xMax（xMax）

概述

鑒于對(duì)無線技術(shù)的需求持續(xù)升高，業(yè)界領(lǐng)導(dǎo)廠商正在看美國的無線電管制當(dāng)局將如何解決RF頻譜不足這一令人煩惱的問題。

通常，業(yè)界總比管制部門先行一步。近些年來，兩個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域(即認(rèn)知無線電和RF頻譜多用途技術(shù))的發(fā)展已經(jīng)提高了頻譜效率，并激勵(lì)工程師們推動(dòng)這些技術(shù)更上一層樓。

認(rèn)知無線電(CR)技術(shù)根據(jù)其工作環(huán)境的實(shí)時(shí)條件來調(diào)整頻譜的使用。在這個(gè)概念相對(duì)簡單的過程中，網(wǎng)絡(luò)將確認(rèn)用戶需要哪些服務(wù)，識(shí)別哪些用戶工作在最佳環(huán)境中，進(jìn)而設(shè)定最有效的數(shù)據(jù)傳輸方案以滿足這些用戶的要求(如圖1所示)。

通過有意和連續(xù)地應(yīng)用這種過程，CR技術(shù)可以顯著提高頻譜的利用率，并成為目前許多無線標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。W-CDMA高速下行分組接入(HSDPA)、3G移動(dòng)無線技術(shù)和CDMA1x EvDO都利用一種認(rèn)知調(diào)制過程，試圖從有限的頻譜獲得最高的吞吐量。然而，移動(dòng)無線不是采用自適應(yīng)或認(rèn)知調(diào)制過程的唯一領(lǐng)域。WLAN技術(shù)(802.11a)和固定無線(Flash-OFDM)也使用類似的過程來提高總的頻譜利用率

一種被稱為 xMax 的新無線技術(shù)得到人們的廣泛關(guān)注。xMax像WiMax和3G無線技術(shù)一樣被認(rèn)為可以滿足下一代技術(shù)的需要。

然而關(guān)于用于向膝上電腦和移動(dòng)電話傳輸高速數(shù)據(jù)WiMax and 3G(第三代)蜂窩技術(shù)的宣傳已經(jīng)如火如荼。這些技術(shù)面臨最大的障礙是：如何在電池耗能的范圍內(nèi)向遠(yuǎn)距離輸送大負(fù)荷數(shù)據(jù)。問題很簡單。當(dāng)你增加網(wǎng)絡(luò)的容量或速度時(shí)，你必須使用距離上的替換—這意味著傳輸速度越快，傳輸距離就越短。

較長距離也可以高速傳送，但是這樣會(huì)極大地消耗接收端點(diǎn)的電池。經(jīng)由3G蜂窩技術(shù)或WiMax在長的距離之上傳送數(shù)據(jù)，相對(duì)地消耗了接受信號(hào)的裝置上的大量電池電量，但是 xMax 技術(shù)被設(shè)計(jì)使用調(diào)制技術(shù)并且只消耗信號(hào)接收端較少的電池電力。因?yàn)楸４骐姵仉娏κ? G 和WiMax 長距離傳輸?shù)年P(guān)鍵。按計(jì)劃，xMax在無線通信領(lǐng)域?qū)⒆兂蓸O其有價(jià)值的工具。

原理

現(xiàn)有認(rèn)知無線電技術(shù)的局限性在于競爭某通道吞吐量的用戶不能同時(shí)收到服務(wù)。頻譜多用途技術(shù)試圖解決這個(gè)難題。RF頻譜多用途的概念是指挖掘利用頻譜的“灰色區(qū)域”或?qū)Ｓ妙l譜未使用的區(qū)域，這與目前美國FCC所采用的單用途頻譜分配方案有明顯的不同。AM和FM無線廣播、尋呼服務(wù)和蜂窩服務(wù)都使用FCC為特定用途所分配的RF頻頻譜。然而，如果技術(shù)進(jìn)步使得專為一個(gè)FM無線電臺(tái)分配的頻譜可同時(shí)向一個(gè)小城市提供寬帶無線服務(wù)，并且不降低FM廣播的質(zhì)量，那么無線部署的可能性將呈指數(shù)式增長。

具有低功率發(fā)射特性的超寬帶(UWB)朝著正確方向邁出了一步。然而，UWB的邊帶發(fā)射不是完全免干擾的，所以需要采用更高的頻譜(從3GHz到10GHz)，而這個(gè)頻譜范圍具有有限的傳播特性

一種調(diào)制技術(shù)可以潛在地應(yīng)對(duì)這個(gè)挑戰(zhàn)。這種名為xMax的RF調(diào)制方案是一種把窄帶載波系統(tǒng)的概念和允許同時(shí)頻譜復(fù)用的低功耗寬帶脈沖定位調(diào)制(PPM)結(jié)合在一起的混合技術(shù)。

雖然以前的方案試圖把盡可能多的功率移動(dòng)到邊帶并盡可能多地將其從載波信號(hào)中移開，xMax解決方案所做的正好相反，它把大部分功率放進(jìn)載波信號(hào)以使邊帶能量發(fā)射可以忽略不計(jì)。xMax調(diào)制由一個(gè)RF頻譜利用圖來表征，其中相鄰的通道溢出迄今為止低于可探測到的水平，因而對(duì)附近的用戶沒有影響。

載波信號(hào)與信息關(guān)聯(lián)在一起以加強(qiáng)接收性能。通過采用載波信號(hào)來同步發(fā)射器和接收器，相對(duì)較弱的信息脈沖的復(fù)原得到簡化。與UWB相比，xMax需要較少的功率，因?yàn)閁WB必須把定時(shí)功能融入到該信號(hào)承載的信息之中，這自然增加了功耗。

小波帶通濾波器(WPF)是xMax系統(tǒng)的關(guān)鍵。這個(gè)器件允許接收器從接收到的信號(hào)中提取相對(duì)較弱的信息脈沖，與此同時(shí)衰減來自鄰近邊帶中舊有和相鄰用戶的窄帶干擾和噪音。由于獨(dú)立的RF周期調(diào)制，WPF采用該信號(hào)的峰值功率，而不是平均功率，來提取信息脈沖。獨(dú)立RF周期調(diào)制的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是幾乎所有功率都出現(xiàn)在載波信號(hào)中，從而使平均功率頻譜密度明顯低于FCC強(qiáng)制的UWB功率頻譜密度。

載波本身占用的帶寬很少，而信息承載信號(hào)遍布在最大為100MHz的邊帶上，使得它看起來是一個(gè)UWB系統(tǒng)。然而，功率頻譜在鄰近頻帶上是如此之低，以致于那個(gè)頻頻譜的舊有用戶將只受到極小或微不足道的干擾。這些特性使得窄帶條(6KHz語音通道)用于載波成為可能，并可在該通道的任何一側(cè)使用高達(dá)50MHz的頻譜而不會(huì)對(duì)相鄰頻帶用戶造成干擾。因?yàn)閤Max邊帶發(fā)射能量低于本底噪音，所以舊有用戶可以繼續(xù)正常操作，同時(shí)xMax提供第二個(gè)信息承載信號(hào)，從而允許頻譜復(fù)用。

能源因素是第一位的。xMax所用的調(diào)制技術(shù)被設(shè)計(jì)成以一個(gè)正弦波傳輸數(shù)據(jù)，而不是典型的調(diào)制技術(shù)。因此，改變了利用超過100,000個(gè)正弦波傳輸點(diǎn)的數(shù)據(jù)，它的比率接近1:1。這一技術(shù)更有效率而且耗能較低，意味著接收裝置不會(huì)消耗很多的能源。為了解決距離問題， xMax在千兆赫以下的(sub-gigahertz)范圍內(nèi)使用頻率頻道，這種頻率能穿透例如墻壁或樹等障礙，這樣就可以解決距離問題。但是1 GHz頻率下面非常狹窄，這就意味著很難同時(shí)傳輸大量的數(shù)據(jù)。研究人員利用多頻率分別傳送的技術(shù)解決了此難題。專家預(yù)測xMax無線新技術(shù)必將成為主流應(yīng)用技術(shù)。

意義

與一個(gè)UWB網(wǎng)絡(luò)相比，一個(gè)基于xMax的系統(tǒng)具有多項(xiàng)優(yōu)勢。首先，UWB發(fā)射需要幾個(gè)GHz的頻譜，而xMax的“窄帶”版只需要幾MHz數(shù)量級(jí)的邊帶。xMax的載波同步本性也使它優(yōu)于UWB，后者使用上千個(gè)脈沖來代表一個(gè)符號(hào)。

UWB常常被設(shè)計(jì)成一種用于3.1到10.6GHz范圍以及更高頻帶(24GHz)上的PAN技術(shù)，這導(dǎo)致潛在的高發(fā)射密度。如果考慮散射到鄰近頻帶的能量，那么干擾累計(jì)的概率是很高的。對(duì)比之下，xMax被設(shè)計(jì)成一種WAN技術(shù)，它導(dǎo)致一個(gè)較低的發(fā)射密度和更低的干擾可能性。FCC的規(guī)則禁止UWB應(yīng)用采用低于3.1GHz頻帶的頻譜，而xMax設(shè)計(jì)用于低于GHz的頻譜。

最后一點(diǎn)，xMax是一種更有效、更靈活的系統(tǒng)，它需要的寬帶數(shù)據(jù)傳輸頻帶只有6MHz，而且可以跳頻到空閑頻頻譜。正如前面所述，xMax信號(hào)是載波同步的，這使得探測更容易。另一方面，UWB不使用載波，所以定時(shí)必須嵌入在信息之中，這需要大量的鄰近頻譜。請(qǐng)注意：當(dāng)采用同等分辨率帶寬進(jìn)行測量時(shí)，UWB需要更高的信號(hào)功率。

這樣一個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用是很廣泛的，尤其是當(dāng)用在固定無線系統(tǒng)時(shí)。借助xMax,供應(yīng)商可以向商業(yè)和家庭用戶提供高數(shù)據(jù)傳輸率。通過采用更低的頻率頻譜，系統(tǒng)可以獲得更遠(yuǎn)的信號(hào)距離和更好的信號(hào)穿透率。其結(jié)果是，供應(yīng)商不必建設(shè)那么多接入點(diǎn)或發(fā)射塔。例如，高通公司最近為它所提出的700MHz頻帶處的“媒體廣播”服務(wù)購買了全國范圍的許可，以提供單向的高質(zhì)量視頻和音頻。該公司表示，這個(gè)頻譜允許一個(gè)全國范圍的網(wǎng)絡(luò)所用的發(fā)射塔數(shù)量只是蜂窩和更高頻率系統(tǒng)的30到50分之一。xMax原型系統(tǒng)使用一個(gè)窄帶VHF尋呼信道，可提供更遠(yuǎn)的覆蓋距離。