移動應用的無線射頻技術需求度高,整合新的調(diào)制技術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)制與擴頻技術要求上也各有不同。
一、擴頻技術
擴頻技術的無線局域網(wǎng)絡產(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的限制。擴頻技術主要又分為“跳頻技 術”及“直接序列”兩種方式。而此兩種技術是在第二次世界大戰(zhàn)中軍隊所使用的技術,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。
近代的擴頻技術則朝向商業(yè)用途發(fā)展,主要的目的是完成分碼多重存取(code division multiple access, CDMA )技術以取代之前的分頻多重存取(frequency 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 此技術可完成分碼多任務通訊,此性質(zhì)已用于蜂巢式移動電話,我們稱為分碼多任務或分碼多任務存取技術,采用擴頻技術,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。
1、跳頻技術 (FHSS)
跳頻技術(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計來規(guī)避噪訊或One-to-Many的非重復的頻道,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 (DSSS)
直接序列擴頻技術(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)這兩種不同技術的無線局域網(wǎng)絡各自擁有的優(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技術在需要最佳可靠性的應用中具有較佳的優(yōu)勢,而FHSS技術在需要低成本的應用中較占優(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技術適用于固定環(huán)境中、或?qū)鬏斮|(zhì)量要求較高 的應用,因此,無線廠房、無線醫(yī)院、網(wǎng)絡小區(qū)、分校連網(wǎng)等應用,大都采用DSSS無線技術產(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 傳輸技術部份即是采用FHSS技術;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技術設備要比DSSS技術設備多,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雜關聯(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,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,針對此類應用,跳頻擴頻可能才是這類應用的理 想解決方案。
二、OFDM技術
OFDM(Orthogonal Frequency Division Multi-plexing;OFDM)也是擴頻技術的一種,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,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 架構與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正交頻分復用技術,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技術已成功應用在一些無線領域,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,以便因應下一代無線網(wǎng)絡之需求。而在數(shù) 字電視方面,全球數(shù)字影像傳輸(DVB-T)標準中,也應用此技術使數(shù)據(jù)傳輸速率達到15Mbps的帶寬表現(xiàn)。OFDM技術近來已經(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,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,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
單純將OFDM技術加入網(wǎng)絡標準,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,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,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)絡標準的公認繼承者802.11n,在技術規(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)絡標準。除了同樣采用OFDM調(diào)制技 術,導入多重輸入輸出(MIMO)也是有效提升帶寬的與對抗干擾的手段之一,藉由此兩種技術架構,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)絡的IP化
近來,由Intel所大力主導,目前炒的沸沸揚揚的802.16 WiMAX無線網(wǎng)絡標準,雖然在技術本質(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,其性質(zhì)與傳統(tǒng)的GPRS、3G網(wǎng)絡截然不同,也無法取代ADSL等固接網(wǎng)絡,而WiMAX則是針對此兩種應用 而來。
Wi-Fi、WiMAX等無線通訊技術是屬于全IP(Internet Protocol)型態(tài)的網(wǎng)絡,然3G則否,一般應用中的3G仍屬交換式網(wǎng)絡,一直到2001年的3GPP R4才在核心網(wǎng)絡的部分改以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)絡全面IP化的特點稱為AIPN(All IP Network),3GPP R8預計2009年才會發(fā)布,而由于通訊協(xié)議的變革,想要導入4G,屆時舊有的3G、3.5G設備將可能無法繼續(xù)更新沿用。
網(wǎng)絡IP化意指過去的交換式網(wǎng)絡的數(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,則能夠有效提升同時服務的客戶數(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,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)絡就不復存在,由于交換式網(wǎng)絡流量穩(wěn)定,且可高速傳輸?shù)?特點,應用在后端高速骨干網(wǎng)絡或者是交換設備將會十分合宜。
五、超寬帶技術
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(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,目前關于IEEE 802.15.3a的規(guī)格制定,英特爾和TI所主導的 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)為技術基礎。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。