在這幾年，得益于各大廠商的推廣，整個移動互聯網產業(yè)得到了長足的發(fā)展。隨之也帶動了無線技術的發(fā)展，新技術層出不窮，在這個文章里，我們給大家介紹一下無線通信技術的最新趨勢，希望對大家有所幫助。

　　作為介紹無線技術的開片，本文把焦點對準了支撐手機和智能手機服務的移動通信技術，也就是無線通信行業(yè)所說的“無線廣域網”（WWAN：Wireless Wide Area Network）。從下次開始，本連載將逐一向大家介紹“無線局域網”（WLAN：Wireless Local Area Network）以及“無線個人局域網”（WPAN：Wireless Personal Area Network）的技術動向。

　　3GPP展開行動

　　第3代移動通信方式（3G）的技術規(guī)范機構“3GPP”（第三代合作伙伴計劃）的動向大幅左右著WWAN的技術走向。自從通信方式進入3G以后，3GPP一直引領著世界手機服務的標準化工作?？梢哉f，3GPP制定的規(guī)范決定著之后移動通信技術的趨勢。

　　3GPP即將完成“Release 11”的標準化，其中將加入與LTE的后續(xù)規(guī)范“LTE-Advanced”相關的追加規(guī)定。關于其后續(xù)規(guī)范“Release 12”（預定于2014年下半年制定完成），以及更長遠的“后LTE-Advanced”的構想的探討也即將開始（圖1）。按照設想，LTE-Advanced將于2015年左右投入實用，Release 12和后LTE-Advanced將于2016年～2020年左右投入實用。

　　下面，本文就分“2013～2015年”、“2016～2019年”、“2020年以后”三個階段，介紹一下根據3GPP的討論內容推測的將來的移動通信方案以及所需的技術。

　　使用多家運營商

　　首先來看2013～2015年移動通信行業(yè)的發(fā)展。關注點是LTE-Advanced的引進。

　　LTE-Advanced是現在世界主要地區(qū)已經開始采用的“LTE”的拓展規(guī)范。例如，當單通道帶寬為20MHz時，LTE的最大數據傳輸速度約為150Mbps；而LTE-Advanced通過把單通道帶寬擴大到最大100MHz，能夠實現超過1Gbps的速度。使用同一頻道與多個用戶進行通信的多路訪問方式與LTE一樣使用正交頻分多址接入（OFDMA）。

　　圖1：LTE普及，后LTE-A也將展開

　　圖中總結了未來移動通信技術的發(fā)展方向。擴大傳輸容量將成為移動通信運營商的首要課題。此時需要的是小型蜂窩基站和高級干擾補償技術等。2015年以后，最大數據傳輸速度將超過1Gbps。

　　LTE-Advanced新增的項目大致有五個。其中備受關注的功能有“載波聚合”和“異構網絡”（HetNet）。

　　首先，載波聚合是通過聚合多個頻道（載波）增大帶寬的技術。如果把20MHz帶寬的載波作為1個單位，組合5個單位即為100MHz。例如，把800MHz頻帶中的20MHz、2GHz頻帶中的20MHz聚合到一起，可以使帶寬達到40MHz。

　　采用這種方法是由于頻率資源緊張。雖然LTE-Advanced可以使用100MHz帶寬，但能夠持續(xù)為移動通信服務提供100MHz帶寬的頻帶有限。要想滿足世界各地通信運營商開展服務的需求，載波聚合這樣的機制必不可少。

　　HetNet逐漸浸透

　　預定緊接著載波聚合導入的是HetNet。其作用是把發(fā)送功率不同的基站組合到一起，開展移動通信服務。在手機網絡中，一般的基站叫做“宏蜂窩基站”（發(fā)送功率為10～40W），可以覆蓋半徑1～25km左右范圍內的用戶。宏蜂窩基站與微微蜂窩（功率在數W以下）組合，覆蓋著基站內點狀分布的通信需求較高的區(qū)域。這種發(fā)送功率小于宏蜂窩的基站及基站裝置叫做“小型蜂窩”。

　　面向2013～2015年的LTE-Advanced采用期，基站和終端的開發(fā)已經展開?；痉矫?，包括HetNet使用的微微蜂窩和毫微微蜂窩基站在內，小型蜂窩基站的開發(fā)十分活躍。終端方面，有可能出現巨大變化的是“Release 11”中開始采用的“高級接收器”功能。這項功能的概念是在HetNet環(huán)境下，使終端也具備減輕電磁干擾的功能。該功能從宏蜂窩基站獲取在何時、應該重視哪個基站的信號的優(yōu)先度信息，將其應用于減輕RF電路的電磁干擾。

　　后LTE-A開發(fā)也將展開

　　接下來的2016～2019年是LTE-Advanced的全面普及期。到2016年左右，1個通道可以利用的帶寬估計為80M～100MHz。此時，最大數據傳輸速度將達到1Gbps。

　　設想在這一時期投入實用的移動通信標準估計相當于3GPP制定的“Release 12”。Release 12預定在進一步拓展LTE-Advanced的概念的基礎上，添加新的功能。

　　圖2：提出新一代規(guī)范技術方案

　　預定于2014年下半年完成標準制定的“3GPP Release 12”的議題匯總。主題包括小型蜂窩基站的高度化、多天線技術、支持M2M和D2D等。

　　在3GPP內部，各公司已經就Release 12的技術概念提出了方案（圖2）。包括利用小型蜂窩基站、多天線技術在內，關于提升基站性能的提議也很多。其中，空間復用技術的高度化備受期待，關注的關鍵詞是“3D-MIMO”。

　　過去的MIMO空間復用系統是在基站的放射面上，沿二維方向，把空間分割給用戶。而3D-MIMO則是在基站的垂直面內（靠近基站的用戶與基站邊緣的用戶），利用MIMO進行空間分割。水平面內的分割加上垂直面上的分割，可使能夠同時利用同一頻道的用戶大幅增加。

　　3.5GHz附近頻帶的利用估計也會成為Release 12的議題。例如NTT DoCoMo提出了在大廈內和家庭內等小范圍區(qū)域利用高頻帶，在廣域內利用傳統的低頻帶的方法。3.5GHz頻帶等高頻帶波的方向性好，傳輸距離短。這樣的利用方式可以發(fā)揮其特性，把使用范圍集中于流量需求大的小范圍區(qū)域。

　　流量超過500倍

　　關于2020年以后的技術，目前3GPP還未提出明確的服務概念。世界各地的通信運營商和通信設備生產商都在自己設想。

　　在這種情況下，NTT DoCoMo已經公布了應對2020年左右通信流量增加的方針的示例。根據該示例，DoCoMo設想的方式是以大幅增加基站的設置數量為主軸，擴大WLAN數據分流的利用和擴展可用帶寬（圖3）。最大數據傳輸速度的目標高達10Gbps。

　　圖3：對新的效率提高技術寄予厚望

　　為了滿足2020年通信流量增至500～1000倍的需求，NTT DoCoMo提出了解決思路，即在利用新的頻率分配方式擴大帶寬的同時，通過改善多路訪問方式，提高頻率利用效率。

　　另外，為了滿足500～1000倍于2010年的通信流量，提高頻率利用效率必不可少。但直到現在，無線接入技術中還沒有能夠實現如此高的頻率利用效率的熱門候選，因此只能以現行的OFDMA為基礎，通過擴充附加功能，一點一點地提高頻率利用效率。

　　諸如此類的技術水平提升將是未來數年的重要研究主題。用于提高頻率利用效率的信號處理技術、新概念的糾錯技術、全新概念的多路訪問技術，都被寄予厚望。

　　這一部分主要是介紹個人電腦和智能手機所必需的無線LAN（WLAN）技術。

　　智能手機的配備會發(fā)生良性循環(huán)

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

　　圖4：無線LAN應用領域擴大

　　過去的無線LAN以筆記本電腦和個人電腦外設為中心。以配備智能手機為契機，應用范圍正在向數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已經開始向新市場擴展。在新市場上出現了不同于以往的要求。例如：“數據傳輸速度慢沒關系，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，旨在實現長距離傳輸的規(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頻帶毫米波實現近距離5G～6Gbps的高速傳輸的“IEEE802.11ad”（以下稱11ad）。

　　關于②，正在推進的是在數字電視閑置頻帶“TV空白頻段”（數十M～700MHz頻帶）間，利用面向便攜產品的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以下的頻帶實現長距離傳輸的“IEEE802.11ah”（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。為了制定出單系統處理量超過1Gbps的規(guī)范，相關工作組已于2008年11月成立。

　　11ac的基本傳輸技術沿襲了11n以OFDM（正交頻分復用）傳輸數據的方法等。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。11n采用了發(fā)送端和接收端使用多個天線元件，以同一頻道實現數倍傳輸容量的MIMO技術。11n的MIMO的天線重數最大為4重，但11ac最多可以實現8重。如此，傳輸速度可提高2倍。

　　第二點是提高一級調制方式的多值度。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等現行技術的擴充之外，11ac還將采用全新技術。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)送不同的數據，以實現同時連接。

　　11n之前支持的均為同時僅允許1臺終端與MIMO交換數據的“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據，有望大幅提升單系統的處理量。

　　用毫米波帶可實現高速傳輸

　　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，通過設置單通道帶寬為2.16GHz的通道，最大可實現約6.7Gbps數據傳輸。

　　11ad的規(guī)范已經成形，半導體開發(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產品中加以運用。該公司有意把11ad芯片組應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設想利用的是500M～700MHz等頻帶。在這個頻段，如果沒有微波數字電視和無線麥克風等優(yōu)先服務存在，使用頻道無需申請執(zhí)照。

　　利用TV空白頻段的設備，需要訪問數據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)定除了訪問數據庫的功能之外，最初還要求內嵌載波偵聽功能，用來檢測其他無線服務是否存在。由于在產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，FCC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，在保持系統與現行無線LAN（11a/b/g/n）相似的基礎上，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備生產的企業(yè)為主導，以智能電網的使用場景為前提開展的討論不在少數。

　　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次數據包，而且，在初始認證之后，還要交換DHCP等數據包。因此常常需要數百m秒以上的時間。而11ai的目標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）技術。

　　智能手機的藍牙

　　無線PAN技術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）。

　　首先，（1）智能手機周邊是指智能手機及其外設使用的無線PAN技術。在這個領域，普及度占壓倒性優(yōu)勢的當屬近距離無線標準“藍牙”。主要生產商的智能手機絕大多數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藍牙的1/5～1/10，因此可以應用于使用紐扣電池驅動的小型設備。

　　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來收發(fā)電波這一點與現行藍牙相同。不同之處是跳頻利用的信道數量從過去的79個減少到了40個，相應地，信道間隔擴大到了2MHz。

　　為了減少消耗電流，數據收發(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。為了實現這一點，收發(fā)的數據包的最大長度控制在了現行藍牙的1/8左右。如此一來，實際最大數據傳輸速度有所降低，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“Wibree”。這是該公司為手表和傳感器產品提出的無線規(guī)范，博通、CSR等半導體廠商以及精工愛普生、太陽誘電都在主導企業(yè)之列。但之后，隨著Wibree與藍牙合并，該技術被冠以了Low Energy的名稱。

　　醫(yī)療和保健用途

　　關于無線PAN的第二個動向——醫(yī)療和保健，如今備受關注的標準是“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）。

　　IEEE802.15.6是以應用于醫(yī)療和保健領域為前提制定的標準（表2），因此傳輸可靠性高，嚴格的安保、優(yōu)先傳輸緊急數據等功能均為基本性能。而且，因為設想的應用對象是佩戴在身上的小型傳感器，所以耗電量控制在較低水平，可以使用紐扣電池驅動。

　　表2：主要近距離無線通信標準示例

　　因為面向的是在人體周邊構筑的無線網絡，所以BAN的傳輸距離最大僅為2m左右。另外，網絡拓撲結構（樞紐與各傳感器節(jié)點的連接形態(tài)）僅限于星型，各節(jié)點的深度可以達到兩層。

　　通過使用能夠利用同一接口連接人體周圍的多個傳感器的IEEE802.15.6標準，包括掌握走路時的脂肪燃燒量、住院患者的監(jiān)控在內，無線PAN有望進入各種各樣的用途。

　　充分利用UWB和人體通信

　　IEEE802.15.6的物理層由3種無線方式構成，分別是（1）窄帶（narrowband，NB）通信、（2）超寬帶（ultra wideband，UWB）通信、（3）人體通信（humanbody communications，HBC）。其中，窄帶通信使用的是400MHz頻帶到2.4GHz頻帶的頻率。

　　窄帶通信通過采用擴散通信（反復發(fā)送）和具有良好糾錯性能的BCH（bose chaudhuri hocquenghem）碼，確保了較低的誤碼率?？梢哉f是能夠確保傳輸可靠性的通信方式。而且采用了包絡波動小的調制方式和差分編碼/延遲檢測方式。各頻帶使用的方式相同。

　　超寬帶通信利用脈沖來傳輸數據，分配到的帶寬為3.1G～10.6GHz，利用條件因國家和地區(qū)而異。這種方式通信時的傳輸功率密度極低，因此具備在現有無線系統使用的頻帶下也能夠實現頻率共用的特點。

　　最后的人體通信是把人體作為信號傳輸媒介的通信方式。由于波長較短，其傳輸距離自然也短，因此，無線通信借助的不是輻射電磁場，而是靜電場。中心頻率為21MHz或32MHz，如果是在日本使用，類別屬于微弱無線電臺。

　　還可充當HEMS的傳輸媒介

　　無線PAN的第三個焦點動向是用于家庭能源管理的“HAN（home area network）”。

　　HAN設想的用途是作為家庭內部的空調、照明等基礎電器的能源管理系統“HEMS（home energymanagement system）”的傳輸媒介?！癏AN”的說法最初主要出現在美國電力公司的討論之中。雖然也可以連接電視和個人電腦，但連接的主體是基礎電器和白色家電等。

　　HAN傳輸的數據不是大容量的視頻等數據，主要是電器控制指令、狀態(tài)報告等小型數據。因此，HAN對于傳輸容量沒有太高要求，傳輸速度只需達到大約幾十kbps即可。與傳輸性能相比，HAN注重的反而是家庭內傳輸距離長、能夠應用于采用電池驅動的傳感器產品的低功耗等方面。

　　在HAN的傳輸標準中，無線標準“ZigBee”和“Z-Wave”比較受關注。以Zig-Bee為例，與無線LAN相比，其低功耗性能備受矚目，還支持多個終端串聯傳輸數據的“多次反射連接”等。過去，Zig-Bee與無線LAN一樣，主要使用2.4GHz頻帶，但目前，使用1GHz以下的頻帶延長傳輸距離的舉動也日漸活躍。例如在日本，受到期待的是920MHz頻帶的利用。

　　思科推進的標準

　　從制定之初就以使用920MHz等較低頻帶的為前提的標準是“IEEE802.15.4g”（圖5）。這項標準由燃氣公司和智能儀表生產商主導制定，特點是功耗低。IEEE802.15.4g是物理層標準，必須要與IEEE802.15.4e等MAC層標準組合使用。

　　圖5：面向智能儀表的“IEEE802.15.4g” 支持各種頻帶和調制方式，符合各國的頻率規(guī)定（a）。（b）是NICT開發(fā)的支持IEEE802.15.4g的無線收發(fā)模塊。

　　關于4g和4e，業(yè)內企業(yè)成立了“Wi-SUN聯盟”，旨在對各公司產品之間的互聯性進行認證，并在思科系統和NICT等企業(yè)的主導下，開展標準制定工作。測試互聯性的活動“Plug Festa”已經在日本和新加坡成功舉辦。

　　IEEE802.15.4g支持400MHz～2.4GHz頻帶的眾多帶寬，調制方式也可以在4值FSK和OFDM中選擇。最大的優(yōu)點是能夠利用傳輸速度、傳輸距離、易傳達性表現均衡的700M～900MHz頻帶的各個帶寬。另外，IEEE802.15.4g還想到了在IP網絡中的使用，最大幀長度拓展到了2048字節(jié)（過去的IEEE802.15.4標準為127字節(jié)）。

　　IEEE802.15.4e以IEEE802.15.4的MAC層為基礎，通過使無線設備之間的通信待機動作和數據收發(fā)動作的時間相配合，增加間歇執(zhí)行等功能，實現了節(jié)電化。