探究無線通信技術(shù)智能化現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

李敏儀,胡镕顯,劉 韜,梁煒堃

(1 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院<人工智能學(xué)院> 廣東 廣州 510642) (2 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 廣東 廣州 510642)

0 引言

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展,傳統(tǒng)的有線通信傳輸已無法完全滿足人們的各種需求,我國進(jìn)入通信發(fā)展新時(shí)期,無線通信技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。無線通信技術(shù)相對(duì)有線通信技術(shù)來說具有較明顯的優(yōu)勢(shì),在成本效益最優(yōu)化、信息傳輸高效化方面都有極大的進(jìn)步,而無線通信技術(shù)智能化更是促進(jìn)了我國通信行業(yè)的健康發(fā)展。

1 無線通信技術(shù)分析

1.1 無線通信技術(shù)概述

無線通信是指節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行較遠(yuǎn)距離傳輸通信而不使用導(dǎo)線或電纜進(jìn)行信息交換的一種通信方式,其原理是利用電磁波信號(hào)可以在自由空間中傳播的特性。網(wǎng)絡(luò)越來越發(fā)達(dá),無線通信逐漸填補(bǔ)了信息通信領(lǐng)域傳統(tǒng)通信方式的空白,成為發(fā)展速度最快、應(yīng)用范圍最廣的通信技術(shù)。

無線通信應(yīng)用包括固定式、移動(dòng)式和便攜式應(yīng)用,生活中常見的如手機(jī)、全球定位系統(tǒng)(global positioning system, GPS)導(dǎo)航、無線網(wǎng)絡(luò)、無線鼠標(biāo)等。進(jìn)入數(shù)據(jù)流量時(shí)代,無線通信技術(shù)的應(yīng)用將在很大程度上提高我國網(wǎng)絡(luò)的連接水平,無論是加強(qiáng)信號(hào)的傳輸效率,還是提高傳輸信息的精準(zhǔn)性,無線通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用都具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

1.2 無線通信技術(shù)應(yīng)用

無線通信技術(shù)的應(yīng)用在當(dāng)今時(shí)代有其獨(dú)特的特點(diǎn)。從“光電話”的首次面世到人們熟練應(yīng)用電磁波信號(hào)進(jìn)行無線電通信,無線通信技術(shù)的應(yīng)用方式和實(shí)際體現(xiàn)經(jīng)歷了翻天覆地的變化;從傳統(tǒng)意義上的模擬信號(hào)到現(xiàn)代化普遍使用的數(shù)字信號(hào),無線通信技術(shù)的運(yùn)輸速率和性能也日漸提升。

由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展、科技水平日新月異不斷推動(dòng)無線通信技術(shù)的更新迭代,無線通信技術(shù)在向著傳輸智能化、功能多樣化的發(fā)展道路上越走越遠(yuǎn)。人們?cè)谑褂猛ㄐ偶夹g(shù)時(shí)難以預(yù)測(cè)到時(shí)間、地點(diǎn)和存儲(chǔ)量的需求,而無線通信技術(shù)能夠打破時(shí)間和空間的束縛,使人們能夠采取更加靈活的手段和方法,確保通信傳輸是高效的、綜合的,并且是順暢的。

隨著近年來國內(nèi)國外各領(lǐng)域的來往需求不斷增長,無線通信依靠其高度的機(jī)動(dòng)性與網(wǎng)絡(luò)的連接應(yīng)用,在構(gòu)建國際經(jīng)濟(jì)無障礙交流渠道、軍事地域通信領(lǐng)域的應(yīng)用方面都邁上了新的臺(tái)階[1]。

2 淺析無線通信技術(shù)智能化發(fā)展

2.1 無線通信技術(shù)現(xiàn)狀分析

(1)移動(dòng)通信

在現(xiàn)代通信技術(shù)高速發(fā)展的背景下,無線通信技術(shù)體系在我國的發(fā)展也日新月異。以第5代移動(dòng)通信系統(tǒng)(5G)為例,從移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)5G體系的蓬勃發(fā)展可知,移動(dòng)通信是無線通信技術(shù)中的佼佼者;無線通信行業(yè)的蓬勃發(fā)展引領(lǐng)5G無線通信的大范圍商用。從2G時(shí)代到5G時(shí)代,我國僅用了20年左右的時(shí)間,科技進(jìn)步推動(dòng)的移動(dòng)通信體系完善和優(yōu)化使人們不費(fèi)吹灰之力就能掌握海量信息資源,不用舟車勞頓就能“千里共嬋娟”。截至2021年12月,我國已建成5G基站超過115萬個(gè),占全球70%以上,是全球規(guī)模最大、技術(shù)最先進(jìn)的5G獨(dú)立組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò),全國所有地級(jí)市城區(qū)、超過97%的縣城城區(qū)和40%的鄉(xiāng)鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋,5G終端用戶達(dá)到4.5億戶,占全球80%以上[2]。

(2)微波通信

數(shù)字化及信息化建設(shè)在無線通信技術(shù)的應(yīng)用中基本已全面普及,我國對(duì)于無線通信技術(shù)的現(xiàn)代化建設(shè)也緊跟時(shí)代步伐。其中微波通信在現(xiàn)代通信技術(shù)中地位十分重要,數(shù)字微波通信技術(shù)的研究亦取得不少成就。近年來,微波通信在許多領(lǐng)域都占據(jù)一席之地,作為微波通信最經(jīng)典應(yīng)用之一的衛(wèi)星通信技術(shù)在陸上、海上及航空3類移動(dòng)通信中均有廣泛應(yīng)用。比如,陸上移動(dòng)通信已經(jīng)有450或900 MHz的頻段,而且正在朝著更高的方向發(fā)展;軍用移動(dòng)通信業(yè)務(wù)可通過海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)提供;北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的低軌增強(qiáng)則使衛(wèi)星導(dǎo)航的發(fā)展更進(jìn)一步。不難看出,微波通信的發(fā)展主要集中在高頻段、高集成度、智能化等方面,同時(shí)考慮到用戶對(duì)低成本、高速大容量的需求,隨著集成電路的進(jìn)一步發(fā)展,微波通信技術(shù)也將致力于實(shí)現(xiàn)低功耗、輕質(zhì)量,使得相應(yīng)通信設(shè)備更加微型化。此外,軟件無線電技術(shù)的運(yùn)用,也能促進(jìn)微波通信的智能化和低成本,增大其實(shí)用性[3]。

(3)無線寬帶

移動(dòng)通信領(lǐng)域發(fā)展速度最快的無線通信技術(shù)之一就是無線寬帶通信技術(shù),由寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無線通信技術(shù)結(jié)合而成。廣義上短程無線寬帶就是WiFi,它是一種可以將個(gè)人計(jì)算機(jī)、手持設(shè)備(手機(jī)、平板電腦等)等終端以無線方式互相連接的技術(shù)。WiFi能夠在數(shù)百米范圍內(nèi)通過空氣傳送無線電信號(hào),支持互聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù),在信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)設(shè)備就可以通過該技術(shù)進(jìn)行無線聯(lián)網(wǎng);由于WIFI通過空氣傳送信號(hào),所以和非交換以太網(wǎng)有相同的特點(diǎn)。

2.2 無線通信技術(shù)智能化現(xiàn)狀分析

(1)終端直通(D2D)技術(shù)

在無線通信領(lǐng)域逐漸滲透到普羅大眾生活的過程中,終端直通(device-to-device, D2D)技術(shù)使得用戶節(jié)點(diǎn)之間在不需要經(jīng)過實(shí)體通信設(shè)備的情況下直接通信;作為4G技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù),D2D一經(jīng)問世便備受研究者們的青睞,因其獨(dú)特的不依靠實(shí)體設(shè)備就能點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的優(yōu)勢(shì),它有效地彌補(bǔ)了無線通信技術(shù)發(fā)展初期在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信上的技術(shù)短板。在D2D通信中,各用戶組成分布式網(wǎng)絡(luò),在用戶節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收信號(hào)的通信過程中D2D支持用戶間自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)和共享相關(guān)信息,即在D2D通信網(wǎng)絡(luò)中,服務(wù)器和客戶端的主體是同一個(gè)主體——用戶,用戶組成通信群體網(wǎng)絡(luò)。在信息處理、存儲(chǔ)以及網(wǎng)絡(luò)連接能力方面,用戶均可通過D2D技術(shù)共享這些已擁有的部分硬件資源。這些共享資源使得用戶在享受網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和資源時(shí)可以不經(jīng)過中間設(shè)備就直接訪問網(wǎng)絡(luò)。D2D通信可以在實(shí)建的通信基站支撐下進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接及信息資源分配,也可以在無硬件設(shè)備支持的時(shí)候進(jìn)行信息交互,相對(duì)于不依靠基礎(chǔ)通信設(shè)施就無法共享信息與連接的通信方式來說,D2D優(yōu)勢(shì)盡顯。而在2021年,梁瑋等[4]提出了一種適用于無網(wǎng)絡(luò)地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)中繼覆蓋技術(shù),即通過無線網(wǎng)橋設(shè)備傳送,處于無網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況下的用戶可以把處在網(wǎng)絡(luò)覆蓋中的用戶設(shè)備作為跳板,從而接入網(wǎng)絡(luò)。

(2)多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)

從4G網(wǎng)絡(luò)躍升至5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用,這項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展看似用時(shí)極短,但其關(guān)鍵頗多,對(duì)無線接入技術(shù)的應(yīng)用要求極高。人們對(duì)無線通信技術(shù)需求呈指數(shù)式增長,需求倒推市場(chǎng)發(fā)展,促進(jìn)了5G的研發(fā),一步步向著標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。在5G無線通信發(fā)展過程中,多輸入多輸出(multiple input multiple output, MIMO)技術(shù)是無線線路頻譜技術(shù)的代表,如何強(qiáng)化其低節(jié)點(diǎn)數(shù)量成了研究的關(guān)鍵問題。

在MIMO技術(shù)演變歷程中,超密集組網(wǎng)對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行完善,通過自身密集型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來增強(qiáng)數(shù)據(jù)流量。面臨5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用挑戰(zhàn),MIMO借助各項(xiàng)通信技術(shù)如無線回傳等實(shí)現(xiàn)向5G方向的發(fā)展。MIMO雖廣泛應(yīng)用于4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù),但在5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展下,傳統(tǒng)MIMO已演進(jìn)為大規(guī)模MIMO,具有巨大發(fā)展?jié)摿?。不僅使移動(dòng)通信系統(tǒng)性能顯著提升,還對(duì)5G及未來移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。

雖然早期MIMO技術(shù)僅支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)單向傳輸,傳輸效率是否高效取決于發(fā)射端以及接收端的天線設(shè)備是否協(xié)同工作,但5G通信技術(shù)的到來使得MIMO技術(shù)向消除天線間相關(guān)性發(fā)展,也就是通過網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化資源配置,在不增加帶寬的情況下提高頻譜利用率、增加數(shù)據(jù)吞吐量。MIMO技術(shù)是指能在不增加帶寬的情況下,成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。研究與數(shù)據(jù)分析表明,隨著天線陣元數(shù)量的增加,接收端信道之間的相關(guān)系數(shù)也會(huì)變小,當(dāng)陣元數(shù)量很大時(shí),Massive MIMO可以有效減小用戶間的干擾[5]。當(dāng)前我國對(duì)無線通信技術(shù)的分布式研究主要是使管線系統(tǒng)完善自身技術(shù),進(jìn)一步提升5G通信技術(shù)應(yīng)用價(jià)值,而MIMO技術(shù)必將在提升5G移動(dòng)通信系統(tǒng)性能、促進(jìn)我國發(fā)展成為信息化強(qiáng)國的道路上發(fā)揮重要作用。

(3)近距離無線通信(NFC)技術(shù)

移動(dòng)終端的普及對(duì)移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展有著不可或缺的作用。隨著無線通信技術(shù)智能化設(shè)備的市場(chǎng)需求不斷增加,我國對(duì)無線通信技術(shù)的現(xiàn)代化建設(shè)也愈加重視。從近距離無線通信技術(shù)的角度來說,我國的無線通信技術(shù)已較為成熟,可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端與其他電子設(shè)備在無須導(dǎo)線連接、無須直接接觸的情況下通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸來完成數(shù)據(jù)交換,即近距離無線通信(near field communication, NFC)技術(shù)。在無線通信技術(shù)的智能化方面,上述提到的NFC架建成本低、傳輸效率快、耗能少,符合我國的可持續(xù)發(fā)展要求,是無線通信技術(shù)智能化領(lǐng)域一顆冉冉升起的新星。

迄今,全球約55%的智能手機(jī)具備NFC技術(shù)和安全模塊,而其中90%的高端智能手機(jī)都配備NFC識(shí)別技術(shù)[6]。尤其是近年來在新冠疫情的持續(xù)影響下,移動(dòng)支付和公交卡、門禁等非接觸式交互方式的迅速發(fā)展促使NFC在相關(guān)領(lǐng)域市場(chǎng)占有十分重要的分量。

NFC技術(shù)在日常生活中主要用于卡模擬功能,以華為手機(jī)為例,其手機(jī)內(nèi)置安全芯片的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)功能使得NFC可實(shí)現(xiàn)熄屏使用、線上開通、線上充值等各種便民功能,同時(shí)通過該功能所模擬的各類卡信息無法復(fù)制、安全性高;同時(shí)NFC不僅可裝載于手機(jī)內(nèi),隨著技術(shù)發(fā)展已有裝載至手表的NFC系統(tǒng)出現(xiàn),充分展現(xiàn)了NFC可拓展性高的特點(diǎn),也表明NFC系統(tǒng)正在向輕量化、規(guī)范化方向發(fā)展。

2.3 無線通信技術(shù)智能化前景分析

移動(dòng)終端的“井噴式”發(fā)展促使消費(fèi)者對(duì)攜帶新功能產(chǎn)品和創(chuàng)新式使用體驗(yàn)的需求日益增加,通過運(yùn)用智能設(shè)備和交互的通信方式能在極大程度上增加客戶黏性,在無線通信技術(shù)的智能化過程中也能幫助成熟的技術(shù)轉(zhuǎn)化為商業(yè)化的產(chǎn)品,從而實(shí)現(xiàn)科技改變生活的目標(biāo)。

以前文提到的NFC作為無線通信技術(shù)智能化的例子,目前在各國積極開展5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與試驗(yàn)工作,我國在5G方面已經(jīng)取得了相當(dāng)大的突破,NFC的應(yīng)用和發(fā)展具有較成熟的背景。在眾多NFC實(shí)際應(yīng)用中,手機(jī)移動(dòng)支付是NFC在移動(dòng)終端應(yīng)用中最有前景的一項(xiàng),其中最早推出移動(dòng)支付業(yè)務(wù)的國家是美國、日本和韓國,使得NFC在移動(dòng)支付的同時(shí)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)付款和銀行轉(zhuǎn)賬的功能[7]。同時(shí),NFC也廣泛應(yīng)用于從手持式消費(fèi)到農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等各種領(lǐng)域,能進(jìn)一步提高供應(yīng)效率并優(yōu)化成本。

基于NFC的技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì),為了無線通信技術(shù)智能化的深入發(fā)展,各項(xiàng)應(yīng)用領(lǐng)域也被不斷挖掘。在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域,NFC模塊與手機(jī)的組合,正逐步延伸無線通信交互功能,尤其在貼近公眾生活的移動(dòng)支付、門禁系統(tǒng)、標(biāo)簽識(shí)別的功能實(shí)現(xiàn)上,利用NFC進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸已十分便捷與高效。而未來隨著移動(dòng)支付在公共服務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用,消費(fèi)者從PC端向移動(dòng)端的遷移速度將持續(xù)加快。因此NFC技術(shù)智能化將帶來相關(guān)消費(fèi)市場(chǎng)規(guī)模很可觀的擴(kuò)大;同時(shí)通過高頻RFID與NFC模塊的結(jié)合,農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)向智慧化、智能化轉(zhuǎn)型,相關(guān)技術(shù)落地的可執(zhí)行性及產(chǎn)品信息的可視性將大大提升。

3 無線通信技術(shù)智能化發(fā)展存在的問題和應(yīng)用趨勢(shì)

3.1 無線通信技術(shù)智能化發(fā)展存在的問題

目前移動(dòng)無線通信技術(shù)面臨多種問題,比如供電需求問題、數(shù)據(jù)安全問題等[8]。無線通信技術(shù)智能化要求的設(shè)備基礎(chǔ)較高,以NFC為例,移動(dòng)終端如手機(jī)支持NFC功能需要付出額外的硬件成本,市場(chǎng)普及需要投放大量相關(guān)硬件,成本較高,同時(shí)NFC尚未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)及生態(tài),如需繼續(xù)深入公共服務(wù)領(lǐng)域,其背后隱藏的沉沒成本難以預(yù)估。

而在工業(yè)方面,生產(chǎn)場(chǎng)景不同導(dǎo)致工廠的生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)可能有數(shù)以萬計(jì)的傳感器和執(zhí)行器,而無線通信設(shè)備在發(fā)射信號(hào)過程中十分耗電,它們的連接就需要通信網(wǎng)絡(luò)具有海量連接能力、移動(dòng)通信設(shè)備需要持久的續(xù)航能力。在智能制造自動(dòng)化控制系統(tǒng)中,低時(shí)延的應(yīng)用十分廣泛,對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性也有著極高的要求。例如在某些環(huán)境敏感的高精度生產(chǎn)環(huán)節(jié)、化學(xué)品生產(chǎn)環(huán)節(jié)等,相關(guān)的無線通信智能化設(shè)備(如智能制造閉環(huán)控制系統(tǒng))就需要極低的延時(shí)網(wǎng)絡(luò)才能有效傳遞,某些參數(shù)信息也需要精準(zhǔn)傳遞才能保證生產(chǎn)過程的安全性,從而完成高精度生產(chǎn)作業(yè)的控制和高可靠度生產(chǎn)過程的監(jiān)督。

3.2 無線通信技術(shù)智能化應(yīng)用趨勢(shì)

(1)技術(shù)逐漸融合

通過上述對(duì)無線通信技術(shù)發(fā)展的分析可知,相關(guān)的無線通信技術(shù)需要進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合才能促使其在通信領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用范圍逐漸拓寬。以NFC為例,在NFC近距離通信技術(shù)發(fā)展過程中,給用戶帶來極大的便利。在移動(dòng)支付領(lǐng)域,消費(fèi)者可以利用該項(xiàng)技術(shù)充分實(shí)現(xiàn)快捷支付,在標(biāo)簽讀取領(lǐng)域,使用者可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的信息溝通和數(shù)據(jù)交流[9]。所以,在未來,NFC與安卓系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合將讓人們充分體會(huì)到信息技術(shù)帶來的生活方式的改變,也將在一定程度上改變?nèi)藗兊纳盍?xí)慣;隨著NFC技術(shù)在手機(jī)上進(jìn)行不斷的推廣和應(yīng)用,能持續(xù)有效提升Android平臺(tái)的實(shí)用性,以促進(jìn)人們生活方式的改變。

(2)融合帶來創(chuàng)新

科技在進(jìn)步、時(shí)代在發(fā)展,各項(xiàng)技術(shù)的融合促使無線通信技術(shù)朝著創(chuàng)新的方向進(jìn)步。要保證逐步實(shí)現(xiàn)人們對(duì)美好生活的向往與現(xiàn)有生產(chǎn)需求的滿足,必須對(duì)無線通信技術(shù)的創(chuàng)新與研究工作不斷加以完善。例如應(yīng)適當(dāng)增加整體研究投資力度,不斷提升無線通信行業(yè)與其他行業(yè)之間的相互配合,令無線通信技術(shù)逐漸在未來的發(fā)展趨勢(shì)中表現(xiàn)出多元化特征。

(3)創(chuàng)新擴(kuò)大格局

無線通信技術(shù)要緊跟時(shí)代的發(fā)展步伐、滿足時(shí)代的發(fā)展需求就必須朝著一體化、綜合化、智能化的方向不斷發(fā)展。在通信領(lǐng)域的各項(xiàng)創(chuàng)新成果的激勵(lì)下擴(kuò)大無線通信技術(shù)的一體化格局,在實(shí)際應(yīng)用過程中,充分發(fā)揮無線通信技術(shù)融合創(chuàng)新性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。例如通信技術(shù)發(fā)展過程中長期演進(jìn)(long term evolution, LTE)技術(shù)發(fā)展作為主流趨勢(shì),為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)全覆蓋提供了十分積極的基礎(chǔ)條件。

4 結(jié)語

在通信領(lǐng)域,無線通信技術(shù)消除了有形物質(zhì)對(duì)無形信號(hào)傳播的限制,使信息的傳播和通信不再受到空間和時(shí)間上的限制,拉近了人與人之間的距離、促進(jìn)了人與人之間的溝通與交流。在信息安全領(lǐng)域,無線通信技術(shù)不易受到外界因素的干擾和影響,傳送信息過程具有更高的安全性,更有利于各類需保密信息的傳輸與接收。而無線通信技術(shù)的智能化發(fā)展使得通信效率大大提高,在簡便快捷和安全高效的前提下,逐漸適應(yīng)信息爆炸時(shí)代的節(jié)奏,為社會(huì)經(jīng)濟(jì)的建設(shè)發(fā)展提供強(qiáng)大的動(dòng)力。

綜上所述,在信息化和數(shù)字化不斷發(fā)展的時(shí)代過程中,智能化是無線通信技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì),從現(xiàn)實(shí)意義上講,智能化無線通信技術(shù)也必將成為新的發(fā)展趨勢(shì)和競(jìng)爭(zhēng)核心。因此,站在新時(shí)代發(fā)展的前沿,全面提升國家現(xiàn)代化建設(shè)水平,需要不懈地發(fā)展智能化無線通信技術(shù)。