RF射频技术在无线通信领域的应用及发展

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        什么是射频Radio Frequency ,简称RF射频就是射频电流,它是一种高频交流变化电磁波的简称。每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流,大于10000次的称为高频电流,而射频就是这样一种高频电流。射频技术在无线通信领域具有广泛的、不可替代的作用。

  蓝牙射频技术

  蓝牙无线技术采用的是一种扩展窄带信号频谱的数字编码技术,通过编码运算增加了发送比特的数量,扩大了使用的带宽。蓝牙使用跳频方式来扩展频谱。跳频扩频使得带宽上信号的功率谱密度降低,从而大大提高了系统抗电磁干扰、抗串话干扰的能力,使得蓝牙的无线数据传输更加可靠。

  在频带和信道分配方面,蓝牙系统一般工作在2.4GHz的ISM频段。起始频率为2.402GHz,终止频率为2.480GHz,还在低端设置了2MHz的保护频段,高端设置了3.5MHz的保护频段。共享一个公共信道的所有蓝牙单元形成一个微网,每个微网最多可以有8个蓝牙单元。在微网中,同一信道的各单元的时钟和跳频均保持同步。蓝牙具有以下的射频收发特性。蓝牙采用时分双工传输方案,使用一个天线利用不同的时间间隔发送和接收信号,且在发送和接收信息中通过不断改变传输方向来共用一个信道,实现全双工传输;蓝牙发射功率可分为3个级别:100mW、2.5mW和1mW。一般采用的发送功率为1mW,无线通信距离为10m,数据传输速率达1Mb/s。若采用新的蓝牙2.0标准,发送功率为100mW,可使蓝牙的通信距离达100m,数据传输速率也达到10Mb/s。除此之外,蓝牙标准还对收发过程的寄生辐射、射频容限、干扰和带外抑制等做了详尽的规定,以保证数据传输的安全。蓝牙无线设备实现串行通信是通过无线射频链接,利用蓝牙模块实现。蓝牙模块主要由无线收发单元、链路控制单元和链路管理及主机I/O这3个单元组成。就蓝牙射频模块来说,为了在提高收发性能的同时减小器件的体积和成本,各公司都采用了自己特有的一些技术,从而使蓝牙射频模块的结构都不尽相同。但就其基本原理来说,蓝牙射频模块一般由接收模块、发送模块和合成器这三个模块组成。

  其中,合成器是收发模块中最关键的部分。合成器在频道选择和接收模式时采用锁相环技术。在接收模式下,锁相环路闭合,用于提供接收模块解调信号所需稳定的本振。在发送模式下,锁相环路开路,调制信号直接加载到VCO上对载波进行调制。此时载波频率由环路滤波器输出电压保持。通常合成器的工作频率仅为发射频率的一半,以减少与射频放大器的耦合。

  下一代WLAN射频技术

  第一代的WLAN解决方案对于用户密度变化的反应能力非常有限,并且不能有效的优化带宽资源。随着WLAN负载的增加,现存的产品通常无法判断临近的接入点的负载和用户量是否相近,也无法判断是否有必要和临近的接入点分担负载。用户负载均衡要求使用更为集中的软件控制,通过这个软件来实现基于系统级的网络效率的评估,从而优化用户和接入点的比例。

  下一代的系统将充分利用整个软件框架来实现接入点的失效探测并且将根据附近接入点的工作情况来自动调整。通过控制每个接入点的输出传输功率和操作频率,系统可以允许特定的接入点通过增加功率或者改变信道的方式来填补可能出现的没有覆盖到的漏洞,或者减轻接入点间的相互干扰,从而增加网络的稳定性。更进一步的是,如果某个接入点失效,系统可以指导特定的接入点分担一定的客户端以优化通信路由和网络负载。最后,接入点通过这种方式可以知道在他们周围发生了什么事情,并且可以探测范围内的漏洞。由于无法预测RF覆盖模式,系统的可用性在很大程度上可能会受到一些表面上看起来无害行为的影响,例如电梯的移动都会影响系统的可用性。虽然很多企业会回避那些过于自适应的系统,但是通过增加输出功率的办法可以使得系统能够探测范围内的漏洞并对其进行修补,另外还可以带来其他的益处例如增加网络的正常运行时间。

  在考虑无线网络的扩展性时,对RF域有一个全面的认识也是非常有益处的。下一代的接入点将有能力提供双频连接,包括对802.11b,802.11g,以及802.11a。对于有限可用的频谱如2.4GHz和5GHz频率,任何网络设计的目的都应该是优化可用信道的使用,为每个客户端提供最大数量的带宽。

  在整个无线网络的安全体系中,RF媒介扮演了一个截然不同的角色。虽然物理层并不负责设备和用户的认证,也不负责对空中传播的数据包进行加密,但是,对于那些未授权的接入点或者可疑的客户端设备行为,它可以提供重要的数据。虽然在市场上有很多种探测器解决方案,但是大多数产品的配置方案都是覆盖整个网络,而不是将其集成到一个单一的系统中。无线接入点应该能够以探测模式操作,从而可以判断其它的无线组件的配置是否正确。他们应该还可以报告哪些接入点或者客户端设备还没有得到ITO的批准。理想的情况是,这种无线探测的RF实现方法应该可以通过有线的实现方法来进行补充,并且有相应的能力将在无线网络中探测的可疑行为和在有线环境中收集到的信息进行对应。通过这种相关能力,系统可以判断这种可疑的接入点是属于某个主机网络还是只是邻近企业的基础设施的一部分。另外,通过连续不断的监控网络行为,系统可以执行入侵检测和防止入侵的功能,并且可以报告哪些是具有欺骗性质的接入点、哪些是Ad hoc网络、哪些是拒绝服务攻击以及中间人攻击等。

  网络优化中的射频管理

  在进行网络优化的时候,我们必须保证在传输能量的同时没有形成叠加,这对每个使用同一频率的CDMA系统的小区来讲尤其重要。

  射频管理就是保证射频能量在不造成任何污染的情况下进行传播——让能量到需要它的地方去,远离不需要它的地方。因此,抑制天线旁瓣和后瓣并且通过调校电倾角来调整天线覆盖范围是相当重要的。小区越小时,其重要性越为突出。有关研究显示干扰影响大小与天线上波瓣的抑制度有关。在寻求降低干扰水平时,尽可能地对天线上波瓣进行抑制。过去,上波瓣的抑制度通常在12dB以内,而如今的目标抑制度已达到了18-20dB。RFS的Optimizer系列天线更在整个倾角范围内取得了高于20dB的抑制度。旁瓣相对于主瓣越小,天线抵御同频干扰的能力就越强。如果引起干扰的不是第一上波瓣,则可能是第二上波瓣,因此每个不需要的信号都必须尽量小。电倾角调校功能是现代成熟网络的小区规划和管理的一大优势。以机械方式对天线波束进行倾角调校虽然易于操作,但对杂散旁瓣的辐射收效甚微,甚至会增加来自于后瓣的干扰。而电倾角调校技术能将所有的主瓣、后瓣和旁瓣倾斜至同一角度,也就是说,电倾角调校技术可在不同倾角角度对旁瓣进行辐射管理,以加强对干扰的控制。

远程天线倾角控制技术主要是指从天线塔顶以外的其它地点对天线倾角进行控制的能力。远程倾角控制有许多优点:无需租用设备登临天线塔的费用;避免了对在同一地点拥有基站的其它运营商的影响等。它能够帮助运营商全天动态地根据业务流量模式的变化对网络进行调整,是多功能高性能天线的另一个基本特性。

  超宽带(UWB)无线技术

  超宽带(UWB)是一种无线射频技术,支持家电、电脑外设和移动设备在短距离内高速传输数据,且功耗非常低。该技术是无线传输高品质多媒体内容的理想选择。UWB技术使用宽带无线频谱在短距离(如在家中或小型办公室中)内传输数据,与传统无线技术相比,它能够在特定时段通过无线方式传输更多的数据。这一特性与低功耗脉冲数据交付(pulsed data delivery)功能相结合,加快了数据传输速度,同时也不会受到现有其它无线技术(如Wi-Fi、WiMAX和蜂窝广域通信)的干扰。

  冲激无线电(Impulse Radio,IR)是最有希望的超宽带技术之一。IR信号由极窄的脉冲串组成,这些脉冲在时间上伪随机出现。伪随机性依靠跳时码实现,跳时码的作用是让发射信号随机化,有利于用户分隔和谱成形,以避免窃听。信号的调制方式可以用脉冲幅度调制(PAM)或脉冲位置调制(PPM)。为了确保低成本的超宽带设备,所有脉冲都具有同一波形。

  与现有的无线通信技术相比,UWB无线通信技术所使用的通信载波是连续的电波,形象地说,这种电波就像是一个人拿着水管浇灌草坪时,水管中的水随着人手的上下移动形成的连续的水流波动。几乎所有的无线通信包括移动电话、无线局域网的通信都是这样的:用某种调制方式将信号加载在连续的电波上。与此相比,UWB无线通信技术就像是一个人用旋转的喷洒器来浇灌草坪一样,它可以喷射出更多、更快的短促水流脉冲。UWB产品在工作时可以发送出大量的非常短、非常快的能量脉冲。这些脉冲都是经过精确计时的,每个只有几个毫微秒长,脉冲可以覆盖非常广泛的区域。

  超宽带技术带来一个优点,即电路更简单,尤其是在接收端,因为不需要本地生成载波,也不必提供多级混合电路、成形滤波等。但是,使用载波扩频所带来的优点胜过超宽带技术。超宽带本身是一类基带信号(虽然其频谱范围达到数GHz)。在这种情况下,频谱的近直流和中远部分的传播特性具有不同的特点,使得这项技术局限于短距离通信。对于长距离通信而言,特别是中继,扩频技术更合适一些。

  射频技术在通信领域的应用,目前仍处于开拓状态,应用还不是很广,但随着射频通信技术的成熟,未来市场需要巨大,前景广阔。