xMax（xMax）

概述

鑒于對無線技術(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，并激勵工程師們推動這些技術(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)時條件來調(diào)整頻譜的使用。在這個概念相對簡單的過程中，網(wǎng)絡(luò)將確認(rèn)用戶需要哪些服務(wù)，識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，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)，相對地消耗了接受信號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收到服務(wù)。頻譜多用途技術(shù)試圖解決這個難題。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FM無線電臺分配的頻譜可同時向一個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)對這個挑戰(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到邊帶并盡可能多地將其從載波信號中移開，xMax解決方案所做的正好相反，它把大部分功率放進(jìn)載波信號以使邊帶能量發(fā)射可以忽略不計(jì)。xMax調(diào)制由一個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，因而對附近的用戶沒有影響。

載波信號與信息關(guān)聯(lián)在一起以加強(qiáng)接收性能。通過采用載波信號來同步發(fā)射器和接收器，相對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必須把定時功能融入到該信號承載的信息之中，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。這個器件允許接收器從接收到的信號中提取相對較弱的信息脈沖，與此同時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)制的另一個優(yōu)點(diǎn)是幾乎所有功率都出現(xiàn)在載波信號中，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，而信息承載信號遍布在最大為100MHz的邊帶上，使得它看起來是一個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的頻譜而不會對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xMax提供第二個信息承載信號，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UWB網(wǎng)絡(luò)相比，一個基于xMax的系統(tǒng)具有多項(xiàng)優(yōu)勢。首先，UWB發(fā)射需要幾個GHz的頻譜，而xMax的“窄帶”版只需要幾MHz數(shù)量級的邊帶。xMax的載波同步本性也使它優(yōu)于UWB，后者使用上千個脈沖來代表一個符號。

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。對比之下，xMax被設(shè)計(jì)成一種WAN技術(shù)，它導(dǎo)致一個較低的發(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，所以定時必須嵌入在信息之中，這需要大量的鄰近頻譜。請注意：當(dāng)采用同等分辨率帶寬進(jìn)行測量時，UWB需要更高的信號功率。

這樣一個系統(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。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)的信號距離和更好的信號穿透率。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，這個頻譜允許一個全國范圍的網(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)使用一個窄帶VHF尋呼信道，可提供更遠(yuǎn)的覆蓋距離。