LTE成为主流?无线通信最新技术趋势盘点(二)

2013-05-04 18:01:48来源: 互联网
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

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关键字:LTE  无线通信

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/0504/article_18265.html
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