無線PAN技術(shù)介紹 - LTE成為主流？無線通信最新技術(shù)趨勢盤點(diǎn)

　　本節(jié)主要介紹較近距離無線連接使用的無線PAN（個(gè)人局域網(wǎng)）技術(shù)。

　　智能手機(jī)的藍(lán)牙

　　無線PAN技術(shù)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(guān)注的三個(gè)用途，對其動(dòng)向進(jìn)行解說。三個(gè)用途分別是（1）智能手機(jī)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(wǎng)）。

　　首先，（1）智能手機(jī)周邊是指智能手機(jī)及其外設(shè)使用的無線PAN技術(shù)。在這個(gè)領(lǐng)域，普及度占壓倒性優(yōu)勢的當(dāng)屬近距離無線標(biāo)準(zhǔn)“藍(lán)牙”。主要生產(chǎn)商的智能手機(jī)絕大多數(shù)都配備了藍(lán)牙通信功能，用于連接無線耳機(jī)和耳麥等。

　　藍(lán)牙的焦點(diǎn)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(tǒng)藍(lán)牙的1/5～1/10，因此可以應(yīng)用于使用紐扣電池驅(qū)動(dòng)的小型設(shè)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(kuò)頻技術(shù)來收發(fā)電波這一點(diǎn)與現(xiàn)行藍(lán)牙相同。不同之處是跳頻利用的信道數(shù)量從過去的79個(gè)減少到了40個(gè)，相應(yīng)地，信道間隔擴(kuò)大到了2MHz。

　　為了減少消耗電流，數(shù)據(jù)收發(fā)需要的時(shí)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(shí)間，延長待機(jī)模式狀態(tài)下的時(shí)間，減少了消耗電流。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，收發(fā)的數(shù)據(jù)包的最大長度控制在了現(xiàn)行藍(lán)牙的1/8左右。如此一來，實(shí)際最大數(shù)據(jù)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(shù)“Wibree”。這是該公司為手表和傳感器產(chǎn)品提出的無線規(guī)范，博通、CSR等半導(dǎo)體廠商以及精工愛普生、太陽誘電都在主導(dǎo)企業(yè)之列。但之后，隨著Wibree與藍(lán)牙合并，該技術(shù)被冠以了Low Energy的名稱。

　　醫(yī)療和保健用途

　　關(guān)于無線PAN的第二個(gè)動(dòng)向——醫(yī)療和保健，如今備受關(guān)注的標(biāo)準(zhǔn)是“IEEE802.15.6”。因?yàn)槭窃谌梭w周圍使用，所以也叫做“BAN”（body areanetwork，人體局域網(wǎng)）。

　　IEEE802.15.6是以應(yīng)用于醫(yī)療和保健領(lǐng)域?yàn)榍疤嶂贫ǖ臉?biāo)準(zhǔn)（表2），因此傳輸可靠性高，嚴(yán)格的安保、優(yōu)先傳輸緊急數(shù)據(jù)等功能均為基本性能。而且，因?yàn)樵O(shè)想的應(yīng)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(qū)動(dòng)。

　　表2：主要近距離無線通信標(biāo)準(zhǔn)示例

　　因?yàn)槊嫦虻氖窃谌梭w周邊構(gòu)筑的無線網(wǎng)絡(luò)，所以BAN的傳輸距離最大僅為2m左右。另外，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（樞紐與各傳感器節(jié)點(diǎn)的連接形態(tài)）僅限于星型，各節(jié)點(diǎn)的深度可以達(dá)到兩層。

　　通過使用能夠利用同一接口連接人體周圍的多個(gè)傳感器的IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)，包括掌握走路時(shí)的脂肪燃燒量、住院患者的監(jiān)控在內(nèi)，無線PAN有望進(jìn)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(gòu)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(kuò)散通信（反復(fù)發(fā)送）和具有良好糾錯(cuò)性能的BCH（bose chaudhuri hocquenghem）碼，確保了較低的誤碼率。可以說是能夠確保傳輸可靠性的通信方式。而且采用了包絡(luò)波動(dòng)小的調(diào)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(shù)據(jù)，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(shí)的傳輸功率密度極低，因此具備在現(xiàn)有無線系統(tǒng)使用的頻帶下也能夠?qū)崿F(xiàn)頻率共用的特點(diǎn)。

　　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(dāng)HEMS的傳輸媒介

　　無線PAN的第三個(gè)焦點(diǎn)動(dòng)向是用于家庭能源管理的“HAN（home area network）”。

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

　　HAN傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不是大容量的視頻等數(shù)據(jù)，主要是電器控制指令、狀態(tài)報(bào)告等小型數(shù)據(jù)。因此，HAN對于傳輸容量沒有太高要求，傳輸速度只需達(dá)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(nèi)傳輸距離長、能夠應(yīng)用于采用電池驅(qū)動(dòng)的傳感器產(chǎn)品的低功耗等方面。

　　在HAN的傳輸標(biāo)準(zhǔn)中，無線標(biāo)準(zhǔn)“ZigBee”和“Z-Wave”比較受關(guān)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(gè)終端串聯(lián)傳輸數(shù)據(jù)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(dòng)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(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)

　　從制定之初就以使用920MHz等較低頻帶的為前提的標(biāo)準(zhǔn)是“IEEE802.15.4g”（圖5）。這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)由燃?xì)夤竞椭悄軆x表生產(chǎn)商主導(dǎo)制定，特點(diǎn)是功耗低。IEEE802.15.4g是物理層標(biāo)準(zhǔn)，必須要與IEEE802.15.4e等MAC層標(biāo)準(zhǔn)組合使用。

　　圖5：面向智能儀表的“IEEE802.15.4g” 支持各種頻帶和調(diào)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(guān)于4g和4e，業(yè)內(nèi)企業(yè)成立了“Wi-SUN聯(lián)盟”，旨在對各公司產(chǎn)品之間的互聯(lián)性進(jìn)行認(rèn)證，并在思科系統(tǒng)和NICT等企業(yè)的主導(dǎo)下，開展標(biāo)準(zhǔn)制定工作。測試互聯(lián)性的活動(dòng)“Plug Festa”已經(jīng)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(diào)制方式也可以在4值FSK和OFDM中選擇。最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠利用傳輸速度、傳輸距離、易傳達(dá)性表現(xiàn)均衡的700M～900MHz頻帶的各個(gè)帶寬。另外，IEEE802.15.4g還想到了在IP網(wǎng)絡(luò)中的使用，最大幀長度拓展到了2048字節(jié)（過去的IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)為127字節(jié)）。

　　IEEE802.15.4e以IEEE802.15.4的MAC層為基礎(chǔ)，通過使無線設(shè)備之間的通信待機(jī)動(dòng)作和數(shù)據(jù)收發(fā)動(dòng)作的時(shí)間相配合，增加間歇執(zhí)行等功能，實(shí)現(xiàn)了節(jié)電化。