从有线迈向无线之路

一个时代一个潮流

电话业务大多数仍是有线的，但是手机日益普及的现象不断侵蚀电话市场。实际上这一平衡可能会彻底发生倾斜，因为就用户数量而言手机服务已经超过了有线电话服务。不要忘了家用有线电话向无绳电话的过渡。我虽然没有看到任何统计数据，但是我估计超过一半的家庭使用的都是无绳电话。

通信领域接下来的一次新变化是开始于20世纪70年代基于有线系统的计算机联网。长距离联网使用的是国内电话线，采用300波特和1,200波特的调制解调器以及特别“快速”的56kbps线路。局域网(LAN)的出现稍晚一些。以太网出现在1973年，采用的是RG-8/U同轴线缆，后来又出现了诸如RG-58/U之类较细的线缆。最后，非屏蔽双绞线(UTP)首次用作电话线，然后CAT5和CAT6之类的改良型线缆成为普遍使用的互连线。

LAN目前正向无线互连的趋势发展。它开始于90年代的802.11标准，但是直到1997年制订802.11b标准之后才得以快速发展。之后，我们很快体验到了互连速度更快的11a和11g版本。目前，速度最快的11n版本占主导地位。

有线以太网并没有消失，它们的速度变得更快了—首先是100Mbps，然后出现了1Gbps，现在达到了10Gbps。速度较快的以太网由光纤组成，但是无线互连仍然是发展趋势。随着企业级网络的扩大，采用无线网络扩展能够实现更大的灵活性和方便性。IEEE仍在继续研究速度更快的无线LAN链路。

无线网络也占据了家用网络市场。早期的家用网络采用的是UTP以太网和其他一些有线联网技术，例如有线电视同轴线、电力线和电话线系统。其中一些联网方式仍然存在，但是超过80%的家用PC网络使用的是Wi-Fi。虽然802.11n在家庭或企业环境下能够在100m距离上实现300Mbps的速度，但是人们正在研究速度超过1Gbps以上的无线互连技术。

顺便提一句，Wi-Fi还为我们带来了其他一些方便：热点地区的宽带无线接入功能。当我们在宾馆、机场、咖啡馆、会议中心和其他一些公共场所，我们可以利用我们的笔记本电脑方便地连接到Internet，处理e-mail和其他一些工作。您甚至可以通过笔记本电脑中的手机插卡实现无线接入。目前基本上所有的笔记本电脑都内置了Wi-Fi，很快很多笔记本将支持WiMAX，从而在大部分主要城市中都能够实现宽带无线接入。

有线互连方式仍是城域网(MAN)和广域网(WAN)的主流，其中主要采用的是光纤(参见www.electronicdesign.comED在线19068“Wired Won't Go Down Without A Fight”一文)。光纤具有极快的传输速度，很多无光光纤也在使用之中。光纤网仍将构成网络互连的骨干网，尤其是Internet。

但是无线互连的趋势也正逐渐体现在MAN领域。使用微波和自由空间光学系统的无线链路已经开始应用。此外，在毫米波段上人们正在研究用作设备的速度更快的链路。

对于最常见的有线MAN—有线TV网络，其主要的分布网络采用的是光纤，而在家中则采用的是同轴线缆。大多数家庭仍通过有线线缆收看电视，在美国大多数高速宽带Internet接入也是通过有线系统构成的。目前，WiMAX宽带无线互连技术开始进入这一市场。

WiMAX能够提供与有线TV和DSL服务相媲美的高速无线Internet连接，Clearwire、Sprint Nextel和TowerStream已经为此推出了新系统。WiMAX的出现不会彻底击退有线系统，但是引入了竞争机制，没有(有线)宽带接入服务的农村地区可以(通过WiMAX无线接入的方式)享受到21世纪的信息服务。我们甚至可以通过这种方式实现基于Internet协议的网络电视(IPTV)。

在20世纪90年代末之前，手机只能提供语音服务。后来出现了数据服务和所谓的2.5G时代。GSM TDMA电话增加了GPRS服务，CDMA2000电话增加了1xRTT服务。具有更高速度的EDGE和EV-DO随后出现。

此后，我们凭借基于GSM网络的WCDMA进入了3G时代，并通过EDGE和HSDPA/HSUPA/ HSPA+进行了进一步升级。CDMA2000领域(EV-DO)新增了Rev. A升级版。今后的4G服务将使用长期演进(LTE)技术，也有可能采用超移动宽带(UWB，如图1所示)。在全球范围内WiMAX的应用将出现不同的趋势，在美国则可能不会用于移动电话服务。

注意到移动通信的另外一个发展趋势。目前，在美国有超过200,000个移动通信基站使用有线回路系统连接电话主系统。这种常用的T1数字线能够容纳24路通话。增加用户容量并扩大移动通信的数据应用需要更多更快的回路。

为了解决这一问题，人们引进了更昂贵的租用T1线以及更快的T3(44Mbps)线。有些地方甚至采用了异步传输模式(ATM)和光纤技术。此外，工程技术人员曾经尝试使用微波回路和光纤。

今后，无线回路的使用将会扩大。但是真正的解决方案可能是使用以太网和IP回路，包括使用多协议标签交换(MPLS)技术在IP网络上提供服务质量(QoS)。这可以采用有线的方式也可以采用无线的方式。无论如何，回路是移动通信载波最关键的问题之一。

工业联网也开始倾向于采用无线的方式。由于可靠性和维护问题，人们在实现传感器与控制系统的连接以及终端执行器(电机、泵、螺线管等)与系统的连接时并不喜欢采用无线互连。但是，目前的无线互连方案在可靠性和安全性方面比以往有了进一步提高。

工业网络广泛采用了Wi-Fi以及无线传感器技术，例如ZigBee。此外，网状网也用于实现各种传感器之间的互连，扩展了系统范围和可靠性。各类专用的和标准的无线链路正逐步取代使用Modbus、Profibus设备总线、HART等技术的老式有线工业网络。

机到机(M2M)无线技术的发展也遵循这一路线。M2M采用蜂窝系统在各个行业实现了多种监测和控制功能(如图2所示)。人们在卡车车队和一些运输工具中安装微型GSM或CDMA手机收发器，实现货物跟踪功能；还用于监测远程油库，安装到安全系统中，以及监测自动售货系统。

M2M的应用推广是最“沉寂”的无线应用转换过程之一，但是它却以每年2位数的速度快速增长。相关应用将会继续增长，成本也将持续下降。

实现之路

当然，有线向无线的转换将继续向前推进。在这一趋势下，无论任何时候，无线领域都不断出现一种技术向另一种技术的转变，或者较老的技术向改进型技术的转换。在这一发展趋势的背后隐含的是市场对更高数据速率永无休止的需求。尽管安全性和QoS指标非常重要，但是在无线通信的各种要素中最关键的还是速度问题。

正交频分多址(OFDM)、多入多出(MIMO)、软件无线电(SDR)以及调节状态(regulatory conditions)等技术已经铺平了有线向无线转换的道路。

OFDM是一种调制技术，它将一路高速串行数据信号分解成多个速度较慢的数据流，然后使用这些数据流在较宽的带宽上调制多个相邻的窄信道。每个信道上的调制通常采用二相移键控(BPSK)、四相移键控(QPSK)或者变体正交调幅(QAM)等技术。

经过OFDM调制产生的是一种高带宽、高效率的信号，具有极高的bit/Hz速率。由于这种信号分布在很宽的频带上，因此它更能够容忍微波频率下的常见问题—多路径抵消和衰减效应。此外，OFDM也适合于实现同样频带内多用户使用的高效接入方法(正交频分多址接入，即OFDMA)。OFDM以其出色的性能逐渐取代了很多传统的无线调制方法，包括CDMA扩展频谱方法。

最快的Wi-Fi标准使用的都是OFDM技术，802.11a/g在20MHz频带下能够产生54Mbps的数据速率。宽带无线标准WiMAX(802.16)也采用了OFDM技术(如图3所示)。3GPP未来的LTE 4G移动通信标准也是基于OFDM技术的。最普通的短距离超宽带(UWB)联网技术WiMedia也是基于OFDM的。广播HDRadio使用的是OFDM。所有用于手机的移动电视技术(MediaFLO、DVB-H等)都是基于编码OFDM技术的。

另外一种有助于推动无线通信的技术—MIMO在同一频段上使用多个无线收发器和天线传输多个经过编码的并行数据流，实现了速度更快、更可靠的无线服务。MIMO已经应用于最新的802.11n Wi-Fi标准以及即将推出的WiMAX应用。LTE也将采用MIMO组件。在多路径情况下，MIMO的总体效果是实现了更高的数据速率和更好的链路可靠性。

为了提高OFDM和MIMO的实用性，人们采用了SDR技术。SDR通过基于DSP的软件或者DSP编程的FPGA取代了传统的无线电路。OFDM和MIMO在老式的无线电路上不可能实现，但是利用DSP却比较容易实现。

无线标准也在有线向无线的转换过程中起到了辅助作用。目前，所有无线技术都制订了相应的标准。为此贡献最大的部门是IEEE，他们已经制订了Wi-Fi(802.11)、WiMAX(802.16)和其他一些短距离无线技术的标准，例如用于蓝牙(803.15.3)、ZigBee(802.15.4)和其他通信技术的个人局域网(PAN)标准。

3GPP和3GPP2都制订了手机标准。每组也制订了一些最终被ITU采纳的标准。例如，3GPP制订了GSM、GPRS、EDGE、WCDMA和目前的LTE标准，而3GPP2制订了cdma2000、1xRTT、EV-DO和UMB标准。

标准的推出确保了不同公司产品之间的互操作性。相关的行业论坛、联盟和公会通过认证测试确保不同的产品符合这种互操作性。虽然某些专利型无线技术会偶尔在市场投机中取得成功，但是只有存在严格国家或国际标准的产品才会得到最大规模的采用。频谱可用性在无线通信领域也非常关键。电池频谱是有限的，最终可能会限制无线通信的转换。各个国家都对频谱进行管制，将其分配到各个通信标准和服务领域。在欧洲、亚洲和美国等一些发达地区频谱资源是非常稀缺的。

但是人们研究出了一些具有更高频谱效率的技术，幸亏如此，无线通信才得以向前发展。将通信频率进一步提高，例如毫米波段(30到300GHz)，我们就获得了更多可用的频谱。毫米波段更加难以利用，但是，半导体工艺的进步为我们提供了更先进的设备，使得无线通信的这一发展趋势得以进一步延续。

美国联邦通信委员会正逐步淘汰698到806MHz的老UHF TV频段。这一频段也被称为700MHz频段，最近被拍卖用于新的无线服务。其中大部分频段将被用于具有更快数据处理功能的扩展手机服务，例如LTE中的某些服务。WiMAX将采用新的频段，实现最新的广播移动TV服务，这一服务刚刚开始(参见“Some Interesting Wireless Trends”，Drill Deeper 19069)。

全新的体验

个人和商务通信可能是有线向无线互连转变过程最大的受益者。当然，首当其冲的是手机。ABI的研究表明“随着移动通信在商务活动中的应用不断扩大，它改变了固话通信的价值。”今天，手机业务已在商务和个人的无线通信中占主导地位。数据服务，例如文本处理、电子邮件和Internet访问，以每年两位数的速度持续增长，估计它最终将在大部分用户网络中超过语音通信。

GPS导航和其他一些定位技术无疑开辟了手机服务的新领域。通过GPS接收器，以后逐渐通过我们的手机，就可以立刻定位出我们所在的位置。此外，通过每台新手机中内置的E911功能和相应的应急服务，也可以进行定位。利用可靠的导航与定位技术，基于定位的新服务有望兴旺起来。

某些手机采用了内置的GPS接收器并利用附近蜂窝基站的辅助(成为辅助式GPS)实现定位。还有一些手机采用三角测量方法，利用附近三个蜂窝基站实现定位。这种方法称为上行链路到达时差(U-TDOA)，它不需要内置GPS接收器。TruePosition公司提出了一种A-GPS和U-TDOA方法相结合的混合技术，通过新的算法将定位精度提高到25m以内。