LTE成为主流？无线通信最新技术趋势盘点

　　在这几年，得益于各大厂商的推广，整个移动互联网产业得到了长足的发展。随之也带动了无线技术的发展，新技术层出不穷，在这个文章里，我们给大家介绍一下无线通信技术的最新趋势，希望对大家有所帮助。

　　作为介绍无线技术的开片，本文把焦点对准了支撑手机和智能手机服务的移动通信技术，也就是无线通信行业所说的“无线广域网”（WWAN：Wireless Wide Area Network）。从下次开始，本连载将逐一向大家介绍“无线局域网”（WLAN：Wireless Local Area Network）以及“无线个人局域网”（WPAN：Wireless Personal Area Network）的技术动向。

　　3GPP展开行动

　　第3代移动通信方式（3G）的技术规范机构“3GPP”（第三代合作伙伴计划）的动向大幅左右着WWAN的技术走向。自从通信方式进入3G以后，3GPP一直引领着世界手机服务的标准化工作。可以说，3GPP制定的规范决定着之后移动通信技术的趋势。

　　3GPP即将完成“Release 11”的标准化，其中将加入与LTE的后续规范“LTE-Advanced”相关的追加规定。关于其后续规范“Release 12”（预定于2014年下半年制定完成），以及更长远的“后LTE-Advanced”的构想的探讨也即将开始（图1）。按照设想，LTE-Advanced将于2015年左右投入实用，Release 12和后LTE-Advanced将于2016年～2020年左右投入实用。

　　下面，本文就分“2013～2015年”、“2016～2019年”、“2020年以后”三个阶段，介绍一下根据3GPP的讨论内容推测的将来的移动通信方案以及所需的技术。

　　使用多家运营商

　　首先来看2013～2015年移动通信行业的发展。关注点是LTE-Advanced的引进。

　　LTE-Advanced是现在世界主要地区已经开始采用的“LTE”的拓展规范。例如，当单通道带宽为20MHz时，LTE的最大数据传输速度约为150Mbps；而LTE-Advanced通过把单通道带宽扩大到最大100MHz，能够实现超过1Gbps的速度。使用同一频道与多个用户进行通信的多路访问方式与LTE一样使用正交频分多址接入（OFDMA）。

　　

　　图1：LTE普及，后LTE-A也将展开

　　图中总结了未来移动通信技术的发展方向。扩大传输容量将成为移动通信运营商的首要课题。此时需要的是小型蜂窝基站和高级干扰补偿技术等。2015年以后，最大数据传输速度将超过1Gbps。

　　LTE-Advanced新增的项目大致有五个。其中备受关注的功能有“载波聚合”和“异构网络”（HetNet）。

　　首先，载波聚合是通过聚合多个频道（载波）增大带宽的技术。如果把20MHz带宽的载波作为1个单位，组合5个单位即为100MHz。例如，把800MHz频带中的20MHz、2GHz频带中的20MHz聚合到一起，可以使带宽达到40MHz。

　　采用这种方法是由于频率资源紧张。虽然LTE-Advanced可以使用100MHz带宽，但能够持续为移动通信服务提供100MHz带宽的频带有限。要想满足世界各地通信运营商开展服务的需求，载波聚合这样的机制必不可少。

　　HetNet逐渐浸透

　　预定紧接着载波聚合导入的是HetNet。其作用是把发送功率不同的基站组合到一起，开展移动通信服务。在手机网络中，一般的基站叫做“宏蜂窝基站”（发送功率为10～40W），可以覆盖半径1～25km左右范围内的用户。宏蜂窝基站与微微蜂窝（功率在数W以下）组合，覆盖着基站内点状分布的通信需求较高的区域。这种发送功率小于宏蜂窝的基站及基站装置叫做“小型蜂窝”。

　　面向2013～2015年的LTE-Advanced采用期，基站和终端的开发已经展开。基站方面，包括HetNet使用的微微蜂窝和毫微微蜂窝基站在内，小型蜂窝基站的开发十分活跃。终端方面，有可能出现巨大变化的是“Release 11”中开始采用的“高级接收器”功能。这项功能的概念是在HetNet环境下，使终端也具备减轻电磁干扰的功能。该功能从宏蜂窝基站获取在何时、应该重视哪个基站的信号的优先度信息，将其应用于减轻RF电路的电磁干扰。

　　后LTE-A开发也将展开

　　接下来的2016～2019年是LTE-Advanced的全面普及期。到2016年左右，1个通道可以利用的带宽估计为80M～100MHz。此时，最大数据传输速度将达到1Gbps。

　　设想在这一时期投入实用的移动通信标准估计相当于3GPP制定的“Release 12”。Release 12预定在进一步拓展LTE-Advanced的概念的基础上，添加新的功能。

　　

　　图2：提出新一代规范技术方案

　　预定于2014年下半年完成标准制定的“3GPP Release 12”的议题汇总。主题包括小型蜂窝基站的高度化、多天线技术、支持M2M和D2D等。

　　在3GPP内部，各公司已经就Release 12的技术概念提出了方案（图2）。包括利用小型蜂窝基站、多天线技术在内，关于提升基站性能的提议也很多。其中，空间复用技术的高度化备受期待，关注的关键词是“3D-MIMO”。

　　过去的MIMO空间复用系统是在基站的放射面上，沿二维方向，把空间分割给用户。而3D-MIMO则是在基站的垂直面内（靠近基站的用户与基站边缘的用户），利用MIMO进行空间分割。水平面内的分割加上垂直面上的分割，可使能够同时利用同一频道的用户大幅增加。

　　3.5GHz附近频带的利用估计也会成为Release 12的议题。例如NTT DoCoMo提出了在大厦内和家庭内等小范围区域利用高频带，在广域内利用传统的低频带的方法。3.5GHz频带等高频带波的方向性好，传输距离短。这样的利用方式可以发挥其特性，把使用范围集中于流量需求大的小范围区域。

　　流量超过500倍

　　关于2020年以后的技术，目前3GPP还未提出明确的服务概念。世界各地的通信运营商和通信设备生产商都在自己设想。

　　在这种情况下，NTT DoCoMo已经公布了应对2020年左右通信流量增加的方针的示例。根据该示例，DoCoMo设想的方式是以大幅增加基站的设置数量为主轴，扩大WLAN数据分流的利用和扩展可用带宽（图3）。最大数据传输速度的目标高达10Gbps。

　　

　　图3：对新的效率提高技术寄予厚望

　　为了满足2020年通信流量增至500～1000倍的需求，NTT DoCoMo提出了解决思路，即在利用新的频率分配方式扩大带宽的同时，通过改善多路访问方式，提高频率利用效率。

　　另外，为了满足500～1000倍于2010年的通信流量，提高频率利用效率必不可少。但直到现在，无线接入技术中还没有能够实现如此高的频率利用效率的热门候选，因此只能以现行的OFDMA为基础，通过扩充附加功能，一点一点地提高频率利用效率。

　　诸如此类的技术水平提升将是未来数年的重要研究主题。用于提高频率利用效率的信号处理技术、新概念的纠错技术、全新概念的多路访问技术，都被寄予厚望。

　　这一部分主要是介绍个人电脑和智能手机所必需的无线LAN（WLAN）技术。

　　智能手机的配备会发生良性循环

　　无线LAN的应用领域如今已有了很大扩展。过去，无线LAN主要应用于个人电脑及其外设、智能手机等便携终端。但现如今，已扩大到以电视等影音设备为首，直到空调等白色家电、保健仪器和车载仪器等各种领域（图4）。

　　图4：无线LAN应用领域扩大

　　过去的无线LAN以笔记本电脑和个人电脑外设为中心。以配备智能手机为契机，应用范围正在向数码相机和保健仪器扩大。

　　市场正在快速扩大的智能手机和平板终端几乎100％配备了无线LAN功能。因此，无线LAN用收发IC的供货量扶摇直上，于2011年超过了10亿个。供货量的增加使得IC价格降低，进而促进了采用机型范围的扩大，形成了良性循环。

　　如今，无线LAN已经开始向新市场扩展。在新市场上出现了不同于以往的要求。例如：“数据传输速度慢没关系，但要能长距离传输”、“总之收发IC的功耗要低”、“建立无线LAN连接最好更快一些”等。

　　IEEE802的新一代规范

　　无线LAN的进化趋势可以从新一代规范大致推测出来。无线LAN标准化团体“IEEE802.11”各工作组制定的新一代规范就是如此。

　　新一代规范大致可以分成三个方向。①追求更高速度的规范；②利用比过去的2.4GHz频带和5GHz频带更低的频带，旨在实现长距离传输的规范；③大幅缩短建立连接的时间等旨在提高易用性的规范（表1）。

　　表1：IEEE802委员会正在制定的新一代无线LAN规范示例

　　①是在沿用5GHz频带的情况下，使单系统的实际处理量提高到过去的10倍，达到1Gbps以上的“IEEE802.11ac”（以下称11ac），以及旨在利用60GHz频带毫米波实现近距离5G～6Gbps的高速传输的“IEEE802.11ad”（以下称11ad）。

　　关于②，正在推进的是在数字电视闲置频带“TV空白频段”（数十M～700MHz频带）间，利用面向便携产品的500M～700MHz频带，旨在把传输距离延长至3倍左右的“IEEE802.11af”（以下称11af），以及旨在利用900MHz频带等1GHz以下的频带实现长距离传输的“IEEE802.11ah”（以下称11ah）。③则是把无线LAN的安全认证时间缩短到1/10左右的规范“IEEE802.11ai”（以下称11ai ）。

　　使用256QAM的11ac

　　无线LAN的现行规范是“IEEE802.11n”（以下称11n）。其后续的新一代规范是11ac。为了制定出单系统处理量超过1Gbps的规范，相关工作组已于2008年11月成立。

　　11ac的基本传输技术沿袭了11n以OFDM（正交频分复用）传输数据的方法等。为了进一步提高传输速度，大致在四个方向上扩充了11n的功能。首先是增加传输时的天线重数。11n采用了发送端和接收端使用多个天线元件，以同一频道实现数倍传输容量的MIMO技术。11n的MIMO的天线重数最大为4重，但11ac最多可以实现8重。如此，传输速度可提高2倍。

　　第二点是提高一级调制方式的多值度。11n最大采用64值QAM，11ac则把256值QAM加入到了选项规范之中。使用256值QAM时，传输速度大约可以提高1.3倍。

　　接下来的第三点是把利用频道的带宽扩大到原来的2～4倍。11n使用的频道的带宽最大为40MHz。而11ac扩大到了80MHz及160MHz（选项规范）。

　　除了扩大带宽、采用256值QAM等现行技术的扩充之外，11ac还将采用全新技术。那就是第四点——多用户MIMO。多用户MIMO是指利用无线LAN接入点等基站方的天线，对传输波束进行控制，使用同一频道，向不同的终端发送不同的数据，以实现同时连接。

　　11n之前支持的均为同时仅允许1台终端与MIMO交换数据的“单用户MIMO”。随着11ac发展为多用户MIMO，多个终端将可以同时与基站交换数据，有望大幅提升单系统的处理量。

　　用毫米波带可实现高速传输

　　面向进一步高速化的另一项规范是利用60GHz频段的11ad。这个频段可以确保世界通用的5G～7GHz左右的带宽。在这个较有富裕的带宽中，通过设置单通道带宽为2.16GHz的通道，最大可实现约6.7Gbps数据传输。

　　11ad的规范已经成形，半导体开发渐入佳境。而且，为了促进遵循11ad的毫米波通信的普及，业界团体“WiGig”正在开展活动，向会员企业公开正式规范。其中，松下准备马上着手开发遵循11ad的芯片组，在WiGig产品中加以运用。该公司有意把11ad芯片组应用于便携终端的近距离高速无线传输。为了降低功耗，松下采取了在芯片组的RF收发器IC上置入相位噪声极低的电压控制振荡电路，为降低功率放大器的输出功率进行优化等措施。

　　还将利用900MHz频带

　　着眼于利用TV空白频段的11af，与着眼于利用900MHz频带的11ah，在利用比过去的2.4GHz和5GHz更低的频带的意义上，有着相似的概念。

　　其中，11af设想利用的是500M～700MHz等频带。在这个频段，如果没有微波数字电视和无线麦克风等优先服务存在，使用频道无需申请执照。

　　利用TV空白频段的设备，需要访问数据库了解频道的空闲状态，此时的访问方法的规范化目前正在研究之中。FCC制定的TV空白频段使用规定除了访问数据库的功能之外，最初还要求内嵌载波侦听功能，用来检测其他无线服务是否存在。由于在产品中安装这项功能需要极高的接收灵敏度，一般认为便携终端很难利用TV空白频段。然而，在2010年下半年，FCC提出了无需配备载波侦听功能的方向。

　　与使用地区受限的TV空白频段相比，11ah有意利用的900MHz等频带与世界市场的磨合性较好。11ah将争取利用这些频段，大幅延长传输距离。

　　11ah还在探讨之中，传输规范尚未敲定。目前，工作组正在对传输方式使用OFDM，在保持系统与现行无线LAN（11a/b/g/n）相似的基础上，降低频带的物理层等拓展方法进行探讨。

　　11ah工作组在美国以从事电力及燃气公司设备生产的企业为主导，以智能电网的使用场景为前提开展的讨论不在少数。

　　大幅缩短建立连接的时间

　　11ai是旨在大幅缩短无线LAN安全初始认证需要的时间的规范。无线LAN的初始认证在终端与接入点之间至少需要交换14次数据包，而且，在初始认证之后，还要交换DHCP等数据包。因此常常需要数百m秒以上的时间。而11ai的目标是将这一时间缩短到1/10～1/15。

　　本节主要介绍较近距离无线连接使用的无线PAN（个人局域网）技术。

　　智能手机的蓝牙

　　无线PAN技术正在面向众多用途不断发展，本文将挑选最近尤其受到关注的三个用途，对其动向进行解说。三个用途分别是（1）智能手机周边、（2）医疗保健、（3）面向家庭能源管理的“HAN”（home area network，家庭局域网）。

　　首先，（1）智能手机周边是指智能手机及其外设使用的无线PAN技术。在这个领域，普及度占压倒性优势的当属近距离无线标准“蓝牙”。主要生产商的智能手机绝大多数都配备了蓝牙通信功能，用于连接无线耳机和耳麦等。

　　蓝牙的焦点在于最新版本“Version 4.0”中加入的低耗电量模式“Bluetooth Low Energy”，该模式又被称作BluetoothLE或BLE，该模式的耗电量仅为传统蓝牙的1/5～1/10，因此可以应用于使用纽扣电池驱动的小型设备。

　　缩小的包的最大长度

　　BLE利用2.4GHz频带、使用跳频方式的扩频技术来收发电波这一点与现行蓝牙相同。不同之处是跳频利用的信道数量从过去的79个减少到了40个，相应地，信道间隔扩大到了2MHz。

　　为了减少消耗电流，数据收发需要的时间缩短到了300μs左右，不到过去的1/2。而且还通过大幅缩短需要输出峰值电流的时间，延长待机模式状态下的时间，减少了消耗电流。为了实现这一点，收发的数据包的最大长度控制在了现行蓝牙的1/8左右。如此一来，实际最大数据传输速度有所降低，约为300kbps。

　　新版本的前身是诺基亚在2006年发布的低耗电无线技术“Wibree”。这是该公司为手表和传感器产品提出的无线规范，博通、CSR等半导体厂商以及精工爱普生、太阳诱电都在主导企业之列。但之后，随着Wibree与蓝牙合并，该技术被冠以了Low Energy的名称。

　　医疗和保健用途

　　关于无线PAN的第二个动向——医疗和保健，如今备受关注的标准是“IEEE802.15.6”。因为是在人体周围使用，所以也叫做“BAN”（body areanetwork，人体局域网）。

　　IEEE802.15.6是以应用于医疗和保健领域为前提制定的标准（表2），因此传输可靠性高，严格的安保、优先传输紧急数据等功能均为基本性能。而且，因为设想的应用对象是佩戴在身上的小型传感器，所以耗电量控制在较低水平，可以使用纽扣电池驱动。

　　表2：主要近距离无线通信标准示例

　　因为面向的是在人体周边构筑的无线网络，所以BAN的传输距离最大仅为2m左右。另外，网络拓扑结构（枢纽与各传感器节点的连接形态）仅限于星型，各节点的深度可以达到两层。

　　通过使用能够利用同一接口连接人体周围的多个传感器的IEEE802.15.6标准，包括掌握走路时的脂肪燃烧量、住院患者的监控在内，无线PAN有望进入各种各样的用途。

　　充分利用UWB和人体通信

　　IEEE802.15.6的物理层由3种无线方式构成，分别是（1）窄带（narrowband，NB）通信、（2）超宽带（ultra wideband，UWB）通信、（3）人体通信（humanbody communications，HBC）。其中，窄带通信使用的是400MHz频带到2.4GHz频带的频率。

　　窄带通信通过采用扩散通信（反复发送）和具有良好纠错性能的BCH（bose chaudhuri hocquenghem）码，确保了较低的误码率。可以说是能够确保传输可靠性的通信方式。而且采用了包络波动小的调制方式和差分编码/延迟检测方式。各频带使用的方式相同。

　　超宽带通信利用脉冲来传输数据，分配到的带宽为3.1G～10.6GHz，利用条件因国家和地区而异。这种方式通信时的传输功率密度极低，因此具备在现有无线系统使用的频带下也能够实现频率共用的特点。

　　最后的人体通信是把人体作为信号传输媒介的通信方式。由于波长较短，其传输距离自然也短，因此，无线通信借助的不是辐射电磁场，而是静电场。中心频率为21MHz或32MHz，如果是在日本使用，类别属于微弱无线电台。

　　还可充当HEMS的传输媒介

　　无线PAN的第三个焦点动向是用于家庭能源管理的“HAN（home area network）”。

　　HAN设想的用途是作为家庭内部的空调、照明等基础电器的能源管理系统“HEMS（home energymanagement system）”的传输媒介。“HAN”的说法最初主要出现在美国电力公司的讨论之中。虽然也可以连接电视和个人电脑，但连接的主体是基础电器和白色家电等。

　　HAN传输的数据不是大容量的视频等数据，主要是电器控制指令、状态报告等小型数据。因此，HAN对于传输容量没有太高要求，传输速度只需达到大约几十kbps即可。与传输性能相比，HAN注重的反而是家庭内传输距离长、能够应用于采用电池驱动的传感器产品的低功耗等方面。

　　在HAN的传输标准中，无线标准“ZigBee”和“Z-Wave”比较受关注。以Zig-Bee为例，与无线LAN相比，其低功耗性能备受瞩目，还支持多个终端串联传输数据的“多次反射连接”等。过去，Zig-Bee与无线LAN一样，主要使用2.4GHz频带，但目前，使用1GHz以下的频带延长传输距离的举动也日渐活跃。例如在日本，受到期待的是920MHz频带的利用。

　　思科推进的标准

　　从制定之初就以使用920MHz等较低频带的为前提的标准是“IEEE802.15.4g”（图5）。这项标准由燃气公司和智能仪表生产商主导制定，特点是功耗低。IEEE802.15.4g是物理层标准，必须要与IEEE802.15.4e等MAC层标准组合使用。

　　图5：面向智能仪表的“IEEE802.15.4g” 支持各种频带和调制方式，符合各国的频率规定（a）。（b）是NICT开发的支持IEEE802.15.4g的无线收发模块。

　　关于4g和4e，业内企业成立了“Wi-SUN联盟”，旨在对各公司产品之间的互联性进行认证，并在思科系统和NICT等企业的主导下，开展标准制定工作。测试互联性的活动“Plug Festa”已经在日本和新加坡成功举办。

　　IEEE802.15.4g支持400MHz～2.4GHz频带的众多带宽，调制方式也可以在4值FSK和OFDM中选择。最大的优点是能够利用传输速度、传输距离、易传达性表现均衡的700M～900MHz频带的各个带宽。另外，IEEE802.15.4g还想到了在IP网络中的使用，最大帧长度拓展到了2048字节（过去的IEEE802.15.4标准为127字节）。

　　IEEE802.15.4e以IEEE802.15.4的MAC层为基础，通过使无线设备之间的通信待机动作和数据收发动作的时间相配合，增加间歇执行等功能，实现了节电化。