无线技术正在快速发展，以实现无论您身处世界何处都能进行无缝连接的目标。本白皮书着眼于无线连接的趋势和设计挑战，以及无线工程师如何使用 MATLAB® 和 Simulink® 来设计、建模、仿真和测试现代无线网络。
无线通信实现了高速互联网连接、移动电话呼叫以及智能工厂中的物联网 (IoT) 连接。这种泛在连接是通过广泛的无线技术实现的，包括全球广域网（卫星链路）、蜂窝广域网（5G 和 5G Advanced）、局域 Wi-Fi® 网络以及个人局域网（如 Bluetooth® 和 ZigBee®）。
图 1. 泛在连接是无线通信的目标，涉及不同的无线网络类型。
MATLAB 和无线通信相关工具箱使工程师能够快速进行无线连接系统的设计、建模、仿真、测试、验证和原型构建。无线工程师可以使用这些产品生成和分析基于标准的波形、度量链路级性能，并创建黄金参考模型以验证标准一致性。开发工作流包括在 MATLAB 或 HDL 中利用相关的软件定义无线电 (SDR) 平台构建收发器算法的原型。工程师还可以仿真并分析可能相互干扰的多个无线系统之间的共存情况。这些工具箱函数是完全可定制的，使团队能够加速实施并探索最新的卫星、5G、WLAN 和蓝牙技术。
在接下来的几个小节中，我们将探索各种泛在连接技术，以及使工程师能够对这些网络进行建模、仿真、分析、设计和测试的相关标准、挑战和资源。
蜂窝连接（从 5G 到 5G Advanced 再到 6G）
负责蜂窝移动通信的标准机构是第三代合作伙伴计划 (3GPP)。自本世纪初以来，3GPP 一直负责 3G、4G（即 LTE）、5G 以及 5G Advanced 系统和网络的标准化工作。最近，3GPP 已着手进行下一代移动通信系统 6G 的标准化工作。
陆基相控阵的辐射方向图
5G NR 旨在支持三种使用场景：
- 增强型移动宽带：提供比上一代 (LTE) 显著更高的数据速度和网络容量
- 超可靠低延迟通信： 专注于提供实时响应能力和可靠性，这对于远程医疗、智慧城市和智能工厂等安全关键型应用至关重要
- 大规模机器类型通信：支持数以百万计连接设备的大规模 IoT 部署
5G Advanced 突破了 5G 可提供的用例，并包含以下用例：
- 泛在连接：与用于全球覆盖的卫星网络相集成，利用卫星和高空平台将 5G 覆盖范围扩展到偏远和农村地区、海洋以及领空。
- 通感一体化 (ISAC)：网络可以同时进行通信和感知周围环境，提供高精度的定位和跟踪。
- 人工智能 (AI) 和机器学习集成：AI 和机器学习被嵌入到整个网络中，以实现动态资源分配、预测性优化和实时适应性，从而使无线网络更加高效。
目前正在开发中的 6G 系统将扩展 5G Advanced 的功能。国际电信联盟 (ITU) 正在制定针对下一代 6G 系统的 IMT-2030 文件，其中包含通信与 AI 融合、ISAC、利用非地面网络 (NTN) 实现泛在覆盖以及绿色节能网络设计等技术。
聚焦：5G Toolbox
使用随 3GPP 版本更新而更新，且基于标准的波形来仿真 5G NR 链路和系统。使用 MATLAB 即可完成生成波形、执行系统级仿真、一致性测试等所有工作。
5G Toolbox 还支持 AI 驱动的无线优化技术，并包含一个用于构建下一代候选技术原型的 6G 探索库。
开发高效的 5G Advanced 和 6G 系统与网络具有极高的挑战性，并且为实现其新用例提出了严苛的设计要求。MATLAB 及其基于标准的工具（例如 5G Toolbox™）可用于在链路和系统级别进行仿真。由于 5G Toolbox 紧跟每个 3GPP 版本中的 5G 标准更新，它使得设计验证和标准一致性测试的任务变得更加容易。
“6G 正在探索用经过训练的机器学习模型来替换信号处理链的整个模块，例如信道估计和均衡。”
集成原生 AI 与机器学习：
- 物理层 (PHY) 设计必须容纳 AI 和机器学习，以提升在信道估计、波束管理和网络优化等领域的性能。与主要使用 AI 进行优化的 5G 不同，6G 正在探索用经过训练的机器学习模型来替换信号处理链的整个模块，例如信道估计和均衡。这种方法旨在创建一个完全 AI 原生的物理层。
- 通过查看以下随附的 MATLAB 示例，进一步探索这些概念：
增强型与无蜂窝大规模 MIMO：
- 设计更先进的大规模 MIMO 系统需要管理更大的天线阵列和更复杂的波束成形算法。物理层必须处理与高维天线设置相关而增加的处理和信令开销。另一个令人兴奋的开发领域是为 6G 系统提出的无蜂窝架构，在该架构中，用户可以同时连接到多个分布式接入点。
- 通过查看以下随附的 MATLAB 示例，进一步探索这些概念：
ISAC：
- ISAC 系统要求物理层能够同时支持通信和精确感知功能。这意味着这两种功能使用相同的波形，在相同的频率下运行，并使用相同的硬件，而不会降低性能。ISAC 被设想为 6G 系统的核心组件，旨在实现厘米级精度的定位和高分辨率环境感知。
- 通过查看以下随附的 MATLAB 示例，进一步探索这些概念：
“目前有超过 8000 颗通信卫星在地球轨道上运行，服务于电视和无线电广播、导航、遥测、成像和遥感等应用，而且这个数字还在不断增长。”
卫星通信，特别是 NTN，正成为实现泛在连接的重要赋能技术。目前有超过 8000 颗通信卫星在地球轨道上运行，服务于电视和无线电广播、导航、遥测、成像和遥感等应用，而且这个数字还在不断增长。通信卫星通常会进入以下三类轨道之一：地球静止轨道 (GEO)、中地球轨道 (MEO) 和近地球轨道 (LEO)。
使用 LEO 卫星星座进行无线连接是一种新兴趋势。这类系统的轨道高度距地球表面 160 至 1000 公里，可以为全球各处的人们提供高速的网络连接。例如，Starlink 系统已经在轨部署了数千颗卫星，并计划再发射数千颗。
聚焦：Satellite Communications Toolbox
MathWorks 的 Satellite Communications Toolbox 提供了用于设计、仿真和验证卫星通信系统的工具，涵盖轨道传播、链路预算分析以及针对 DVB-S2/S2X/RCS2、GPS、Galileo、NavIC 和 CCSDS 等标准的波形生成。
部署卫星通信系统复杂、昂贵且风险密集。在发射与部署、安全与弹性、经济与商业模式以及环境问题等领域存在着关键挑战。在下一节中，将介绍通信相关的特定挑战，以及解决这些挑战的相关 MATLAB 示例：
挑战：任务规划与监管合规
- 通过 ITU 和国家监管机构获取轨道位置和频率
- 进行协调以避免对现有系统造成干扰
MATLAB 示例：
挑战：技术设计与集成
- 在各种大气条件（如会降低信号强度的雨衰和闪烁）下实现链路预算闭合
- 天线必须提供高增益和精确的波束成形，同时满足尺寸、重量和功耗的限制。
- 有效载荷的复杂性（例如，数字处理器、再生式与弯管式架构对比）
- 大型星座的星间链路与配时/同步
MATLAB 示例：
挑战：在严苛环境中的性能
- 较高频段（Ka、Q/V）的大气衰减，以及对自适应编码/调制、上行链路功率控制和站址分集的需求
- 延迟约束与轨道选择（LEO/MEO/GEO 的权衡）
- LEO 网络中的多普勒效应和频繁切换意味着波束跳变和资源调度对于维持无缝连接至关重要
MATLAB 示例：
图 2. LEO NTN 卫星星座具有星间路由功能。
Wi-Fi 是世界上使用最广泛的无线技术。Wi-Fi 网络为我们的家庭、工作场所以及旅行途中（在机场、体育场和其他公共场所）提供互联网连接。Wi-Fi 网络通过基于 IEEE 802.11 系列标准将用户设备连接到接入点 (AP) 路由器来运行。这些无线局域网 (WLAN) 标准规定了 OSI 模型的物理层 (PHY) 和介质访问控制 (MAC) 层。
“Wi-Fi 8 (802.11bn) 专为提高可靠性而设计，例如用于制造业或机器人辅助手术。Wi-Fi 7 (802.11be) 提供更高的速度并使用更宽的频率带宽。”
Wi-Fi 6、7 和 8 是旨在提供可靠且高速互联网连接的最新 WLAN 技术。
- Wi-Fi 6 (802.11ax) 通过采用 OFDMA 和 MU-MIMO 等多址接入技术，在密集环境中提供卓越的性能。
- Wi-Fi 7 (802.11be) 专为更高的速度而设计，并使用更宽的频率带宽（高达 320 MHz），提供高达 46 Gbps 的峰值传输速度。
- Wi-Fi 8 (IEEE 802.11bn) 正在开发中，将重点优先考虑超高可靠性、更低延迟和一致的性能。
开发高效的 Wi-Fi 系统和网络面临挑战，并对可靠性、处理拥塞以及与其他网络共存提出了要求。工程师可以使用 MATLAB 来仿真许多这些具有挑战性的场景，并探索其缓解设计方案的空间。
MATLAB 示例：
挑战：蓝牙与 Wi-Fi 共存
处于 2.4 GHz 频段的蓝牙设备和处于 6 GHz 频段的低功耗蓝牙 (BLE) 设备可能会干扰 Wi-Fi 网络。蓝牙和 WLAN 之间的干扰可以通过非协作和协作共存机制来缓解。
- 非协作共存机制不在两个无线网络之间交换信息。
- 协同共存机制在两个无线网络之间进行协作并交换与网络相关的信息。
MATLAB 示例：
挑战：提高拥塞环境中的性能
在密集环境（如体育场馆和会议中心）中，许多设备同时连接到 Wi-Fi 网络。这会降低总网络容量，并使接入点 (AP) 中的资源分配不堪重负。Wi-Fi 6、7 和 8 采用了几种借鉴自蜂窝移动技术的机制，以在更高密度用户和设备的情况下提高性能：
- 正交频分多址 (OFDMA)：将一个信道划分为更小的子信道，以同时服务于多个设备
- 多用户多输入多输出（MU-MIMO）：允许 AP 在相同的时间和频率资源上同时向多个设备发送数据和接收数据
- 基于触发的上行链路格式：将上行链路流量从传统的 Wi-Fi 非协调、基于竞争的系统转变为精确协调、调度的系统
- 服务质量 (QoS)：使用 QoS 设置优先处理语音和视频会议等关键应用
- 采用基本服务集 (BSS) 着色的空间复用
MATLAB 示例：
挑战：同频干扰
当多个 Wi-Fi 站点在同一频率上进行传输时，可能会发生同频干扰，从而导致数据包冲突并降低吞吐量。无线工程师可以通过采用以下方法来减少干扰：
- 基于触发的上行传输，提供针对每个设备的协调调度。
- 定向天线 (MU-MIMO)，将 Wi-Fi 信号集中在需要的地方
- 降低信道带宽
- 为 2.4 GHz 频段中的非重叠信道进行信道规划
MATLAB 示例：
其他 Wi-Fi 功能：
Wi-Fi 感知
与 AI 集成
采用 mesh 网络
使用 MATLAB 和 Simulink 加速无线工程
MathWorks 致力于加速工程和科学的发展步伐。对于无线工程师而言，MATLAB 和 Simulink 通过建模、仿真、测试和实现工具，使无线通信设计更加快速高效。
本指南中提到的每个工具箱和产品都保持符合最新的行业标准。无论您是在构建 6G AI 原生接收机的原型，还是在验证 Bluetooth 6 设计，MathWorks 产品都能弥合概念与硬件之间的差距。
蓝牙是用于近距离设备数据交换的一种短程无线技术。蓝牙标准由蓝牙技术联盟 (Bluetooth SIG) 制定。于 2024 年宣布的 Bluetooth 6 引入了诸如信道探测等技术，该技术可以在蓝牙节点之间提供极其精确的距离估计。
蓝牙与 WLAN 共存的频谱视图
经典蓝牙标准规定了两种物理层模式：基本速率 (BR) 和增强数据速率 (EDR)。此外，BLE 标准专注于医疗保健、健身、安全和家庭娱乐等行业的应用。同样，蓝牙系统可以使用三角测量和三边测量等技术执行定位。
以下部分概述了部署蓝牙设备和网络时的主要挑战，以及应对这些挑战的相关 MATLAB 示例。
挑战：无线电规划与共存
- 未经许可的 2.4 GHz 频段拥挤着 Wi-Fi、微波和 Zigbee 信号，从而造成干扰、多径和占空比竞争。
- 自适应跳频 (AFH) 有所帮助，但密集的射频环境仍会降低吞吐量、增加延迟并降低可靠性。
- 外壳或人体靠近引起的天线失谐会缩小范围；仔细的射频布局、离地间隙和调谐至关重要。
MATLAB 示例：
挑战：拓扑结构、可扩展性与性能
- 经典蓝牙 (BR/EDR) 微微网的活动连接受限；异步无连接逻辑传输 (ACL) 链路调度可能成为瓶颈。
- 每个网关/手机的低功耗连接限制以及连接间隔约束限制了规模和响应能力。
- 蓝牙 mesh 网络可扩展到数千个节点，但受控的泛洪路由会增加空中传送时间、冲突和电池消耗；需要仔细配置生存时间 (TTL)、中继以及朋友/低功耗节点。
MATLAB 示例：
挑战：定位
- 接收信号强度指示 (RSSI) 的不稳定性
- 对天线阵列的基于角度的要求
- 幅度、相位和时间上的同步与校准
- 干扰和信道可用性
MATLAB 示例：
图 3. 蓝牙信道探测用于资产跟踪，显示了资产路径和蓝牙定位器节点（蓝色和黄色三角形）。
以下部分概述了为无线系统设计基于标准的收发器时的主要挑战，以及应对这些挑战的相关 MATLAB 示例。
非线性放大器的 AM/AM 特性
空口 5G 波形捕获的 EVM 随时间和频率的变化
挑战：确保遵循标准协议，以实现系统和设备互操作性
- 这可能要求算法设计人员和芯片测试人员获取基于标准的波形（包括受损和未受损的波形），以测试接收机设计或激励接收机芯片。
- 它还可能需要用于误差向量幅度 (EVM)、相邻信道功率比 (ACPR) 和误包率 (PER) 等物理量的测量测试平台。
MATLAB 示例：
挑战：通过整合算法、天线、阵列和射频收发器设计选择来优化系统参数
- 这需要对阵列尺寸、阵列元件类型以及会导致波束偏斜的元件耦合、高功率放大器 (HPA) 非线性限制、低噪声放大器 (LNA) 噪声系数和阻抗失配水平进行权衡研究。
- 它还可能需要对调制方案和差错控制码进行设计选择。
MATLAB 示例：
挑战：通过自动化空口测试以及逼真的信道和损伤模型在硬件原型上验证设计
- 在设计的早期阶段，这要求 SDR 等波形捕获设备与用于构建接收机算法原型的软件之间具备连接性。
- 在设计的后期阶段，这可能需要将硬件描述语言 (HDL) 代码部署到现场可编程逻辑门阵列 (FPGA) 中。
MATLAB 示例：
图 4. 无线工作流的阶段涵盖无线标准、从天线到比特的仿真以及设备实现和测试。
随着世界朝着泛在连接的方向发展，从 5G Advanced 到 6G 乃至更远的未来，蜂窝网络、卫星、Wi-Fi 和蓝牙技术的融合正在创建一个统一的全球通信生态系统。本白皮书探讨了定义这一格局的关键技术、标准和挑战，同时展示了 MATLAB 和 Simulink 如何成为设计、仿真和验证这些复杂无线系统不可或缺的产品。
