作者：Robert W. Brodersen
加州大學伯克萊無線研究中心聯合總監
SiBeam公司的主席兼協創者
e-mail: bbrodersen@sibeam.com
轉貼自電子工程專輯
隨著消費者對高品質的多媒體、語音和數據等服務需求的增加，以及通訊技術本身要求的上升，對Gb速率和更長距離鏈接的需求變得迫在眉睫。面對這些，我們該如何應對？
今天，北美、歐盟和亞太地區的管理機構正攜手合作開發使用頻譜的新方法。新型無線電系統將繼續演進，最終要求在架構、電路和演算法層面上進行意義重大的最佳化。
類似IEEE 802.11n這樣的方法正透過增加現有標準的效率來提高數據速率；其它像超寬頻(UWB)和感知無線電等技術則訴諸更高的策略，譬如與其它用戶共享頻譜資源；而另一種將投入使用的方法由來已久，即轉向更高的、尚未使用的頻率，例如60GHz毫米波段。
透過增加效率達到Gbps水準相當困難，802.11n僅能適度增加無線頻寬，雖然這樣做毫無疑問會提高強韌性；UWB的共享策略透過嚴格限制發射功率才可以實現；感知無線電或許不會有這樣的限制，但它會持續感知頻譜環境，以便在必要的時候改變自身特性以規避干擾；另一方面，毫米波技術雖然可以在新的未授權波段內以高功率水準使用傳統無線電技術，但是如果想借助CMOS實現低成本的解決方案，就要求新的設計方法學。
本文將對上述各類方法進行比較，在下一代旨在實現Gigabit無線網路的無線設計中，這些方法很可能首當其衝。
一代WLAN
IEEE 802.11n是流行的802.11系列WLAN技術的擴展。它原本僅是作為使網路數據吞吐量超越100Mbps的增強型標準，現在卻包含了一整套技術，可以支援各種設備和應用，從單天線、低功耗的VoIP手持電話到擁有4個天線的高性能繪圖工作站。目前，所有提供802.11a/b/g產品的主要晶片廠商，都在進行802.11n技術的開發工作。此外，Airgo網路公司在該領域還推出了一種與眾不同的多輸入多輸出(MIMO)方法。
IEEE期望802.11n能夠在2007年的3月至9月間成為一項正式標準。
為支援上述應用，802.11n規格在這種聯網堆疊的媒體存取控制層(MAC)和實體層(PHY)採用了多種數位和類比技術。MAC技術的範圍從多接收器集合(以增加VoIP系統的效率並降低功耗)到針對大量數據傳輸的巨型訊框支援。
PHY技術包括：用來增加無線鏈接頻譜效率的256進制正交調幅(256QAM)、40MHz通道整合以及單/多天線空間多路傳輸，以支援具有1到4根天線的單輸入/單輸出和MIMO系統；其中最後這項是802.11n系統的關鍵優勢。
除這些功能外，802.11n還具備對前一代系統(802.11a/b/g WLAN)的支援。
802.11n包羅萬象的特點同時也是其最大的桎梏。為了支援各種不同的應用和舊有協議，802.11n系統必須支援各種混合特性，這無形中增加了實現的複雜性和成本。空間多路傳輸和MIMO系統顯著增加了處理訊號所必需的晶片數量：從一根天線到支援新標準中的4根天線，這種增加將無線系統中某些部份的複雜性增加了64倍。
若想在無需大量佔用新頻譜資源的條件下支援802.11n標準所提供的最大數據傳輸速率(高於500Mbps)，就需要提升香農定律的極限，將目前802.11a和802.11g系統中的2bps/Hz的頻譜容量提升至16bps/Hz。這將限制較高數據傳輸速率下的通訊範圍和可達到的誤差率。
如果這樣的話，預計多數802.11n系統的實際吞吐量僅會達到100到200Mbps
超寬頻
UWB中包括一系列由美國聯邦通訊委員會(FCC)批准的技術，可以在3.1-10.6GHz間的7GHz頻譜(與其它用戶共享)內傳輸極低功率的訊號。UWB無線電實現的挑戰在於如何充分利用其頻寬來提供高數據速率，同時確保這種解決方案與802.11n等技術相較具有更低的成本。
目前已經有兩種競爭的UWB方案獲得了發展，其中一種方法基於跳頻正交頻分多工(OFDM)，與802.11a/g系統有許多相似的特性；另一種從根本上講是新方法，它使用脈衝訊號取代正弦波來發送數據。
OFDM的一個主要挑戰是它的總體複雜性與目前的802.11系統相當，這意味著想要大幅降低成本和功耗不太可能。另一方面，脈衝無線電使用一個簡單的脈衝產生器驅動天線，並且發射一個帶通脈衝(passband pulse)，寬頻天線和可能採用的帶通濾波器決定了該脈衝的形狀。
直接序列UWB方案使用對映訊號傳輸(antipodal signaling)或脈衝位置調變(PPM)，具有更低的線性度要求，但是考慮到該方法缺少可擴展性，WiMedia聯盟等大型產業組織已經拒絕使用該方法。
各種不同方案間的競爭引發了IEEE標準的困境，因而導致UWB產品問世時間的延遲。雖然利用簡單的無線電傳輸數Mbps數據的前景十分誘人，但是如果想要達到Gbps的鏈接速率，其過低的發射功率僅能提供極其有限的傳輸範圍。
雖然現在全世界僅有美國使用UWB，而且應用範圍也僅限於短距離鏈接，但是旨在放鬆其管制的各種努力卻在進行之中，而且許多公司都大力支援該項技術。同樣，在一系列可行的應用領域中，UWB開始嶄露頭角。另外，隨著人們對脈衝無線電實現的不斷了解，或許人們可能發現一條可擴展的低成本實現之路。
感知無線電
感知無線電的支援理念是透過感知頻率、時間和空間域等頻譜環境實現頻譜共享，然後在閑置維度進行傳輸。這種新的無線電功能將涉及多種新的類比和數位訊號處理技術，以完成必需的時變頻譜感知、寬頻頻率捷變(wideband-frequency agility)和空間辨別。為了將感知無線電的作用發揮到極至，人們很期待它能夠在UWB所使用的3-10GHz頻段內進行作業，但是要FCC對此做出任何決定恐怕需要很長的時間。
但是無論如何，我們仍有希望看到FCC最終做出這樣的決定，因為FCC現在正透過一項‘規則制訂進程’，新的進程或許會允許感知無線電中某些有限的形式在400-800MHz的數位電視頻段上得以執行。
使用功耗水準合理的寬頻寬所帶來的優勢，可能最終會為達到Gbps數據傳輸速率提供一條途徑。
就如目前人們還不知道如何才能最好地實現脈衝無線電一樣，在實現感知無線電方面也仍有許多有待學習的地方，例如如何可靠地規避主用戶，因而使第二用戶不被弱化。IEEE去年底在美國的巴爾的摩市召開了DySpan 2005大會，首次聚焦此類無線電技術。
毫無疑問，這顯示著一種頻譜使用新方法的開始。
雖然目前尚有許多有關感知無線電的管理工作要做，但是在毫米波頻段，該項工作已經展開。特別值得一提的是，這裏存在一個實質上空閑且未授權的頻段，範圍從57到66GHz。未被使用的部份原因是由於頻率在60GHz時會被氧氣吸收，所以亞洲、歐洲和美州的管理者都允許用數十到數百瓦的等效全向輻射功率(EIPR)進行無線發射。寬頻寬和高允許發射功率潛在地使多Gb無線傳輸成為可能，雖然在低成本的Gb鏈接實現以前，幾個關鍵性的問題必須得以解決。
歷來，毫米波元件僅在昂貴的大型化合物半導體中可行，例如磷化銦和砷化鎵，這限制了其在成本僅為上百或數千美元無線電中的使用。為了使其獲得廣泛認同，以低成本技術(即CMOS)實現毫米波電路是必經之路。
近，柏克萊無線研究中心(一家研究聯盟)與加州大學柏克萊分校的合作研究結果顯示，130奈米CMOS具有足夠的性能，可以用於60GHz的整合無線電方案。另外，研究人員發現利用晶片上發射線能催生一個可被高度複製的設計方法學。
許多人還相信，毫米波的特性會為高數據速率無線通訊造成一種非常困難的傳播環境。雖然氧氣吸收導致了15dB/km的損耗，但是在100公尺時，損耗只有1.5dB，所以對室內應用來說，氧氣吸收所造成的損耗可以忽略不計。
除氧氣吸收以外，人們相信還有另一個損耗：它與頻率的平方成比例，可以由富萊斯(Friis)路徑損耗公式推出。這種‘損耗’歸結於另一個因素：如果使用像半波長偶極子這樣的全向天線，當頻率增加時，天線的有效面積隨頻率平方的增加成比例縮小。換句話說，如果天線的覆蓋面積保持不變，那麼說明路徑損耗沒有增加。事實上，這裏存在一個會隨頻率平方而增加的‘增益’，因為天線(覆蓋面積大於半波偶極子)是有方向的，它將具有一個被動增益。
例如，一個有效面積是1平方英吋的60GHz天線，它的增益大約會是25dB，但是該增益卻以高度的方向性為代價。這意味著，如果想充分發揮毫米波無線電的潛能，就需要一個能夠精確定位的解決方案。
無線技術的進步為可靠性增強的超高數據速率傳輸提供了可能，並且可以更好地利用無線頻譜資源。上面所介紹的每項技術，都有各自性能上的優勢，也擁有各自不同的缺陷，這些缺陷必須予以克服。
但是我們很清楚地看到，為了達到更高數據速率鏈接應用的要求，也就是實現超越Gbps的目標，最終會出現一個整合了上述部份或全部方法的解決方案。
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