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一、概述

  鉴于对无线技术的需求持续升高,业界领导厂商正在看美国的无线电管制当局将如何解决RF频谱不足这一令人烦恼的问题。近来,美国联邦通信委员会决定缓解这种压力,它向商业应用额外开放了一部分授权频谱,主要是在更高的微波频率区域。

  通常,业界总比管制部门先行一步。近些年来,两个关键领域(即认知无线电和RF频谱多用途技术)的发展已经提高了频谱效率,并激励工程师们推动这些技术更上一层楼。

  认知无线电(CR)技术根据其工作环境的实时条件来调整频谱的使用。在这个概念相对简单的过程中,网络将确认用户需要哪些服务,识别哪些用户工作在最佳环境中,进而设定最有效的数据传输方案以满足这些用户的要求(如图1所示)。

  通过有意和连续地应用这种过程,CR技术可以显著提高频谱的利用率,并成为目前许多无线标准的基础。W-CDMA高速下行分组接入(HSDPA)、3G移动无线技术和CDMA1xEvDO都利用一种认知调制过程,试图从有限的频谱获得最高的吞吐量。然而,移动无线不是采用自适应或认知调制过程的唯一领域。WLAN技术(802.11a)和固定无线(Flash-OFDM)也使用类似的过程来提高总的频谱利用率

  一种被称为 xMax的新无线技术得到人们的广泛关注。xMax橡WiMax和3G无线技术一样被认为可以满足下一代技术的需要。然而关于用于向膝上电脑和移动电话传输高速数据WiMaxand3G(第三代)蜂窝技术的宣传已经如火如荼。这些技术面临最大的障碍是:如何在电池耗能的范围内向远距离输送大负荷数据。问题很简单。当你增加网络的容量或速度时,你必须使用距离上的替换—这意味着传输速度越快,传输距离就越短。较长距离也可以高速传送,但是这样会极大地消耗接收端点的电池。经由3G蜂窝技术或WiMax在长的距离之上传送数据,相对地消耗了接受信号的装置上的大量电池电量,但是xMax 技术被设计使用调制技术并且只消耗信号接收端较少的电池电力。因为保存电池电力是3 G 和 WiMax长距离传输的关键。按计划,xMax在无线通信领域将变成极其有价值的工具。

二、原理

2.1、频谱多用途技术

  现有认知无线电技术的局限性在于竞争某通道吞吐量的用户不能同时收到服务。频谱多用途技术试图解决这个难题。RF频谱多用途的概念是指挖掘利用频谱的“灰色区域”或专用频谱未使用的区域,这与目前美国FCC所采用的单用途频谱分配方案有明显的不同。AM和FM无线广播、寻呼服务和蜂窝服务都使用FCC为特定用途所分配的RF频频谱。然而,如果技术进步使得专为一个FM无线电台分配的频谱可同时向一个小城市提供宽带无线服务,并且不降低FM广播的质量,那么无线部署的可能性将呈指数式增长。

  具有低功率发射特性的超宽带(UWB)朝着正确方向迈出了一步。然而,UWB的边带发射不是完全免干扰的,所以需要采用更高的频谱(从3GHz到10GHz),而这个频谱范围具有有限的传播特性

2.2、xMax解决方案

  一种调制技术可以潜在地应对这个挑战。这种名为xMax的RF调制方案是一种把窄带载波系统的概念和允许同时频谱复用的低功耗宽带脉冲定位调制(PPM)结合在一起的混合技术。

  虽然以前的方案试图把尽可能多的功率移动到边带并尽可能多地将其从载波信号中移开,xMax解决方案所做的正好相反,它把大部分功率放进载波信号以使边带能量发射可以忽略不计。xMax调制由一个RF频谱利用图来表征,其中相邻的通道溢出迄今为止低于可探测到的水平,因而对附近的用户没有影响。

  载波信号与信息关联在一起以加强接收性能。通过采用载波信号来同步发射器和接收器,相对较弱的信息脉冲的复原得到简化。与UWB相比,xMax需要较少的功率,因为UWB必须把定时功能融入到该信号承载的信息之中,这自然增加了功耗。

  小波带通滤波器(WPF)是xMax系统的关键。这个器件允许接收器从接收到的信号中提取相对较弱的信息脉冲,与此同时衰减来自邻近边带中旧有和相邻用户的窄带干扰和噪音。由于独立的RF周期调制,WPF采用该信号的峰值功率,而不是平均功率,来提取信息脉冲。独立RF周期调制的另一个优点是几乎所有功率都出现在载波信号中,从而使平均功率频谱密度明显低于FCC强制的UWB功率频谱密度。

  载波本身占用的带宽很少,而信息承载信号遍布在最大为100MHz的边带上,使得它看起来是一个UWB系统。然而,功率频谱在邻近频带上是如此之低,以致于那个频频谱的旧有用户将只受到极小或微不足道的干扰。这些特性使得窄带条(6KHz语音通道)用于载波成为可能,并可在该通道的任何一侧使用高达50MHz的频谱而不会对相邻频带用户造成干扰。因为xMax边带发射能量低于本底噪音,所以旧有用户可以继续正常操作,同时xMax提供第二个信息承载信号,从而允许频谱复用。

2.3、xMax 是如何工作的呢?

  能源因素是第一位的。xMax所用的调制技术被设计成以一个正弦波传输数据,而不是典型的调制技术。因此,改变了利用超过100,000个正弦波传输点的数据,它的比率接近1:1。这一技术更有效率而且耗能较低,意味着接收装置不会消耗很多的能源。为了解决距离问题,xMax在千兆赫以下的(sub-gigahertz)范围内使用频率频道,这种频率能穿透例如墙壁或树等障碍,这样就可以解决距离问题。但是1GHz频率下面非常狭窄,这就意味着很难同时传输大量的数据。研究人员利用多频率分别传送的技术解决了此难题。专家预测xMax无线新技术必将成为主流应用技术。

三、意义

  与一个UWB网络相比,一个基于xMax的系统具有多项优势。首先,UWB发射需要几个GHz的频谱,而xMax的“窄带”版只需要几MHz数量级的边带。xMax的载波同步本性也使它优于UWB,后者使用上千个脉冲来代表一个符号。

  UWB常常被设计成一种用于3.1到10.6GHz范围以及更高频带(24GHz)上的PAN技术,这导致潜在的高发射密度。如果考虑散射到邻近频带的能量,那么干扰累计的概率是很高的。对比之下,xMax被设计成一种WAN技术,它导致一个较低的发射密度和更低的干扰可能性。FCC的规则禁止UWB应用采用低于3.1GHz频带的频谱,而xMax设计用于低于GHz的频谱。

  最后一点,xMax是一种更有效、更灵活的系统,它需要的宽带数据传输频带只有6MHz,而且可以跳频到空闲频频谱。正如前面所述,xMax信号是载波同步的,这使得探测更容易。另一方面,UWB不使用载波,所以定时必须嵌入在信息之中,这需要大量的邻近频谱。请注意:当采用同等分辨率带宽进行测量时,UWB需要更高的信号功率。

  这样一个系统的应用是很广泛的,尤其是当用在固定无线系统时。借助xMax,供应商可以向商业和家庭用户提供高数据传输率。通过采用更低的频率频谱,系统可以获得更远的信号距离和更好的信号穿透率。其结果是,供应商不必建设那么多接入点或发射塔。例如,高通公司最近为它所提出的700MHz频带处的“媒体广播”服务购买了全国范围的许可,以提供单向的高质量视频和音频。该公司表示,这个频谱允许一个全国范围的网络所用的发射塔数量只是蜂窝和更高频率系统的30到50分之一。xMax原型系统使用一个窄带VHF寻呼信道,可提供更远的覆盖距离。

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