xMax（xMax）

概述

鑒于對無(wú)線(xiàn)技術(shù)的需求持續升高，業(yè)界領(lǐng)導廠(chǎng)商正在看美國的無(wú)線(xiàn)電管制當局將如何解決RF頻譜不足這一令人煩惱的問(wèn)題。

通常，業(yè)界總比管制部門(mén)先行一步。近些年來(lái)，兩個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域(即認知無(wú)線(xiàn)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(dòng)這些技術(shù)更上一層樓。

認知無(wú)線(xiàn)電(CR)技術(shù)根據其工作環(huán)境的實(shí)時(shí)條件來(lái)調整頻譜的使用。在這個(gè)概念相對簡(jiǎn)單的過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò )將確認用戶(hù)需要哪些服務(wù)，識別哪些用戶(hù)工作在最佳環(huán)境中，進(jìn)而設定最有效的數據傳輸方案以滿(mǎn)足這些用戶(hù)的要求(如圖1所示)。

通過(guò)有意和連續地應用這種過(guò)程，CR技術(shù)可以顯著(zhù)提高頻譜的利用率，并成為目前許多無(wú)線(xiàn)標準的基礎。W-CDMA高速下行分組接入(HSDPA)、3G移動(dòng)無(wú)線(xiàn)技術(shù)和CDMA1x EvDO都利用一種認知調制過(guò)程，試圖從有限的頻譜獲得最高的吞吐量。然而，移動(dòng)無(wú)線(xiàn)不是采用自適應或認知調制過(guò)程的唯一領(lǐng)域。WLAN技術(shù)(802.11a)和固定無(wú)線(xiàn)(Flash-OFDM)也使用類(lèi)似的過(guò)程來(lái)提高總的頻譜利用率

一種被稱(chēng)為 xMax 的新無(wú)線(xiàn)技術(shù)得到人們的廣泛關(guān)注。xMax像WiMax和3G無(wú)線(xiàn)技術(shù)一樣被認為可以滿(mǎn)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(huà)傳輸高速數據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向遠距離輸送大負荷數據。問(wèn)題很簡(jiǎn)單。當你增加網(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(zhù)傳輸速度越快，傳輸距離就越短。

較長(cháng)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(cháng)的距離之上傳送數據，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)被設計使用調制技術(shù)并且只消耗信號接收端較少的電池電力。因為保存電池電力是3 G 和WiMax 長(cháng)距離傳輸的關(guān)鍵。按計劃，xMax在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域將變成極其有價(jià)值的工具。

原理

現有認知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的局限性在于競爭某通道吞吐量的用戶(hù)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“灰色區域”或專(zhuān)用頻譜未使用的區域，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(wú)線(xiàn)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(zhuān)為一個(gè)FM無(wú)線(xiàn)電臺分配的頻譜可同時(shí)向一個(gè)小城市提供寬帶無(wú)線(xiàn)服務(wù)，并且不降低FM廣播的質(zhì)量，那么無(wú)線(xiàn)部署的可能性將呈指數式增長(cháng)。

具有低功率發(fā)射特性的超寬帶(UWB)朝著(zhù)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

一種調制技術(shù)可以潛在地應對這個(gè)挑戰。這種名為xMax的RF調制方案是一種把窄帶載波系統的概念和允許同時(shí)頻譜復用的低功耗寬帶脈沖定位調制(PPM)結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中移開(kāi)，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。xMax調制由一個(gè)RF頻譜利用圖來(lái)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(hù)沒(méi)有影響。

載波信號與信息關(guān)聯(lián)在一起以加強接收性能。通過(guò)采用載波信號來(lái)同步發(fā)射器和接收器，相對較弱的信息脈沖的復原得到簡(jiǎn)化。與UWB相比，xMax需要較少的功率，因為UWB必須把定時(shí)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系統的關(guān)鍵。這個(gè)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(shí)衰減來(lái)自鄰近邊帶中舊有和相鄰用戶(hù)的窄帶干擾和噪音。由于獨立的RF周期調制，WPF采用該信號的峰值功率，而不是平均功率，來(lái)提取信息脈沖。獨立RF周期調制的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是幾乎所有功率都出現在載波信號中，從而使平均功率頻譜密度明顯低于FCC強制的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(lái)是一個(gè)UWB系統。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(hù)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(yǔ)音通道)用于載波成為可能，并可在該通道的任何一側使用高達50MHz的頻譜而不會(huì )對相鄰頻帶用戶(hù)造成干擾。因為xMax邊帶發(fā)射能量低于本底噪音，所以舊有用戶(hù)可以繼續正常操作，同時(shí)xMax提供第二個(gè)信息承載信號，從而允許頻譜復用。

能源因素是第一位的。xMax所用的調制技術(shù)被設計成以一個(gè)正弦波傳輸數據，而不是典型的調制技術(shù)。因此，改變了利用超過(guò)100,000個(gè)正弦波傳輸點(diǎn)的數據，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(zhù)接收裝置不會(huì )消耗很多的能源。為了解決距離問(wèn)題， xMax在千兆赫以下的(sub-gigahertz)范圍內使用頻率頻道，這種頻率能穿透例如墻壁或樹(shù)等障礙，這樣就可以解決距離問(wèn)題。但是1 GHz頻率下面非常狹窄，這就意味著(zhù)很難同時(shí)傳輸大量的數據。研究人員利用多頻率分別傳送的技術(shù)解決了此難題。專(zhuān)家預測xMax無(wú)線(xiàn)新技術(shù)必將成為主流應用技術(shù)。

意義

與一個(gè)UWB網(wǎng)絡(luò )相比，一個(gè)基于xMax的系統具有多項優(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(gè)脈沖來(lái)代表一個(gè)符號。

UWB常常被設計成一種用于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，那么干擾累計的概率是很高的。對比之下，xMax被設計成一種WAN技術(shù)，它導致一個(gè)較低的發(fā)射密度和更低的干擾可能性。FCC的規則禁止UWB應用采用低于3.1GHz頻帶的頻譜，而xMax設計用于低于GHz的頻譜。

最后一點(diǎn)，xMax是一種更有效、更靈活的系統，它需要的寬帶數據傳輸頻帶只有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(shí)必須嵌入在信息之中，這需要大量的鄰近頻譜。請注意：當采用同等分辨率帶寬進(jìn)行測量時(shí)，UWB需要更高的信號功率。

這樣一個(gè)系統的應用是很廣泛的，尤其是當用在固定無(wú)線(xiàn)系統時(shí)。借助xMax,供應商可以向商業(yè)和家庭用戶(hù)提供高數據傳輸率。通過(guò)采用更低的頻率頻譜，系統可以獲得更遠的信號距離和更好的信號穿透率。其結果是，供應商不必建設那么多接入點(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(mǎi)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)射塔數量只是蜂窩和更高頻率系統的30到50分之一。xMax原型系統使用一個(gè)窄帶VHF尋呼信道，可提供更遠的覆蓋距離。