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無(wú)線技術(shù)最新趨勢(shì)（一）：移動(dòng)通信篇

連載第二篇將聚焦個(gè)人電腦和智能手機(jī)所必需的無(wú)線LAN（WLAN）技術(shù)。

智能手機(jī)的配備會(huì)產(chǎn)生良性循環(huán)

無(wú)線LAN的應(yīng)用領(lǐng)域如今已有了很大擴(kuò)展。過(guò)去，無(wú)線LAN主要應(yīng)用于個(gè)人電腦及其外設(shè)、智能手機(jī)等便攜終端。但現(xiàn)如今，已擴(kuò)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1）。

圖1：無(wú)線LAN應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大 過(guò)去的無(wú)線LAN以筆記本電腦和個(gè)人電腦外設(shè)為中心。以配備智能手機(jī)為契機(jī)，應(yīng)用范圍正在向數(shù)碼相機(jī)和保健儀器擴(kuò)大。

市場(chǎng)正在快速擴(kuò)大的智能手機(jī)和平板終端幾乎100％配備了無(wú)線LAN功能。因此，無(wú)線LAN用收發(fā)IC的供貨量扶搖直上，于2011年超過(guò)了10億個(gè)。供貨量的增加使得IC價(jià)格降低，進(jìn)而促進(jìn)了采用機(jī)型范圍的擴(kuò)大，形成了良性循環(huán)。

如今，無(wú)線LAN已經(jīng)開(kāi)始向新市場(chǎng)擴(kuò)展。在新市場(chǎng)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(méi)關(guān)系，但要能長(zhǎng)距離傳輸”、“總之收發(fā)IC的功耗要低”、“建立無(wú)線LAN連接最好更快一些”等。

IEEE802的新一代規(guī)范

無(wú)線LAN的進(jìn)化趨勢(shì)可以從新一代規(guī)范大致推測(cè)出來(lái)。無(wú)線LAN標(biāo)準(zhǔn)化團(tuán)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(gè)方向：①追求更高速度的規(guī)范；②利用比過(guò)去的2.4GHz頻帶和5GHz頻帶更低的頻帶，旨在實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸?shù)囊?guī)范；③大幅縮短建立連接的時(shí)間等旨在提高易用性的規(guī)范（表1）。

表1：IEEE802委員會(huì)正在制定的新一代無(wú)線LAN規(guī)范示例 （表：《日經(jīng)電子》 2011年9月5日刊，p.41表1）

①是在沿用5GHz頻帶的情況下，使單系統(tǒng)的實(shí)際處理量提高到過(guò)去的10倍，達(dá)到1Gbps以上的“IEEE802.11ac”（以下稱11ac），以及旨在利用60GHz頻帶毫米波實(shí)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(jìn)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(zhǎng)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(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸?shù)摹癐EEE802.11ah”（以下稱11ah）。③則是把無(wú)線LAN的安全認(rèn)證時(shí)間縮短到1/10左右的規(guī)范“IEEE802.11ai”（以下稱11ai ）。

使用256QAM的11ac 

無(wú)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(guò)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(jìn)一步提高傳輸速度，大致在四個(gè)方向上擴(kuò)充了11n的功能。首先是增加傳輸時(shí)的天線重?cái)?shù)。11n采用了發(fā)送端和接收端使用多個(gè)天線元件，以同一頻道實(shí)現(xiàn)數(shù)倍傳輸容量的MIMO技術(shù)。11n的MIMO的天線重?cái)?shù)最大為4重，但11ac最多可以實(shí)現(xiàn)8重。如此，傳輸速度可提高2倍。

第二點(diǎn)是提高一級(jí)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(xiàng)規(guī)范之中。使用256值QAM時(shí)，傳輸速度大約可以提高1.3倍。

接下來(lái)的第三點(diǎn)是把利用頻道的帶寬擴(kuò)大到原來(lái)的2～4倍。11n使用的頻道的帶寬最大為40MHz。而11ac擴(kuò)大到了80MHz及160MHz（選項(xiàng)規(guī)范）。

除了擴(kuò)大帶寬、采用256值QAM等現(xiàn)行技術(shù)的擴(kuò)充之外，11ac還將采用全新技術(shù)。那就是第四點(diǎn)——多用戶MIMO。多用戶MIMO是指利用無(wú)線LAN接入點(diǎn)等基站方的天線，對(duì)傳輸波束進(jìn)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(shí)現(xiàn)同時(shí)連接。

11n之前支持的均為同時(shí)僅允許1臺(tái)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(gè)終端將可以同時(shí)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(shí)現(xiàn)高速傳輸

面向進(jìn)一步高速化的另一項(xiàng)規(guī)范是利用60GHz頻段的11ad。這個(gè)頻段可以確保世界通用的5G～7GHz左右的帶寬。在這個(gè)較有富裕的帶寬中，通過(guò)設(shè)置單通道帶寬為2.16GHz的通道，最大可實(shí)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(kāi)發(fā)漸入佳境。而且，為了促進(jìn)遵循11ad的毫米波通信的普及，業(yè)界團(tuán)體“WiGig”正在開(kāi)展活動(dòng)，向會(huì)員企業(yè)公開(kāi)正式規(guī)范。其中，松下準(zhǔn)備馬上著手開(kāi)發(fā)遵循11ad的芯片組，在WiGig產(chǎn)品中加以運(yùn)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(wú)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(jìn)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(guò)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(gè)頻段，如果沒(méi)有微波數(shù)字電視和無(wú)線麥克風(fēng)等優(yōu)先服務(wù)存在，使用頻道無(wú)需申請(qǐng)執(zhí)照。

利用TV空白頻段的設(shè)備，需要訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)了解頻道的空閑狀態(tài)，此時(shí)的訪問(wèn)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(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的功能之外，最初還要求內(nèi)嵌載波偵聽(tīng)功能，用來(lái)檢測(cè)其他無(wú)線服務(wù)是否存在。由于在產(chǎn)品中安裝這項(xiàng)功能需要極高的接收靈敏度，一般認(rèn)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(wú)需配備載波偵聽(tīng)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(chǎng)的磨合性較好。11ah將爭(zhēng)取利用這些頻段，大幅延長(zhǎng)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(duì)傳輸方式使用OFDM，在保持系統(tǒng)與現(xiàn)行無(wú)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(jìn)行探討。

11ah工作組在美國(guó)以從事電力及燃?xì)夤�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(chǎng)景為前提開(kāi)展的討論不在少數(shù)。

大幅縮短建立連接的時(shí)間

11ai是旨在大幅縮短無(wú)線LAN安全初始認(rèn)證需要的時(shí)間的規(guī)范。無(wú)線LAN的初始認(rèn)證在終端與接入點(diǎn)之間至少需要交換14次數(shù)據(jù)包，而且，在初始認(rèn)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(shí)間。而11ai的目標(biāo)是將這一時(shí)間縮短到1/10～1/15。（日經(jīng)技術(shù)在線 供稿）