泛在连接塑造无线的未来 - 工程师准备须知

作者：Houman Zarrinkoub 博士，MathWorks 首席无线产品经理

连接人与无处不在的万事万物，始终是无线通信的主要目标。无论是人们使用手机交流，车辆通信 (V2X) 平台帮助汽车在交通中转弯，还是物联网 (IoT) 设备监控智能工厂，今天的无线系统都在逐渐使这些梦想变为现实。

这种强大的力量意味着泛在连接 - 能够无缝使用卫星、蜂窝和局域网来维持快速、安全和可靠的在线连接的系统 - 不再是“最好具备”的功能，而是“必备”的功能。

对于构建这些技术的工程师来说，随着泛在连接能力的增强，设计针对泛在连接而优化的无线系统的挑战也随之增长。其中包括确保设备符合系统和设备互操作性的标准协议；优化用于集成算法、天线、阵列和射频收发机设计选择的多域系统参数；以及用自动无线测试和真实的信道和损伤模型来验证硬件原型的设计。

幸运的是，工程师可以使用现有技术和最佳做法对这些系统进行设计、建模和测试，确保它们能够协作工作，不仅为商业客户和普通消费者提供无线接入，还提供真正的泛在连接。

无线技术的发展

从技术角度来看，泛在连接的概念并非新生事物。然而，由于经济、技术和物理等各方面的原因，其实现仍是一项挑战。从经济角度来说，接入点的数量历来受到成本的限制，主要部署在高密度人群区域。高吞吐量链路无法在各种范围和距离内无缝构建，每种技术都在迎合自己的利基市场。最后，在物理上，使用相同或相邻频谱的其他系统带来的干扰也使每个通信链路受到限制。这使得必须对各种系统之间进行协调。

虽然现代高级无线系统已克服其中许多挑战，例如，低地球轨道 (LEO) 卫星比中地球轨道 (MEO) 和地球静止轨道 (GEO) 卫星更具成本效益，其信号能够提供远距离的大吞吐量，但其他挑战仍存在。

例如，5G、Wi-Fi和基于卫星的通信设备依赖多用户多输入多输出 (MIMO) 波束成形技术到达服务区域中的用户。支持 MIMO 和波束成形的设备能够发送和接收多个信号，这就要求工程师必须同时优化多个频带的使用。然而，这需要持续监控可用信号空间和精确调度，以及在连接两个设备的链路两端进行信道建模和测量。

在设计泛在连接时，工程师通常指定 Wi-Fi 系统用于短程通信，蜂窝系统用于远程通信。这些异构类型的网络可以关联式工作，例如，发送到拥挤的蜂窝服务区域的信号可以将工作负载分散到 Wi-Fi 服务网络，反之亦然。

蓝牙在泛在连接中也发挥着作用。虽然蓝牙不属于高吞吐量无线网络，但鉴于其基本速率、增强数据速率和低功耗蓝牙标准的低功耗和 ISM 频带使用等特点，该平台成为发送短程信号的理想选择。工程师可以使用蓝牙提供的短程信号，因为它们最能表明设备是否需要连接到 Internet。蓝牙也可以帮助工程师节省带宽，并在设备不需要连接时保持设备离线。

确保这些类型的网络（卫星链路等宽域网、4G 和 5G 等蜂窝广域网、局域网 (Wi-Fi) 和蓝牙等个人局域网）同步提供泛在连接需要大量的测试。对于处理这些问题的工程师来说，通过建模和仿真比使用现场设备更好进行广泛的测试。因此，大型仿真平台的价值得以凸显。

仿真如何帮助工程师实现泛在连接

要解决泛在连接带来的挑战，工程师不仅要了解当今所有无线通信协议和标准之间的关系和干扰，还要测试这些标准之间的兼容性。

工程师可以使用大型建模和仿真工具，如使用 MATLAB 和 Simulink 在部署前对系统进行设计、建模、测试和分析，确保其系统早在构建物理设备之前就具有可靠性。

例如，当开发蜂窝网络系统时，一个关键挑战是处理与每种运营模式相关联的参数数目和复杂性。工程师需要明白，每个参数都需要针对典型蜂窝网络中可能出现的各种信道条件进行测试。如果未满足所有测试条件，系统将无法通过认证。

为了解决此问题，工程师可以使用仿真平台提供环境，使得对所有潜在参数进行的审核和针对其他系统进行的评估比物理测试更轻松、更快捷、更可靠。得益于 MATLAB 和 Simulink 带来的技术进步，例如测试波形生成的简易性、自动 C 代码生成的使用、GPU 和并行计算在加速仿真中的应用等，更快的测试方法在很大程度上是可能实现的。

当然，多用户 MIMO 和波束成形系统的有效性取决于准确指向并连接目标设备的能力。这需要 MATLAB 和 Simulink 等仿真平台来简化验证精确定向和定位的任务。这些解决方案不仅为工程师提供符合行业标准的工具来生成包括蓝牙、5G、LTE 和 Wi-Fi 在内的各种信号，还提供可视化和测试环境，使它们能够在地图上看到室内和室外射频传播的影响。这将有助于它们确保多台设备之间的连接准确无误。

泛在连接仍是现代世界的必备条件。这最终意味着仿真平台也必须予以调整来满足工程师的要求，因为他们设计的系统必须能够无缝地使用多种模式，包括卫星、蜂窝和局域网，同时保持快速、安全和可靠的在线连接。