RF通信技术发展近况

　　移动应用的无线射频技术需求度高，整合新的调制技术是提高传输效率以及抗干扰的最大手段。虽然不是每一种无线射频标准都有超高的带宽需求，因此在调制与扩频技术要求上也各有不同。

　　一、扩频技术

　　扩频技术的无线局域网络产品是依据FCC（Federal Communications Committee；美国联邦通讯委员会）规定的ISM（Industrial Scientific， and Medical），频率范围开放在902～928MHz及2.4～2.484GHz两个频段，所以并没有所谓使用授权的限制。扩频技术主要又分为“跳频技术”及“直接序列”两种方式。而此两种技术是在第二次世界大战中军队所使用的技术，其目的是希望在恶劣的战争环境中，依然能保持通信信号的稳定性及保密性。

　　近代的扩频技术则朝向商业用途发展，主要的目的是完成分码多重存取（code division multiple access， CDMA ）技术以取代之前的分频多重存取（frequency division multiple access， FDMA ）及分时多重存取（time division multiple access， TDMA）。比较严格的扩频定义包含两个部分。其一，经由扩频调制之后，其传送信号带宽应远大于原始未做展频调制之信号带宽其二，频谱之展开是由于传输端采用了一个独特的码（code），此码与传送数据是无关的，接收端必须使用这个独特的编码才能解开展频，并且获得传输端的数据。

　　

　　早期扩频被军方所采用，是因为扩频后，单位频率的功率值降低，截收者不易通过频谱分析仪获得敌方通讯的信息；即使电波被接收了，由于截收者不知道展频码的内涵，因此无法回复编码的信息。所以扩频通讯亦具有简单的保密通讯能力。通过扩频信号的自相关特性可以改善多路径干扰所造成通讯质量恶化的现象。利用此技术可完成分码多任务通讯，此性质已用于蜂巢式移动电话，我们称为分码多任务或分码多任务存取技术，采用扩频技术，多个使用者能够借此获得更大的可使用带宽，对于以基地台为信号传输方式的带宽共享式移动宽带标准而言，是非常有用的技术。

　　1、跳频技术 （FHSS）

　　跳频技术（Frequency-Hopping Spread Spectrum； FHSS）在同步、且同时的情况下，接受两端以特定型式的窄频载波来传送信号，对于一个非特定的接受器，FHSS所产生的跳动信号对它而言，也只算是脉冲噪讯。FHSS所展开的信号可依特别设计来规避噪讯或One-to-Many的非重复的频道，并且这些跳频信号必须遵守FCC的要求，使用75个以上的跳频信号、且跳频至下一个频率的最大时间间隔（Dwell Time）为400ms。

　　2、直接序列展频技术 （DSSS）

　　直接序列扩频技术（Direct Sequence Spread Spectrum； DSSS）是将原来的信号“1”或“0”，利用10个以上的chips来代表“1”或“0”位，使得原来较高功率、较窄的频率变成具有较宽带的低功率频率。而每个bit使用多少个chips称做Spreading chips，一个较高的Spreading chips可以增加抗噪讯干扰，而一个较低Spreading Ration可以增加用户的使用人数。基本上，在DSSS的Spreading Ration是相当少的，例如在几乎所有2.4GHz的无线局域网络产品所使用的Spreading Ration皆少于20。而在IEEE802.11的标准内，其Spreading Ration大约在100左右。

　　3、 FHSS与 DSSS调制差异

　　无线局域网络在性能和能力上的差异，主要是取决于所采用的是FHSS还是DSSS来实现、以及所采用的调制方式。然而调制方式的选择并不完全是随意的，像FHSS并不强求某种特定的调制方式，而且，大部份既有的FHSS都是使用某些不同形式的GFSK，但是，IEEE 802.11草案规定要使用GFSK。至于DSSS则过使用可变相位调制（如PSK、QPSK、DQPSK），可以得到最高的可靠性以及表现高数据传输性能。

　　在抗噪讯能力方面，采用QPSK调制方式的DSSS与采用FSK调制方式的FHSS相比，可以发现这两种不同技术的无线局域网络各自拥有的优势。FHSS系统之所以选用FSK调制方式的原因是因为FHSS和FSK内在架构的简单性，FSK无线信号可使用非线性功率放大器，但这却牺牲了作用范围和抗噪讯能力。而DSSS系统需要稍为昂贵些的线性放大器，但却可以获得更多的回馈。

　　4、 DSSS与FHSS之优劣

　　截至目前，若以现有的产品参数详加比较，可以看出DSSS技术在需要最佳可靠性的应用中具有较佳的优势，而FHSS技术在需要低成本的应用中较占优势。虽然我们可以在因特网内看到各家厂商各说各话，但真正需要注意的是厂商在DSSS和FHSS展频技术的选择，必须要审慎根据产品在市场的定位而定，因为它可以解决无线局域网络的传输能力及特性，包括抗干扰能力、使用距离范围、带宽大小、及传输数据的大小。

　　一般而言，DSSS由于采用全频带传送数据，速度较快，未来可开发出更高传输频率的潜力也较大。DSSS技术适用于固定环境中、或对传输质量要求较高的应用，因此，无线厂房、无线医院、网络小区、分校连网等应用，大都采用DSSS无线技术产品。FHSS则大都使用于需快速移动的端点，如移动电话在无线传输技术部份即是采用FHSS技术；且因FHSS传输范围较小，所以往往在相同的传输环境下，所需要的FHSS技术设备要比DSSS技术设备多，在整体价格上，可能也会比较高。

　　然而直接序列扩频系统的准噪声产生器会以远快于数据速率的片码速率（Chip Rate）产生准噪声码，然后对数据速率下的数据输出以及片码速率下的准噪声产生器输出进行模2加法（Modulo-2），再将结果送到相移键控调制器（PSK Modulator），扩频接收器则会利用准噪声码的复杂关联性进行信息序列译码。

　　而另一个值得注意的重点，直接序列扩频是一种成本很高的解决方案，严苛的同步要求使得系统实作变得极为困难。此外，直接序列扩频还需要二阶相移键控（Binary PSK）之类的同调调制技术，这些因素让直接序列展频不适用于简单、低成本、低数据速率的ISM频带收发器，针对此类应用，跳频扩频可能才是这类应用的理想解决方案。

　　二、OFDM技术

　　OFDM（Orthogonal Frequency Division Multi-plexing；OFDM）也是扩频技术的一种，在其发展历程上，以目前普遍的Wi-Fi标准沿革为例，Wi-Fi无线网络是IEEE在1997年所公布，当初规定输出功率为1W，天线增益至少6db，最初是以跳频扩频（Frequency Hopping Spread Spectrum， FHSS）、直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum， DSSS）、或红外线传输等技术来进行2.4GHz频带中1~2Mbps之数据传输，该标准并可支持同步及异步之语音、数据传输。

　　1999年9月制定，源自IEEE 802.11直接序列展频（Direct Sequence Spread Spectrum；DSSS）技术，别名IEEE 802.11 HR（High Rate）的IEEE 802.11b标准，其传输速度依调制方式分为1Mbps（BPSK）、2Mbps（QPSK）、5.5Mbps与11Mbps（CCK）四种，由于技术架构与802.11一脉相成，且业界积极推广，因此迅速席卷全球无线局域网络市场。而与802.11b同期发展，同样身为802.11补充标准的802.11a，采用别树一格的OFDM正交频分复用技术，以及5GHz的ISM波段，在物理层传输带宽上可达802.11b将近五倍的速度表现。

　　由于OFDM能在不需要复杂均衡算法条件下解决常见的射频失真问题，并能在频域中轻易扩展，其独特优势已开始崭露头角。过去几年，OFDM技术已成功应用在一些无线领域，如WLAN、广播（DVB）和WiBro/WiMAX。

　　

　　举例说明，2006年IEEE.802.11的工作研讨小组批准的一个建议书便特别指定使用OFDM编码方式，以便因应下一代无线网络之需求。而在数字电视方面，全球数字影像传输（DVB-T）标准中，也应用此技术使数据传输速率达到15Mbps的带宽表现。OFDM技术近来已经采用于数字音频广播（DAB）系统、数字无线传输以及欧洲标准的数字视讯广播（DVB）系统中，它可以有效地解决通讯传输中的频率干扰及多重路径衰弱等问题。

　　此外，虽然采用OFDM的802.11a并不成功，但包括UWB、802.11n、WiMAX以及下一代的4G移动通讯网路等标准仍然采用此调制技术，正也是着眼于OFDM有着可以有效提升带宽表现的长处。

　　此外，虽然采用OFDM的802.11a并不成功，但包括UWB、802.11n、WiMAX以及下一代的4G移动通讯网路等标准仍然采用此调制技术，正也是着眼于OFDM有着可以有效提升带宽表现的长处。

　　

　　三、MIMO技术

　　单纯将OFDM技术加入网络标准，便已经可以大幅改善传输效率，而要进一步改善信号质量与提升传输速度，便要进一步加入另外一种由来已久的技术，也就是MIMO。MIMO（Multiple-Input Multiple-Out-put）系统就是利用多天线来抑制信号信道衰减。根据收发两端天线数量，相对于普通的SISO（Single-Input Single-Output）单天线进出系统，MIMO还可以包括SIMO（Single-Input Multi-ple-Output）单进多出系统和MISO（Multiple-Input Single-Output）多进单出天线系统。

　　MIMO技术特性的定义就是在相同时间内，能在相同的无线电通道内传输两个或更多的数据信号。MIMO是一种在一个无线电通道内传输和接收两个或多个不同数据串流的革命性多维传输方法，采用这种技术，系统在每个信息信道内传送的数据率将能提高两倍或更多倍。

　　在实际应用上，MIMO可在超过一个的射频上变频器和天线被用来发送多组信号，以及超过一个射频下变频器和天线被用于接收信号。采用MIMO技术之后，每个信息信道的最大数据传输速率，将随着同一信息信道中所传输不同数据串流的数量呈现线性成长。透过允许同时发送多个数据串流，MIMO能在不使用额外的频谱条件下使无线数据传输流量达到数倍增加的程度。

　　Wi-Fi无线网络标准的公认继承者802.11n，在技术规范上，除了可使用与802.11a同样的5GHz ISM波段，同时也支持2.4GHz波段，这点避免了某些地区对特定波段的限制，并且兼容过去所有的Wi-Fi无线网络标准。除了同样采用OFDM调制技术，导入多重输入输出（MIMO）也是有效提升带宽的与对抗干扰的手段之一，藉由此两种技术架构，802.11n在物理层传输速度上可达540Mbit/s，且传输距离也可以更远的地步。在架构上的延续性，基本上我们可以把802.11n当作是802.11a的改良加强版。

　　

　　四、移动网络的IP化

　　近来，由Intel所大力主导，目前炒的沸沸扬扬的802.16 WiMAX无线网络标准，虽然在技术本质上与Wi-Fi无太大的不同，但是着重于长距离传输接入与最后一英里的诉求，却满足了过去Wi-Fi所欠缺的部分。Wi-Fi是属于短距离的无线局域网络，其性质与传统的GPRS、3G网络截然不同，也无法取代ADSL等固接网络，而WiMAX则是针对此两种应用而来。

　　Wi-Fi、WiMAX等无线通讯技术是属于全IP（Internet Protocol）型态的网络，然3G则否，一般应用中的3G仍属交换式网络，一直到2001年的3GPP R4才在核心网络的部分改以IP型态运作，之后在2002年的3GPP R5中则是加入了IP型态的多媒体子系统（IP Multimedia Subsystem；IMS），即便如此，3G也尚未达到完全的IP化，必须等到3GPP R8才有可能实现全面IP化，并将网络全面IP化的特点称为AIPN（All IP Network），3GPP R8预计2009年才会发布，而由于通讯协议的变革，想要导入4G，届时旧有的3G、3.5G设备将可能无法继续更新沿用。

　　网络IP化意指过去的交换式网络的数据流量将会转而以封包形式来进行传输，交换式网络具有流量稳定的优点，但是容易占线，同时可使用的用户少，而采用IP的封包传输之后，虽然封包流量不稳定，且可能容易受到干扰，但是搭配良好的QoS服务，则能够有效提升同时服务的客户数量。而未来的移动通讯网路在带宽上非常有余裕，转而使用封包传输架构，也能够更妥善地管理这些带宽。IP化不代表传统的交换式网络就不复存在，由于交换式网络流量稳定，且可高速传输的特点，应用在后端高速骨干网络或者是交换设备将会十分合宜。

　　五、超宽带技术

　　超宽带（UWB）通讯系统可以被定义成一种拥有极高带宽载波比的无线通讯系统。所谓带宽载波比的定义为信号所占据的带宽对其中心频率的比值。在传统通讯系统中，信号所使用的带宽载波比约小于1%，WCDMA系统的带宽载波比约为2%。根据美国联邦通讯委员会（FCC）的最新定义，中心频率大于2.5GHz的UWB系统其-10dB的带宽至少需要500MHz，中心频率在2.5GHz以下的UWB 系统则需要至少20%的带宽载波比。而在美国国防部先进研究计划机构（Defense Advanced Research Projects Agency，简称 DARPA）所提出的一份报告书则是将超宽带信号定义为带宽载波比大于25%。超宽带技术具有低成本、低耗电、高速度的特性。

　　目前使用超宽带无线电技术主要有脉冲无线电（Impulse radio， IR）与多频带系统（Multi-band system）。对于多频带系统而言，目前关于IEEE 802.15.3a的规格制定，英特尔和TI所主导的 Multi-Band OFDM联盟（MBOA）与 Motorola及XtreamSpectrum等厂商为首的团体僵持不下，后 者则是以Direct Sequence CDMA（DS-CDMA）为技术基础。在UWB DS-CDMA系统中，一个传输符号的时间由于将来源数据乘上了一组特殊设计的三态码（ternary code），因此与脉冲无线调制方式相较，可延长单一符号的时间。

　　在超宽带的频带划分上，DS-CDMA规划了三种频谱使用模式：

　　1.低频带（Low Band）：中心 频率为4.1GHz，带宽1.368GHz，数据传输率可由28.5MHz至400MHz。

　　2.高频带（High Band）：中心频率为8.2GHz，带宽2.736GHz，数据传输率由57MHz到800MHz。

　　3.多重频带（Multi-Band）：即共同使用了高频与低频的两个频带，数据传输率最高可达 1.2GHz。

　　

　　在多重频带的使用模式中，高频与低频两个频带在使用上是完全独立的，也就是说可以各自选择不同的调制方式、分码多任务的展码型式与前置错误更正码…等。由于频带规划上完全避开了 UNII（Unlicensed National Information Infrastructure Band：5.725～5.825 GHz）频段，因此能够避免了彼此间的相互干扰。