电子技术专注于通信。它肇始于1845年的电报,承接于1876年的电话,但通信技术真正开始腾飞却是在世纪之交、无线和真空管技术出现时。今天,通信主导着电子行业,而无线则是其最大的组成部分。鉴于不断发展的蜂窝基础设施和物联网(IoT)等运动,无线领域有望持续增长。下面是今后几年有望得到进一步发展的一些技术的简介。

4G状态

4G意味着长期演进(LTE)。LTE是一种OFDM技术,是目前蜂窝系统的主要架构。2G和3G系统目前还在使用,但4G最早是在2011-2012时间段内实现的。LTE已经成为运营商们展现谁能最快发展4G的竞争手段。今天,美国、亚洲和欧洲的大多数运营商大部分实现了LTE。虽然LTE的推广还没有完成——不同运营商间差异很大——但已经接近完成了。LTE取得了很大的成功,大多数智能手机用户用它实现快速下载和视频流播放。当然,并不是所有事情都很完美。

虽然LTE承诺下载速度可达100Mb/s,但在实际使用中是达不到的。实际可以达到40Mb/s或50Mb/s,但也只能在一些特殊的环境下。在4G信号满格和业务量最少的情况下,偶然可以达到这个速度。更常见的速率可能是10-15Mb/s范围。在白天的业务高峰期间,速度超过几Mb/s已经算你运气好了。虽然这时不会出现LTE故障,但确实意味着远未发挥其潜能。

LTE没有提供承诺性能的原因之一是用户太多,LTE超卖了。今天几乎人手一个智能手机,并且都希望快速上网。在这种重负荷使用条件下,为了服务更多的用户,下载速度只能降下来。

不过LTE还是有希望的。大多数运营商还没有实现LTE-Advanced,即承诺可以提供更高速度的增强版本。

LTE-A使用载波汇聚(CA)技术来提升速度。CA将LTE的标准20MHz带宽整合成40、80或100MHz连续或不连续的块来实现更高的数据速率。LTE-A还定义了多达8x8的MIMO配置。大多数运营商还没有实现老的LTE规定的4x4 MIMO配置。因此当运营商激活这些先进功能时,下载速度就很可能达到1Gb/s。市场数据公司ABI Research预测,到2020年将有61%的智能手机搭载LTE载波汇聚功能。

这种LTE-CA技术一般被称为LTE-Advanced Pro或4.5G LTE。这是一种混合技术,被3GPP标准开发小组定义为Release 13。它包括了载波汇聚以及需要许可的辅助访问(LAA)——一种在5GHz免许可Wi-Fi频谱内使用LTE的技术。LTE-CA还部署LTE-Wi-Fi链路汇聚(LWA)和双路连接,允许一部智能手机同时与一个小蜂窝基站和一个Wi-Fi接入点通话。还有许多其它特性,这里不再详细介绍,但总的目标是通过减小延时、将数据速率提升到1Gb/s来延长LTE生命。

但这还不是全部。随着运营商开始推行小蜂窝策略,LTE还能够提供更高的性能,可以向更多的用户提供更高的数据速率。小蜂窝就是微型化的蜂窝基站,可以安装在任何地方,用于填补宏蜂窝基站的覆盖空隙,在需要的地方增加容量。

另外一种提升性能的方法是使用Wi-Fi卸载法。这种技术将快速下载任务转交给附近可用的Wi-Fi接入点(AP)。虽然只有少数运营商做到了这一点,但大多数运营商正在考虑一种被称为LTE-U(U代表免许可)的LTE改进。这是一种类似于LAA的技术,当网络不好时使用5GHz免许可频段实现快速下载。这种方法与同样使用5GHz频段的最新版Wi-Fi 802.11ac存在频谱冲突。这就需要做出一种折中方案。

因此可以说4G还有很长的生命周期。在今后几年中运营商最终会将所有或某些改进技术付之实现。举例来说,我们还没有见到LTE语音(VoLTE)得到广泛部署。只是要记住,智能手机制造商也会做软硬件的升级来配合这些先进的LTE技术改进。这些改进最终实现的时间可能与我们开始见到5G系统上线相重合。

5G开始起航

5G根本还没到来呢。目前你所见到听到的都是不成熟的宣传而已。运营商和供应商已经在暗暗叫劲谁第一个推出5G。还记得过去的4G战争吗?其实4G(LTE-A)到现在还没有真正实现。不管怎样,5G方面的工作正在如火如荼地进行中。在永无止境地追求新应用、更多用户和更高利润的运营商眼中,5G还是一个梦。

第三代合作伙伴项目(3GPP)正在制订5G标准,不过还要等上好几年时间。支持和管理该标准的国际电信联盟(ITU)把这个标准称为IMT-2020,并透露最终标准应该在2020年前发布。不过随着竞争对手们试图相互挤压市场,我们可能会见到5G的一些早期预览标准。有些人声称2017年或2018年前会推出某种形式的5G。我们应该理解,因为5G不是那么容易的。很明显5G将成为如果不是最复杂的无线系统也会是其中之一。5G的完整部署在2022年前是不太可能的。亚洲有望在实现方面领先于美国和欧洲。

5G的基本原理是克服4G的局限,为新应用增加新的功能。4G的局限主要是用户容量和有限的数据速率。蜂窝网络已经从以语音为中心转换为以数据为中心,但未来需要进一步的性能提升。

另外,人们也期望新的应用。这些应用包括承载超高清4K视频、虚拟现实内容、物联网(IoT)和机到机(M2M)使用案例及联网汽车。许多人仍然预测200亿至500亿联网设备,其中许多设备将使用蜂窝网络。虽然大多数物联网和M2M设备工作在低速率下,但数量一多就需要更高的网络速率。其它潜在应用包括智慧城市和汽车安全通信。

5G可能是更具革命性而不是演进性的技术。它将创建一种覆盖4G网络的新型网络架构。这种新网络将使用带光纤或毫米波回传通道的分布式小蜂窝(图1),这些小蜂窝对成本和功耗非常敏感,而且很容易扩展。另外,5G网络将更多地体现在软件而非硬件上。5G将使用软件定义网络(SDN)、网络功能虚拟化(NFV)和自组织网络(SON)技术。下面是值得期待的其它一些关键功能:

● 使用毫米波段。早期的5G也可能使用3.5GHz和5GHz频段。考虑的频率范围从大约14GHz到79GHz。目前还没有做出最终分配,但FCC表示将尽早完成分配。目前正在对24GHz、28GHz、37GHz和73GHz进行测试。

● 考虑采用新的调制技术。大多数是OFDM的某个变种。在标准中可能针对不同应用定义两种或多种新的调制技术。

● 采用某种形式的多入多出(MIMO)技术,以扩展范围、数据速率和链路可靠性。

● 天线将采用芯片级的相位阵列天线,并且带自适应波束成形和控制技术。

● 更小的延时是主要目标。小于5ms可能是必需的,但小于1ms是终极目标。

● 在500MHz或1GHz带宽内预期可达1Gb/s到10Gb/s的数据速率。

● 将采用GaAs、SiGe和某种CMOS材料制作芯片。

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   图1:工作在6GHz至42GHz范围的CeragonFibeAir IP-20C,是5G小蜂窝网络中使用的典型回传设备。

最大的挑战之一是将5G集成进手机中。我们目前的智能手机已经挤满了各种无线器件,而5G无线电路将比以往任何电路都复杂。一些人预测运营商准备好的时间远远比手机来得早。我们还能将它们称为手机吗? 我们最终肯定会实现5G,但与此同时,我们不得不与LTE共存相当长一段时间。不过老实讲你真的需要5G吗?

Wi-Fi的下一步是什么?

除了蜂窝外,Wi-Fi也是我们需要的无线链路。与以太网一样,它是我们喜欢的通信“工具”。我们希望随处可以访问Wi-Fi,而大多数情况下我们是可以做到的。与大多数流行的无线技术一样,Wi-Fi也一直在发展中。即将推出的最新版本是802.11ac,它可以在5GHz免许可频段内提供高达1.3Gb/s的速率。目前大多数接入点、家庭路由器和智能手机还没有802.11ac,但802.11ac正在向这些设备进军。另外一件正在做的事情是为超快速60GHz(57-64GHz)802.11ad标准找到视频和扩展坞之外的应用。这是一种通过验证并且极具成本效益的技术,但哪种应用在最长10m的距离内需要3Gb/s至7Gb/s的速率呢?

不管何时都有多个802.11开发项目在进行中。下面列出了其中最著名的一些:

● 802.11af——这是一种在空白电视信号频段(TV band white spaces,54MHz至695 MHz)的Wi-Fi版本。数据在未占用的本地6MHz(或8MHz)带宽频道内传送。这里要求使用认知无线电方法。数据速率最高可达约26Mb/s。有时也被称为White-Fi的11af的主要吸引力在于,这些较低频率下覆盖的距离可达数英里,而且穿过障碍物的非视距(NLOS)传输也是可行的。这个版本的Wi-Fi还没有投入使用,但对物联网应用极具吸引力。

● 802.11ah——被命名为HaLow,这个标准是另一个使用免许可ISM 902-928MHz频段的Wi-Fi版本。它是一种低功耗、低速率(几百kb/s)的服务,覆盖范围可达1km。目标也是物联网应用。

● 802.11ax——11ax是11ac的升级版。它可以用在2.4GHz和5GHz频段,但大多数情况下只工作在5GHz频段,这样才能使用80MHz或160MHz带宽。与4x4 MIMO和OFDA/OFDMA一起,峰值数据速率有望达到10Gb/s。这个标准可能要到2019年才会批准,虽然ax预先版可能快完成了。

● 802.11ay——这是11ad标准的扩展版。它使用60GHz频段,目标数据速率至少20Gb/s。另外一个目标是将覆盖距离扩展到100m,以便适合更多的应用,比如用于其它服务的回传。这个标准有望2017年发布。

物联网和机到机应用带来的无线繁荣

无线显然是物联网和机到机应用的未来。虽然有线解决方案不会被淘汰,但两种应用99%会采用无线方式。尽管200亿到500亿台联网设备的预测看起来仍然不很合理,但用最广义的术语定义物联网的话,今天的联网设备数量已经超过地球上的人口数量。话说回来,谁会真的去数呢?

典型的物联网设备是一种带有传感器的短距离、低功耗、低数据速率、电池供电设备,如图2a所示。也可能是一些远程执行器,如图2b所示。物联网设备也可能是前面两种的组合。这些设备通常都会通过一个无线网关连接到互联网,但也可以通过智能手机连接互联网。到网关的链路是无线链路。问题是,会用什么无线标准呢?

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图2a:这是一种典型的物联网设备电路模型,有许多不同的输入传感器。通用的划分是MCU和无线(发送)部分在一个芯片上,传感器及其电路在另一个芯片上。当然也可能用单芯片解决方案。

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          图2b:这个框图显示了另外一种可能的带输出执行器和接收电路的物联网设备配置。

Wi-Fi是一种显然的选择,因为它是如此普及,但对一些应用来说有些过度了,对另一些应用来说功耗也太大了点。蓝牙是另外一种好的选择,特别是低功耗蓝牙(BLE)版本。新增加的网状网和网关功能使得蓝牙更具吸引力。ZigBee是另一种候选技术,还有Z-Wave。还有几种802.15.4版本,比如6LoWPAN。 这些最新选项是低功耗广域网(LPWAN)运动的一部分。这些新的无线技术可以提供更长距离的网络连接,这是前述传统技术通常无法做到的。大多数新技术工作在1GHz以下免许可的频段。针对物联网应用的最新竞争性技术有:

● LoRa——这种技术是Semtech公司发明的,并得到了Link Labs的支持,使用低数据速率时的线性调频(chirp)技术,覆盖范围可达2-15km。

● Sigfox——一种法国开发的技术,使用超窄带调制方案,以低数据速率发送短消息。

● Weightless——这种技术使用空白电视信号频段和认知无线电技术,可获得更长的覆盖距离和高达16Mb/s的数据速率。

● Nwave——这是一种类似于Sigfox的技术,但目前没有更多详细的内容披露。

● Ingenu——与其它技术不一样,这种技术使用2.4GHz频段和一种独特的随机相位多路访问机制。

● HaLow——这就是前面说过的802.11ah Wi-Fi。

● White-Fi——这是前面说过的802.11af。

对任何一个开发人员来说都有许多选择,还有更多的选择可以加以考虑。

蜂窝当然是物联网的一种可选技术,因为十几年来它一直是M2M的主要支撑技术。M2M主要使用2G和3G无线数据模块监视远程机器或设备和跟踪车辆。虽然2G(GSM)最终将被淘汰(明年AT&T就要淘汰2G了,但T-Mobile还要坚持一段时间),但3G仍会长期存在。

现在又有一种新的选项了:LTE。具体地说,它被称为LTE-M,使用1.4MHz带宽的LTE精简版。另外一个版本是NB-LTE-M,它使用200kHz带宽,用于更低速的应用。还有一种叫NB-IoT,它将资源块(多个15kHz LTE子载波组成的180kHz块)分配给低速数据。所有这些变化版本通过软件升级都能使用现有的LTE网络。用于LTE-M的模块和芯片已经有了,比如Sequans Communications公司的产品(图3)。

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图3:这种来自Sequans Communications公司的Monarch模块可在1.4MHz和200kHz带宽内实现LTE-M,非常适合物联网和M2M应用。

对物联网未来的最大担忧是缺少统一的标准,但这件事可能不会发生。细分市场越来越丰富,特别是在早期采纳的这段时间内。也许最终只有少量标准推出,但不要寄希望于此,事实上甚至没必要有标准。

无线取得成功的三要素

● 频谱——与不动产一样,频谱只有那么多。所有“好的”频谱(大约50MHz至6GHz)已经分配出去了。对于永远没有足够的频谱提供更大的用户容量或更高的数据速率的蜂窝运营商来说尤其重要。FCC可能很快会拍卖一些可用的电视广播频段,这倒是有点用处。与此同时,还需要寻找更多的频谱共享思路,比如空白频段和与Wi-Fi一起使用的LTE-U。

● 控制电磁干扰——随着越来越多的无线设备和系统得到部署,所有类型的电磁干扰只会越来越糟糕。干扰意味着更多呼叫的中断,以及服务的拒绝。一些法规现在控制的是设备级的电磁干扰,但不限制在用的设备数量。没有定义严格的解决方案,不过相信不久会有。

● 安全——安全意味着需要保护数据和隐私。现在有很多加密和认证措施,相信越来越多的应用会使用。

《电子技术设计》2016年7月刊版权所有,谢绝转载。

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