple-Output）單進多出系統(tǒng)和MISO（Multiple-Input Single-Output）多進單出天線系統(tǒng)。

　　MIMO技術(shù)特性的定義就是在相同時間內(nèi)，能在相同的無線電通道內(nèi)傳輸兩個或更多的數(shù)據(jù)信號。MIMO是一種在一個無線電通道內(nèi)傳輸和接收兩個或多個不同數(shù)據(jù)串流的革命性多維傳輸方法，采用這種技術(shù)，系統(tǒng)在每個信息信道內(nèi)傳送的數(shù)據(jù)率將能提高兩倍或更多倍。

　　在實際應(yīng)用上，MIMO可在超過一個的射頻上變頻器和天線被用來發(fā)送多組信號，以及超過一個射頻下變頻器和天線被用于接收信號。采用MIMO技術(shù)之后，每個信息信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率，將隨著同一信息信道中所傳輸不同數(shù)據(jù)串流的數(shù)量呈現(xiàn)線性成長。透過允許同時發(fā)送多個數(shù)據(jù)串流，MIMO能在不使用額外的頻譜條件下使無線數(shù)據(jù)傳輸流量達到數(shù)倍增加的程度。

　　Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)標準的公認繼承者802.11n，在技術(shù)規(guī)范上，除了可使用與802.11a同樣的5GHz ISM波段，同時也支持2.4GHz波段，這點避免了某些地區(qū)對特定波段的限制，并且兼容過去所有的Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)標準。除了同樣采用OFDM調(diào)制技術(shù)，導(dǎo)入多重輸入輸出（MIMO）也是有效提升帶寬的與對抗干擾的手段之一，藉由此兩種技術(shù)架構(gòu)，802.11n在物理層傳輸速度上可達540Mbit/s，且傳輸距離也可以更遠的地步。在架構(gòu)上的延續(xù)性，基本上我們可以把802.11n當作是802.11a的改良加強版。

　　四、移動網(wǎng)絡(luò)的IP化

　　近來，由Intel所大力主導(dǎo)，目前炒的沸沸揚揚的802.16 WiMAX無線網(wǎng)絡(luò)標準，雖然在技術(shù)本質(zhì)上與Wi-Fi無太大的不同，但是著重于長距離傳輸接入與最后一英里的訴求，卻滿足了過去Wi-Fi所欠缺的部分。Wi-Fi是屬于短距離的無線局域網(wǎng)絡(luò)，其性質(zhì)與傳統(tǒng)的GPRS、3G網(wǎng)絡(luò)截然不同，也無法取代ADSL等固接網(wǎng)絡(luò)，而WiMAX則是針對此兩種應(yīng)用而來。

　　Wi-Fi、WiMAX等無線通訊技術(shù)是屬于全IP（Internet Protocol）型態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，然3G則否，一般應(yīng)用中的3G仍屬交換式網(wǎng)絡(luò)，一直到2001年的3GPP R4才在核心網(wǎng)絡(luò)的部分改以IP型態(tài)運作，之后在2002年的3GPP R5中則是加入了IP型態(tài)的多媒體子系統(tǒng)（IP Multimedia Subsystem；IMS），即便如此，3G也尚未達到完全的IP化，必須等到3GPP R8才有可能實現(xiàn)全面IP化，并將網(wǎng)絡(luò)全面IP化的特點稱為AIPN（All IP Network），3GPP R8預(yù)計2009年才會發(fā)布，而由于通訊協(xié)議的變革，想要導(dǎo)入4G，屆時舊有的3G、3.5G設(shè)備將可能無法繼續(xù)更新沿用。

　　網(wǎng)絡(luò)IP化意指過去的交換式網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量將會轉(zhuǎn)而以封包形式來進行傳輸，交換式網(wǎng)絡(luò)具有流量穩(wěn)定的優(yōu)點，但是容易占線，同時可使用的用戶少，而采用IP的封包傳輸之后，雖然封包流量不穩(wěn)定，且可能容易受到干擾，但是搭配良好的QoS服務(wù)，則能夠有效提升同時服務(wù)的客戶數(shù)量。而未來的移動通訊網(wǎng)路在帶寬上非常有余裕，轉(zhuǎn)而使用封包傳輸架構(gòu)，也能夠更妥善地管理這些帶寬。IP化不代表傳統(tǒng)的交換式網(wǎng)絡(luò)就不復(fù)存在，由于交換式網(wǎng)絡(luò)流量穩(wěn)定，且可高速傳輸?shù)奶攸c，應(yīng)用在后端高速骨干網(wǎng)絡(luò)或者是交換設(shè)備將會十分合宜。

　　五、超寬帶技術(shù)

　　超寬帶（UWB）通訊系統(tǒng)可以被定義成一種擁有極高帶寬載波比的無線通訊系統(tǒng)。所謂帶寬載波比的定義為信號所占據(jù)的帶寬對其中心頻率的比值。在傳統(tǒng)通訊系統(tǒng)中，信號所使用的帶寬載波比約小于1%，WCDMA系統(tǒng)的帶寬載波比約為2%。根據(jù)美國聯(lián)邦通訊委員會（FCC）的最新定義，中心頻率大于2.5GHz的UWB系統(tǒng)其-10dB的帶寬至少需要500MHz，中心頻率在2.5GHz以下的UWB 系統(tǒng)則需要至少20%的帶寬載波比。而在美國國防部先進研究計劃機構(gòu)（Defense Advanced Research Projects Agency，簡稱 DARPA）所提出的一份報告書則是將超寬帶信號定義為帶寬載波比大于25%。超寬帶技術(shù)具有低成本、低耗電、高速度的特性。

　　目前使用超寬帶無線電技術(shù)主要有脈沖無線電（Impulse radio， IR）與多頻帶系統(tǒng)（Multi-band system）。對于多頻帶系統(tǒng)而言，目前關(guān)于IEEE 802.15.3a的規(guī)格制定，英特爾和TI所主導(dǎo)的 Multi-Band OFDM聯(lián)盟（MBOA）與 Motorola及XtreamSpectrum等廠商為首的團體僵持不下，后 者則是以Direct Sequence CDMA（DS-CDMA）為技術(shù)基礎(chǔ)。在UWB DS-CDMA系統(tǒng)中，一個傳輸符號的時間由于將來源數(shù)據(jù)乘上了一組特殊設(shè)計的三態(tài)碼（ternary code），因此與脈沖無線調(diào)制方式相較，可延長單一符號的時間。

　　在超寬帶的頻帶劃分上，DS-CDMA規(guī)劃了三種頻譜使用模式：

　　1.低頻帶（Low Band）：中心 頻率為4.1GHz，帶寬1.368GHz，數(shù)據(jù)傳輸率可由28.5MHz至400MHz。

　　2.高頻帶（High Band）：中心頻率為8.2GHz，帶寬2.736GHz，數(shù)據(jù)傳輸率由57MHz到800MHz。

　　3.多重頻帶（Multi-Band）：即共同使用了高頻與低頻的兩個頻帶，數(shù)據(jù)傳輸率最高可達 1.2GHz。

　　在多重頻帶的使用模式中，高頻與低頻兩個頻帶在使用上是完全獨立的，也就是說可以各自選擇不同的調(diào)制方式、分碼多任務(wù)的展碼型式與前置錯誤更正碼…等。由于頻帶規(guī)劃上完全避開了 UNII（Unlicensed National Information Infrastructure Band：5.725～5.825 GHz）頻段，因此能夠避免了彼此間的相互干擾。