探究无线通信技术智能化现状与发展趋势

李敏仪,胡镕显,刘 韬,梁炜堃

(1 华南农业大学电子工程学院<人工智能学院> 广东 广州 510642) (2 华南农业大学生命科学学院 广东 广州 510642)

0 引言

随着信息技术的飞速发展,传统的有线通信传输已无法完全满足人们的各种需求,我国进入通信发展新时期,无线通信技术应运而生。无线通信技术相对有线通信技术来说具有较明显的优势,在成本效益最优化、信息传输高效化方面都有极大的进步,而无线通信技术智能化更是促进了我国通信行业的健康发展。

1 无线通信技术分析

1.1 无线通信技术概述

无线通信是指节点间进行较远距离传输通信而不使用导线或电缆进行信息交换的一种通信方式,其原理是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性。网络越来越发达,无线通信逐渐填补了信息通信领域传统通信方式的空白,成为发展速度最快、应用范围最广的通信技术。

无线通信应用包括固定式、移动式和便携式应用,生活中常见的如手机、全球定位系统(global positioning system, GPS)导航、无线网络、无线鼠标等。进入数据流量时代,无线通信技术的应用将在很大程度上提高我国网络的连接水平,无论是加强信号的传输效率,还是提高传输信息的精准性,无线通信技术的广泛应用都具有显著的优势。

1.2 无线通信技术应用

无线通信技术的应用在当今时代有其独特的特点。从“光电话”的首次面世到人们熟练应用电磁波信号进行无线电通信,无线通信技术的应用方式和实际体现经历了翻天覆地的变化;从传统意义上的模拟信号到现代化普遍使用的数字信号,无线通信技术的运输速率和性能也日渐提升。

由于社会经济迅猛发展、科技水平日新月异不断推动无线通信技术的更新迭代,无线通信技术在向着传输智能化、功能多样化的发展道路上越走越远。人们在使用通信技术时难以预测到时间、地点和存储量的需求,而无线通信技术能够打破时间和空间的束缚,使人们能够采取更加灵活的手段和方法,确保通信传输是高效的、综合的,并且是顺畅的。

随着近年来国内国外各领域的来往需求不断增长,无线通信依靠其高度的机动性与网络的连接应用,在构建国际经济无障碍交流渠道、军事地域通信领域的应用方面都迈上了新的台阶[1]。

2 浅析无线通信技术智能化发展

2.1 无线通信技术现状分析

(1)移动通信

在现代通信技术高速发展的背景下,无线通信技术体系在我国的发展也日新月异。以第5代移动通信系统(5G)为例,从移动网络5G体系的蓬勃发展可知,移动通信是无线通信技术中的佼佼者;无线通信行业的蓬勃发展引领5G无线通信的大范围商用。从2G时代到5G时代,我国仅用了20年左右的时间,科技进步推动的移动通信体系完善和优化使人们不费吹灰之力就能掌握海量信息资源,不用舟车劳顿就能“千里共婵娟”。截至2021年12月,我国已建成5G基站超过115万个,占全球70%以上,是全球规模最大、技术最先进的5G独立组网网络,全国所有地级市城区、超过97%的县城城区和40%的乡镇镇区实现5G网络覆盖,5G终端用户达到4.5亿户,占全球80%以上[2]。

(2)微波通信

数字化及信息化建设在无线通信技术的应用中基本已全面普及,我国对于无线通信技术的现代化建设也紧跟时代步伐。其中微波通信在现代通信技术中地位十分重要,数字微波通信技术的研究亦取得不少成就。近年来,微波通信在许多领域都占据一席之地,作为微波通信最经典应用之一的卫星通信技术在陆上、海上及航空3类移动通信中均有广泛应用。比如,陆上移动通信已经有450或900 MHz的频段,而且正在朝着更高的方向发展;军用移动通信业务可通过海事卫星通信系统提供;北斗卫星系统的低轨增强则使卫星导航的发展更进一步。不难看出,微波通信的发展主要集中在高频段、高集成度、智能化等方面,同时考虑到用户对低成本、高速大容量的需求,随着集成电路的进一步发展,微波通信技术也将致力于实现低功耗、轻质量,使得相应通信设备更加微型化。此外,软件无线电技术的运用,也能促进微波通信的智能化和低成本,增大其实用性[3]。

(3)无线宽带

移动通信领域发展速度最快的无线通信技术之一就是无线宽带通信技术,由宽带网络技术和无线通信技术结合而成。广义上短程无线宽带就是WiFi,它是一种可以将个人计算机、手持设备(手机、平板电脑等)等终端以无线方式互相连接的技术。WiFi能够在数百米范围内通过空气传送无线电信号,支持互联网接入技术,在信号覆盖范围内设备就可以通过该技术进行无线联网;由于WIFI通过空气传送信号,所以和非交换以太网有相同的特点。

2.2 无线通信技术智能化现状分析

(1)终端直通(D2D)技术

在无线通信领域逐渐渗透到普罗大众生活的过程中,终端直通(device-to-device, D2D)技术使得用户节点之间在不需要经过实体通信设备的情况下直接通信;作为4G技术中的关键技术,D2D一经问世便备受研究者们的青睐,因其独特的不依靠实体设备就能点对点通信的优势,它有效地弥补了无线通信技术发展初期在点对点通信上的技术短板。在D2D通信中,各用户组成分布式网络,在用户节点发送和接收信号的通信过程中D2D支持用户间自动转发和共享相关信息,即在D2D通信网络中,服务器和客户端的主体是同一个主体——用户,用户组成通信群体网络。在信息处理、存储以及网络连接能力方面,用户均可通过D2D技术共享这些已拥有的部分硬件资源。这些共享资源使得用户在享受网络服务和资源时可以不经过中间设备就直接访问网络。D2D通信可以在实建的通信基站支撑下进行网络连接及信息资源分配,也可以在无硬件设备支持的时候进行信息交互,相对于不依靠基础通信设施就无法共享信息与连接的通信方式来说,D2D优势尽显。而在2021年,梁玮等[4]提出了一种适用于无网络地区的网络中继覆盖技术,即通过无线网桥设备传送,处于无网络覆盖情况下的用户可以把处在网络覆盖中的用户设备作为跳板,从而接入网络。

(2)多输入多输出(MIMO)技术

从4G网络跃升至5G网络应用,这项网络技术的发展看似用时极短,但其关键颇多,对无线接入技术的应用要求极高。人们对无线通信技术需求呈指数式增长,需求倒推市场发展,促进了5G的研发,一步步向着标准化发展。在5G无线通信发展过程中,多输入多输出(multiple input multiple output, MIMO)技术是无线线路频谱技术的代表,如何强化其低节点数量成了研究的关键问题。

在MIMO技术演变历程中,超密集组网对5G网络环境中的组网结构进行完善,通过自身密集型网络架构来增强数据流量。面临5G网络的应用挑战,MIMO借助各项通信技术如无线回传等实现向5G方向的发展。MIMO虽广泛应用于4G网络技术,但在5G网络技术的飞速发展下,传统MIMO已演进为大规模MIMO,具有巨大发展潜力。不仅使移动通信系统性能显著提升,还对5G及未来移动通信系统设计产生了深远影响。

虽然早期MIMO技术仅支持点对点单向传输,传输效率是否高效取决于发射端以及接收端的天线设备是否协同工作,但5G通信技术的到来使得MIMO技术向消除天线间相关性发展,也就是通过网络架构优化资源配置,在不增加带宽的情况下提高频谱利用率、增加数据吞吐量。MIMO技术是指能在不增加带宽的情况下,成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。研究与数据分析表明,随着天线阵元数量的增加,接收端信道之间的相关系数也会变小,当阵元数量很大时,Massive MIMO可以有效减小用户间的干扰[5]。当前我国对无线通信技术的分布式研究主要是使管线系统完善自身技术,进一步提升5G通信技术应用价值,而MIMO技术必将在提升5G移动通信系统性能、促进我国发展成为信息化强国的道路上发挥重要作用。

(3)近距离无线通信(NFC)技术

移动终端的普及对移动通信技术的发展有着不可或缺的作用。随着无线通信技术智能化设备的市场需求不断增加,我国对无线通信技术的现代化建设也愈加重视。从近距离无线通信技术的角度来说,我国的无线通信技术已较为成熟,可以实现移动终端与其他电子设备在无须导线连接、无须直接接触的情况下通过点对点数据传输来完成数据交换,即近距离无线通信(near field communication, NFC)技术。在无线通信技术的智能化方面,上述提到的NFC架建成本低、传输效率快、耗能少,符合我国的可持续发展要求,是无线通信技术智能化领域一颗冉冉升起的新星。

迄今,全球约55%的智能手机具备NFC技术和安全模块,而其中90%的高端智能手机都配备NFC识别技术[6]。尤其是近年来在新冠疫情的持续影响下,移动支付和公交卡、门禁等非接触式交互方式的迅速发展促使NFC在相关领域市场占有十分重要的分量。

NFC技术在日常生活中主要用于卡模拟功能,以华为手机为例,其手机内置安全芯片的存储数据功能使得NFC可实现熄屏使用、线上开通、线上充值等各种便民功能,同时通过该功能所模拟的各类卡信息无法复制、安全性高;同时NFC不仅可装载于手机内,随着技术发展已有装载至手表的NFC系统出现,充分展现了NFC可拓展性高的特点,也表明NFC系统正在向轻量化、规范化方向发展。

2.3 无线通信技术智能化前景分析

移动终端的“井喷式”发展促使消费者对携带新功能产品和创新式使用体验的需求日益增加,通过运用智能设备和交互的通信方式能在极大程度上增加客户黏性,在无线通信技术的智能化过程中也能帮助成熟的技术转化为商业化的产品,从而实现科技改变生活的目标。

以前文提到的NFC作为无线通信技术智能化的例子,目前在各国积极开展5G网络的建设与试验工作,我国在5G方面已经取得了相当大的突破,NFC的应用和发展具有较成熟的背景。在众多NFC实际应用中,手机移动支付是NFC在移动终端应用中最有前景的一项,其中最早推出移动支付业务的国家是美国、日本和韩国,使得NFC在移动支付的同时实现移动付款和银行转账的功能[7]。同时,NFC也广泛应用于从手持式消费到农业物联网等各种领域,能进一步提高供应效率并优化成本。

基于NFC的技术特点及优势,为了无线通信技术智能化的深入发展,各项应用领域也被不断挖掘。在物联网领域,NFC模块与手机的组合,正逐步延伸无线通信交互功能,尤其在贴近公众生活的移动支付、门禁系统、标签识别的功能实现上,利用NFC进行数据点对点传输已十分便捷与高效。而未来随着移动支付在公共服务领域的应用,消费者从PC端向移动端的迁移速度将持续加快。因此NFC技术智能化将带来相关消费市场规模很可观的扩大;同时通过高频RFID与NFC模块的结合,农业物联网向智慧化、智能化转型,相关技术落地的可执行性及产品信息的可视性将大大提升。

3 无线通信技术智能化发展存在的问题和应用趋势

3.1 无线通信技术智能化发展存在的问题

目前移动无线通信技术面临多种问题,比如供电需求问题、数据安全问题等[8]。无线通信技术智能化要求的设备基础较高,以NFC为例,移动终端如手机支持NFC功能需要付出额外的硬件成本,市场普及需要投放大量相关硬件,成本较高,同时NFC尚未有统一的标准及生态,如需继续深入公共服务领域,其背后隐藏的沉没成本难以预估。

而在工业方面,生产场景不同导致工厂的生产区域内可能有数以万计的传感器和执行器,而无线通信设备在发射信号过程中十分耗电,它们的连接就需要通信网络具有海量连接能力、移动通信设备需要持久的续航能力。在智能制造自动化控制系统中,低时延的应用十分广泛,对网络传输可靠性也有着极高的要求。例如在某些环境敏感的高精度生产环节、化学品生产环节等,相关的无线通信智能化设备(如智能制造闭环控制系统)就需要极低的延时网络才能有效传递,某些参数信息也需要精准传递才能保证生产过程的安全性,从而完成高精度生产作业的控制和高可靠度生产过程的监督。

3.2 无线通信技术智能化应用趋势

(1)技术逐渐融合

通过上述对无线通信技术发展的分析可知,相关的无线通信技术需要进行有机的结合才能促使其在通信领域的实际应用范围逐渐拓宽。以NFC为例,在NFC近距离通信技术发展过程中,给用户带来极大的便利。在移动支付领域,消费者可以利用该项技术充分实现快捷支付,在标签读取领域,使用者可以进行实时的信息沟通和数据交流[9]。所以,在未来,NFC与安卓系统的有机结合将让人们充分体会到信息技术带来的生活方式的改变,也将在一定程度上改变人们的生活习惯;随着NFC技术在手机上进行不断的推广和应用,能持续有效提升Android平台的实用性,以促进人们生活方式的改变。

(2)融合带来创新

科技在进步、时代在发展,各项技术的融合促使无线通信技术朝着创新的方向进步。要保证逐步实现人们对美好生活的向往与现有生产需求的满足,必须对无线通信技术的创新与研究工作不断加以完善。例如应适当增加整体研究投资力度,不断提升无线通信行业与其他行业之间的相互配合,令无线通信技术逐渐在未来的发展趋势中表现出多元化特征。

(3)创新扩大格局

无线通信技术要紧跟时代的发展步伐、满足时代的发展需求就必须朝着一体化、综合化、智能化的方向不断发展。在通信领域的各项创新成果的激励下扩大无线通信技术的一体化格局,在实际应用过程中,充分发挥无线通信技术融合创新性强的优势。例如通信技术发展过程中长期演进(long term evolution, LTE)技术发展作为主流趋势,为移动网络全覆盖提供了十分积极的基础条件。

4 结语

在通信领域,无线通信技术消除了有形物质对无形信号传播的限制,使信息的传播和通信不再受到空间和时间上的限制,拉近了人与人之间的距离、促进了人与人之间的沟通与交流。在信息安全领域,无线通信技术不易受到外界因素的干扰和影响,传送信息过程具有更高的安全性,更有利于各类需保密信息的传输与接收。而无线通信技术的智能化发展使得通信效率大大提高,在简便快捷和安全高效的前提下,逐渐适应信息爆炸时代的节奏,为社会经济的建设发展提供强大的动力。

综上所述,在信息化和数字化不断发展的时代过程中,智能化是无线通信技术发展的必然趋势,从现实意义上讲,智能化无线通信技术也必将成为新的发展趋势和竞争核心。因此,站在新时代发展的前沿,全面提升国家现代化建设水平,需要不懈地发展智能化无线通信技术。