LTE成為主流？無線通信最新技術(shù)趨勢盤點（二）

　　智能手機的配備會發(fā)生良性循環(huán)

　　無線LAN的應(yīng)用領(lǐng)域如今已有了很大擴展。過去，無線LAN主要應(yīng)用于個人電腦及其外設(shè)、智能手機等便攜終端。但現(xiàn)如今，已擴大到以電視等影音設(shè)備為首，直到空調(diào)等白色家電、保健儀器和車載儀器等各種領(lǐng)域（圖4）。

　　圖4：無線LAN應(yīng)用領(lǐng)域擴大

　　過去的無線LAN以筆記本電腦和個人電腦外設(shè)為中心。以配備智能手機為契機，應(yīng)用范圍正在向數(shù)碼相機和保健儀器擴大。

　　市場正在快速擴大的智能手機和平板終端幾乎100％配備了無線LAN功能。因此，無線LAN用收發(fā)IC的供貨量扶搖直上，于2011年超過了10億個。供貨量的增加使得IC價格降低，進而促進了采用機型范圍的擴大，形成了良性循環(huán)。

　　如今，無線LAN已經(jīng)開始向新市場擴展。在新市場上出現(xiàn)了不同于以往的要求。例如：“數(shù)據(jù)傳輸速度慢沒關(guān)系，但要能長距離傳輸”、“總之收發(fā)IC的功耗要低”、“建立無線LAN連接最好更快一些”等。

　　IEEE802的新一代規(guī)范

　　無線LAN的進化趨勢可以從新一代規(guī)范大致推測出來。無線LAN標(biāo)準化團體“IEEE802.11”各工作組制定的新一代規(guī)范就是如此。

　　新一代規(guī)范大致可以分成三個方向。①追求更高速度的規(guī)范；②利用比過去的2.4GHz頻帶和5GHz頻帶更低的頻帶，旨在實現(xiàn)長距離傳輸?shù)囊?guī)范；③大幅縮短建立連接的時間等旨在提高易用性的規(guī)范（表1）。

　　表1：IEEE802委員會正在制定的新一代無線LAN規(guī)范示例

　　①是在沿用5GHz頻帶的情況下，使單系統(tǒng)的實際處理量提高到過去的10倍，達到1Gbps以上的“IEEE802.11ac”（以下稱11ac），以及旨在利用60GHz頻帶毫米波實現(xiàn)近距離5G～6Gbps的高速傳輸?shù)摹癐EEE802.11ad”（以下稱11ad）。

　　關(guān)于②，正在推進的是在數(shù)字電視閑置頻帶“TV空白頻段”（數(shù)十M～700MHz頻帶）間，利用面向便攜產(chǎn)品的500M～700MHz頻帶，旨在把傳輸距離延長至3倍左右的“IEEE802.11af”（以下稱11af），以及旨在利用900MHz頻帶等1GHz以下的頻帶實現(xiàn)長距離傳輸?shù)摹癐EEE802.11ah”（以下稱11ah）。③則是把無線LAN的安全認證時間縮短到1/10左右的規(guī)范“IEEE802.11ai”（以下稱11ai ）。

　　使用256QAM的11ac

　　無線LAN的現(xiàn)行規(guī)范是“IEEE802.11n”（以下稱11n）。其后續(xù)的新一代規(guī)范是11ac。為了制定出單系統(tǒng)處理量超過1Gbps的規(guī)范，相關(guān)工作組已于2008年11月成立。

　　11ac的基本傳輸技術(shù)沿襲了11n以O(shè)FDM（正交頻分復(fù)用）傳輸數(shù)據(jù)的方法等。為了進一步提高傳輸速度，大致在四個方向上擴充了11n的功能。首先是增加傳輸時的天線重數(shù)。11n采用了發(fā)送端和接收端使用多個天線元件，以同一頻道實現(xiàn)數(shù)倍傳輸容量的MIMO技術(shù)。11n的MIMO的天線重數(shù)最大為4重，但11ac最多可以實現(xiàn)8重。如此，傳輸速度可提高2倍。

　　第二點是提高一級調(diào)制方式的多值度。11n最大采用64值QAM，11ac則把256值QAM加入到了選項規(guī)范之中。使用256值QAM時，傳輸速度大約可以提高1.3倍。

　　接下來的第三點是把利用頻道的帶寬擴大到原來的2～4倍。11n使用的頻道的帶寬最大為40MHz。而11ac擴大到了80MHz及160MHz（選項規(guī)范）。

　　除了擴大帶寬、采用256值QAM等現(xiàn)行技術(shù)的擴充之外，11ac還將采用全新技術(shù)。那就是第四點——多用戶MIMO。多用戶MIMO是指利用無線LAN接入點等基站方的天線，對傳輸波束進行控制，使用同一頻道，向不同的終端發(fā)送不同的數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)同時連接。

　　11n之前支持的均為同時僅允許1臺終端與MIMO交換數(shù)據(jù)的“單用戶MIMO”。隨著11ac發(fā)展為多用戶MIMO，多個終端將可以同時與基站交換數(shù)據(jù)，有望大幅提升單系統(tǒng)的處理量。

　　用毫米波帶可實現(xiàn)高速傳輸

　　面向進一步高速化的另一項規(guī)范是利用60GHz頻段的11ad。這個頻段可以確保世界通用的5G～7GHz左右的帶寬。在這個較有富裕的帶寬中，通過設(shè)置單通道帶寬為2.16GHz的通道，最大可實現(xiàn)約6.7Gbps數(shù)據(jù)傳輸。

　　11ad的規(guī)范已經(jīng)成形，半導(dǎo)體開發(fā)漸入佳境。而且，為了促進遵循11ad的毫米波通信的普及，業(yè)界團體“WiGig”正在開展活動，向會員企業(yè)公開正式規(guī)范。其中，松下準備馬上著手開發(fā)遵循11ad的芯片組，在WiGig產(chǎn)品中加以運用。該公司有意把11ad芯片組應(yīng)用于便攜終端的近距離高速無線傳輸。為了降低功耗，松下采取了在芯片組的RF收發(fā)器IC上置入相位噪聲極低的電壓控制振蕩電路，為降低功率放大器的輸出功率進行優(yōu)化等措施。

　　還將利用900MHz頻帶

　　著眼于利用TV空白頻段的11af，與著眼于利用900MHz頻帶的11ah，在利用比過去的2.4GHz和5GHz更低的頻帶的意義上，有著相似的概念。

　　其中，11af設(shè)想利用的是500M～700MHz等頻帶。在這個頻段，如果沒有微波數(shù)字電視和無線麥克風(fēng)等優(yōu)先服務(wù)存在，使用頻道無需申請執(zhí)照。

　　利用TV空白頻段的設(shè)備，需要訪問數(shù)據(jù)庫了解頻道的空閑狀態(tài)，此時的訪問方法的規(guī)范化目前正在研究之中。FCC制定的TV空白頻段使用規(guī)定除了訪問數(shù)據(jù)庫的功能之外，最初還要求內(nèi)嵌載波偵聽功能，用來檢測其他無線服務(wù)是否存在。由于在產(chǎn)品中安裝這項功能需要極高的接收靈敏度，一般認為便攜終端很難利用TV空白頻段。然而，在2010年下半年，F(xiàn)CC提出了無需配備載波偵聽功能的方向。

　　與使用地區(qū)受限的TV空白頻段相比，11ah有意利用的900MHz等頻帶與世界市場的磨合性較好。11ah將爭取利用這些頻段，大幅延長傳輸距離。

　　11ah還在探討之中，傳輸規(guī)范尚未敲定。目前，工作組正在對傳輸方式使用OFDM，在保持系統(tǒng)與現(xiàn)行無線LAN（11a/b/g/n）相似的基礎(chǔ)上，降低頻帶的物理層等拓展方法進行探討。

　　11ah工作組在美國以從事電力及燃氣公司設(shè)備生產(chǎn)的企業(yè)為主導(dǎo)，以智能電網(wǎng)的使用場景為前提開展的討論不在少數(shù)。

　　大幅縮短建立連接的時間

　　11ai是旨在大幅縮短無線LAN安全初始認證需要的時間的規(guī)范。無線LAN的初始認證在終端與接入點之間至少需要交換14次數(shù)據(jù)包，而且，在初始認證之后，還要交換DHCP等數(shù)據(jù)包。因此常常需要數(shù)百m秒以上的時間。而11ai的目標(biāo)是將這一時間縮短到1/10～1/15。
本節(jié)主要介紹較近距離無線連接使用的無線PAN（個人局域網(wǎng)）技術(shù)。

　　智能手機的藍牙

　　無線PAN技術(shù)正在面向眾多用途不斷發(fā)展，本文將挑選最近尤其受到關(guān)注的三個用途，對其動向進行解說。三個用途分別是（1）智能手機周邊、（2）醫(yī)療保健、（3）面向家庭能源管理的“HAN”（home area network，家庭局域網(wǎng)）。

　　首先，（1）智能手機周邊是指智能手機及其外設(shè)使用的無線PAN技術(shù)。在這個領(lǐng)域，普及度占壓倒性優(yōu)勢的當(dāng)屬近距離無線標(biāo)準“藍牙”。主要生產(chǎn)商的智能手機絕大多數(shù)都配備了藍牙通信功能，用于連接無線耳機和耳麥等。

　　藍牙的焦點在于最新版本“Version 4.0”中加入的低耗電量模式“Bluetooth Low Energy”，該模式又被稱作BluetoothLE或BLE，該模式的耗電量僅為傳統(tǒng)藍牙的1/5～1/10，因此可以應(yīng)用于使用紐扣電池驅(qū)動的小型設(shè)備。

　　縮小的包的最大長度

　　BLE利用2.4GHz頻帶、使用跳頻方式的擴頻技術(shù)來收發(fā)電波這一點與現(xiàn)行藍牙相同。不同之處是跳頻利用的信道數(shù)量從過去的79個減少到了40個，相應(yīng)地，信道間隔擴大到了2MHz。

　　為了減少消耗電流，數(shù)據(jù)收發(fā)需要的時間縮短到了300μs左右，不到過去的1/2。而且還通過大幅縮短需要輸出峰值電流的時間，延長待機模式狀態(tài)下的時間，減少了消耗電流。為了實現(xiàn)這一點，收發(fā)的數(shù)據(jù)包的最大長度控制在了現(xiàn)行藍牙的1/8左右。如此一來，實際最大數(shù)據(jù)傳輸速度有所降低，約為300kbps。

　　新版本的前身是諾基亞在2006年發(fā)布的低耗電無線技術(shù)“Wibree”。這是該公司為手表和傳感器產(chǎn)品提出的無線規(guī)范，博通、CSR等半導(dǎo)體廠商以及精工愛普生、太陽誘電都在主導(dǎo)企業(yè)之列。但之后，隨著Wibree與藍牙合并，該技術(shù)被冠以了Low Energy的名稱。

　　醫(yī)療和保健用途

　　關(guān)于無線PAN的第二個動向——醫(yī)療和保健，如今備受關(guān)注的標(biāo)準是“IEEE802.15.6”。因為是在人體周圍使用，所以也叫做“BAN”（body areanetwork，人體局域網(wǎng)）。<