随着消费者对高品质的多媒体、语音和数据等服务需求的增加，以及通信技术本身要求的上升，对千兆位速率和更长距离链接的需求变得迫在眉睫。面对这些，我们该如何应对？

今天，北美、欧盟和亚太地区的管理机构正在联手，以提供使用频谱的新方法。新型无线电系统将继续演化，最终要求在架构、电路和算法层面上进行意义重大的优化。

类似IEEE 802.11n这样的方法正在通过增加现有标准的效率来提高数据速率；其它像超宽带(UWB)和认知无线电等技术则诉诸更高蹈的战略，譬如与其它用户共享频谱资源；而另一种将投入使用的方法由来已久，即转向更高的、尚未使用的频率，例如60GHz毫米波段。

通过增加效率达到Gbps水平相当困难，802.11n仅能适度增加无线带宽，虽然这样做毫无疑问会提高鲁棒性；UWB的共享战略通过严格限制发射功率才可以实现；认知无线电或许不会有这样的限制，但它会持续感知频谱环境，以便在必要的时候改变自身特性以规避干扰；另一方面，毫米波技术虽然可以在新的未授权波段内以高功率水平使用传统无线电技术，但是如果想借助CMOS实现低成本的解决方案，就要求新的设计方法学。

本文将对上述各类方法进行比较，在下一代旨在实现吉比特无线联网的无线设计中，这些方法很可能首当其冲。

下一代WLAN

IEEE 802.11n是流行的802.11系列WLAN技术的扩展。它原本仅是作为使网络数据吞吐量超越100 Mbps的增强型标准，现在却包含了一整套技术，可以支持各种设备和应用，从单天线、低功耗的VoIP手持电话到拥有4个天线的高性能图形工作站。目前，所有提供802.11a/b/g产品的主要芯片厂商，都在进行802.11n技术的开发工作。此外，Airgo网络公司在该领域还推出了一种与众不同的多输入多输出(MIMO)方法。

IEEE期望802.11n能够在2007年的3月至9月间成为一项正式标准。

为支持上述应用，802.11n规范在这种联网堆栈的媒体存取控制层(MAC)和物理层(PHY)采用了多种数字和模拟技术。MAC技术的范围从多接收器集合(以增加VoIP系统的效率并降低功耗)到面向海量数据传输的巨型帧支持。

PHY技术包括：用来增加无线链接频谱效率的256进制正交调幅(256 QAM)、40MHz通道绑定以及单/多天线空间复用，以支持带有1到4根天线的单输入/单输出和MIMO系统；其中最后这项是802.11n系统的关键优势。

除这些功能外，802.11n还具备对前代系统(802.11a/b/g WLAN)的支持。

802.11n包罗万象的特点同时也是其最大的桎梏。为了支持各种不同的应用和旧有协议，802.11n系统必须支持各种混合特性，这无形中增加了实现的复杂性和成本。空间复用和MIMO系统显著增加了处理信号所必需的芯片数量：从一根天线到支持新标准中的4根天线，这种增加将无线系统中某些部分的复杂性增加了64倍。

若想在无需大量占用新频谱资源的条件下支持802.11n标准所提供的最大数据传输速率(高于500 Mbps)，就需要提升香农定律的极限，将目前802.11a和802.11g系统中的2 bps/Hz的频谱容量提升至16 bps/Hz。这将限制较高数据传输速率下的通信范围和可达到的误差率。

如果这样的话，预计多数802.11n系统的实际吞吐量仅会达到100到200 Mbps。

超宽带

UWB中包括一系列由美国联邦通信委员会(FCC)批准的技术，可以在3.1-10.6 GHz间的7 GHz频谱(与其它用户共享)内传输极低功率的信号。UWB无线电实现的挑战在于，如何充分利用其带宽来提供高数据速率，同时确保这种解决方案与802.11n等技术相比具有更低的成本。

目前已经有两种竞争的UWB方案获得了发展，其中一种方法基于跳频正交频分复用(OFDM)，与802.11a/g系统有许多相似的特性；另一种从根本上讲是新方法，它使用脉冲信号取代正弦波来发送数据。

OFDM的一个主要挑战是它的总体复杂性与目前的802.11系统相当，这意味着想要大幅降低成本和功耗不太可能。另一方面，脉冲无线电使用一个简单的脉冲发生器驱动天线，并且发射一个通带脉冲(passband pulse)，宽带天线和可能采用的带通滤波器决定了该脉冲的形状。

直接序列UWB方案使用对映信令(antipodal signaling)或脉位调制(PPM)，具有更低的线性度要求，但是考虑到该方法缺少可扩展性，WiMedia联盟等大型行业组织已经拒绝使用该方法。

各种不同方案间的竞争引发了IEEE标准的困境，从而导致UWB产品问世时间的推迟。虽然利用简单的无线电传输数百兆数据的前景十分诱人，但是如果想要达到Gbps的链接速率，其过低的发射功率仅能提供极其有限的传输范围。

虽然现在全世界仅有美国使用UWB，而且应用范围也仅限于短距离链接，但是旨在放松其管制的各种努力却在进行之中，而且许多公司都大力支持该项技术。同样，在一系列可行的应用领域中，UWB开始崭露头角。另外，随着人们对脉冲无线电实现的不断了解，或许人们可能发现一条可扩展的低成本实现之路。

认知无线电

认知无线电的支持理念是通过感知频率、时间和空间域等频谱环境实现频谱共享，然后在闲置维度进行传输。这种新的无线电功能将涉及多种新的模拟和数字信号处理技术，以完成必需的时变频谱感知、宽带频率捷变(wideband-frequency agility)和空间辨别。为了将认知无线电的作用发挥到及至，人们很期待它能够在UWB所使用的3-10GHz频段内进行操作，但是想要FCC对此做出任何决定恐怕需要很长的时间。

但是无论如何，我们仍有希望看到FCC最终做出这样的决定，因为FCC现在正在通过一项“规则制定进程”，新的进程或许会允许认知无线电中某些有限的形式在400-800MHz的数字电视频段上得以运行。

使用功耗水平合理的宽带宽所带来的优势，可能最终会为达到Gbps数据传输速率提供一条途径。

就如目前人们还不知道如何才能最好地实现脉冲无线电一样，在实现认知无线电方面也仍有许多有待学习的地方，例如如何可靠地规避主用户，从而使第二用户不被弱化。IEEE去年底在美国的巴尔的摩市召开了DySpan 2005大会，首次聚焦此类无线电技术。

毫无疑问，这昭示着一种频谱使用新方法的开始。

虽然目前尚有许多有关认知无线电的管理工作要做，但是在毫米波频段，该项工作已经展开。特别值得一提的是，这里存在一个实质上空闲且未授权的频段，范围从57到66GHz。未被使用的部分原因是由于频率在60 GHz时会被氧气吸收，所以亚洲、欧洲和美州的管理者都允许用数十到数百瓦的等效全向辐射功率(EIPR)进行无线发射。宽带宽和高允许发射功率潜在地使多千兆位无线传输成为可能，虽然在低成本的千兆链接实现以前，几个关键性的问题必须得以解决。

历来，毫米波器件仅在昂贵的大型化合物半导体中可行，例如磷化铟和砷化镓，这限制了其在成本仅为上百或数千美元无线电中的使用。为了使其获得广泛认同，以低成本技术(即CMOS)实现毫米波电路是必由之路。

最近，伯克利无线研究中心(一家研究联盟)与加州大学伯克利分校的合作研究结果显示，130纳米CMOS具有足够的性能，可以用于60 GHz的集成无线电方案。另外，研究人员发现利用片上发射线能催生一个可被高度复制的设计方法学。

许多人还相信，毫米波的特性会给高数据速率无线通信造成一种非常困难的传播环境。虽然氧气吸收导致了15dB/千米的损耗，但是在100米时，损耗只有1.5dB，所以对室内应用来说，氧气吸收所造成的损耗可以忽略不计。

除氧气吸收以外，人们相信还有另一个损耗：它与频率的平方成比例，可以由富莱斯(Friis)路径损耗公式推出。这种“损耗”归结于另一个因素：如果使用像半波长偶极子这样的全向天线，当频率增加时，天线的有效面积随频率平方的增加成比例缩小。换句话说，如果天线的覆盖面积保持不变，那么说明路径损耗没有增加。事实上，这里存在一个会随频率平方而增加的“增益”，因为天线(覆盖面积大于半波偶极子)是有方向的，它将带有一个无源增益。

例如，一个有效面积是1平方英寸的60GHz天线，它的增益大约会是25 dB，但是该增益却以高度的方向性为代价。这意味着，如果想充分发挥毫米波无线电的潜能，就需要一个能够精确定位的解决方案。

无线技术的进步为可靠性增强的超高数据速率传输提供了可能，并且可以更好地利用无线频谱资源。上面所介绍的每项技术，都有各自性能上的优势，也拥有各自不同的缺陷，这些缺陷必须予以克服。

但是我们很清楚地看到，为了达到更高数据速率链接应用的要求，也就是实现超越Gbps的目标，最终会出现一个整合了上述部分或全部方法的解决方案。

作者：Robert W. Brodersen

加州大学伯克利无线研究中心联合总监