2012年12月20日09:56
本連載將與大家聊聊無線技術的最新動向。
作為介紹無線技術未來趨勢的開篇，本文把焦點對准了支撐手機和智能手機服務的移動通信技術，也就是無線通信行業所說的“無線廣域網”（WWAN：Wireless Wide Area Network）。從下次開始，本連載將逐一向大家介紹“無線局域網”（WLAN：Wireless Local Area Network）以及“無線個人局域網”（WPAN：Wireless Personal Area Network）的技術動向。
3GPP展開行動
第3代移動通信方式（3G）的技術規范機構“3GPP”（第三代合作伙伴計劃）的動向大幅左右著WWAN的技術走向。自從通信方式進入3G以后，3GPP一直引領著世界手機服務的標准化工作。可以說，3GPP制定的規范決定著之后移動通信技術的趨勢。
3GPP即將完成“Release 11”的標准化，其中將加入與LTE的后續規范“LTE-Advanced”相關的追加規定。關於其后續規范“Release 12”（預定於2014年下半年制定完成），以及更長遠的“后LTE-Advanced”的構想的探討也即將開始（圖1）。按照設想，LTE-Advanced將於2015年左右投入實用，Release 12和后LTE-Advanced將於2016年∼2020年左右投入實用。
圖1：LTE普及，后LTE-A也將展開
圖中總結了未來移動通信技術的發展方向。擴大傳輸容量將成為移動通信運營商的首要課題。此時需要的是小型蜂窩基站和高級干擾補償技術等。2015年以后，最大數據傳輸速度將超過1Gbps。
下面，本文就分“2013∼2015年”、“2016∼2019年”、“2020年以后”三個階段，介紹一下根據3GPP的討論內容推測的將來的移動通信方案以及所需的技術。
使用多家運營商
首先來看2013∼2015年移動通信行業的發展。關注點是LTE-Advanced的引進。
LTE-Advanced是目前世界主要地區已經開始採用的“LTE”的拓展規范。例如，當單通道帶寬為20MHz時，LTE的最大數據傳輸速度約為150Mbps。而LTE-Advanced通過把單通道帶寬擴大到最大100MHz，能夠實現超過1Gbps的速度。使用同一頻道與多個用戶進行通信的多路訪問方式與LTE一樣使用正交頻分多址接入（OFDMA）。
LTE-Advanced新增的項目大致有5個。其中備受關注的功能有“載波聚合”和“異構網絡”（HetNet）。
首先，載波聚合是通過聚合多個頻道（載波）增大帶寬的技術。如果把20MHz帶寬的載波作為1個單位，組合5個單位即為100MHz。例如，把800MHz頻帶中的20MHz、2GHz頻帶中的20MHz聚合到一起，可以使帶寬達到40MHz。
採用這種方法是由於頻率資源緊張。雖然LTE-Advanced可以使用100MHz帶寬，但能夠持續為移動通信服務提供100MHz帶寬的頻帶有限。要想滿足世界各地通信運營商開展服務的需求，載波聚合這樣的機制必不可少。
HetNet逐漸浸透
預定緊接著載波聚合導入的是HetNet。其作用是把發送功率不同的基站組合到一起，開展移動通信服務。在手機網絡中，一般的基站叫做“宏蜂窩基站”（發送功率為10∼40W），可以覆蓋半徑1∼25km左右范圍內的用戶。宏蜂窩基站與微微蜂窩（功率在數W以下）組合，覆蓋著基站內點狀分布的通信需求較高的區域。這種發送功率小於宏蜂窩的基站及基站裝置叫做“小型蜂窩”。
面向2013∼2015年的LTE-Advanced採用期，基站和終端的開發已經展開。基站方面，包括HetNet使用的微微蜂窩和毫微微蜂窩基站在內，小型蜂窩基站的開發十分活躍。終端方面，有可能出現巨大變化的是“Release 11”中開始採用的“高級接收器”功能。這項功能的概念是在HetNet環境下，使終端也具備減輕電磁干擾的功能。該功能從宏蜂窩基站獲取在何時、應該重視哪個基站的信號的優先度信息，將其應用於減輕RF電路的電磁干擾。
后LTE-A開發也將展開
接下來的2016∼2019年是LTE-Advanced的全面普及期。到2016年左右，1個通道可以利用的帶寬估計為80M∼100MHz。此時，最大數據傳輸速度將達到1Gbps。
設想在這一時期投入實用的移動通信標准估計相當於3GPP制定的“Release 12”。Release 12預定在進一步拓展LTE-Advanced的概念的基礎上，添加新的功能。
在3GPP內部，各公司已經就Release 12的技術概念提出了方案（圖2）。包括利用小型蜂窩基站、多天線技術在內，關於提升基站性能的提議也很多。其中，空間復用技術的高度化備受期待，關注的關鍵詞是“3D-MIMO”。
圖2：提出新一代規范技術方案
預定於2014年下半年完成標准制定的“3GPP Release 12”的議題匯總。主題包括小型蜂窩基站的高度化、多天線技術、支持M2M和D2D等。
過去的MIMO空間復用系統是在基站的放射面上，沿二維方向，把空間分割給用戶。而3D-MIMO則是在基站的垂直面內（靠近基站的用戶與基站邊緣的用戶），利用MIMO進行空間分割。水平面內的分割加上垂直面上的分割，可使能夠同時利用同一頻道的用戶大幅增加。
3.5GHz附近頻帶的利用估計也會成為Release 12的議題。例如NTT DoCoMo提出了在大廈內和家庭內等小范圍區域利用高頻帶，在廣域內利用傳統的低頻帶的方法。3.5GHz頻帶等高頻帶波的方向性好，傳輸距離短。這樣的利用方式可以發揮其特性，把使用范圍集中於流量需求大的小范圍區域。
流量超過500倍
關於2020年以后的技術，目前3GPP還未提出明確的服務概念。世界各地的通信運營商和通信設備生產商都在自己設想。
在這種情況下，NTT DoCoMo公司已經公布了應對2020年左右通信流量增加的方針的示例。根據該示例，DoCoMo設想的方式是以大幅增加基站的設置數量為主軸，擴大WLAN數據分流的利用和擴展可用帶寬（圖3）。最大數據傳輸速度的目標高達10Gbps。
圖3：對新的效率提高技術寄予厚望
為了滿足2020年通信流量增至500∼1000倍的需求，NTT DoCoMo提出了解決思路，即在利用新的頻率分配方式擴大帶寬的同時，通過改善多路訪問方式，提高頻率利用效率。
另外，為了滿足500∼1000倍於2010年的通信流量，提高頻率利用效率必不可少。但直到現在，無線接入技術中還沒有能夠實現如此高的頻率利用效率的熱門候選，因此隻能以現行的OFDMA為基礎，通過擴充附加功能，一點一點地提高頻率利用效率。
諸如此類的技術水平提升將是未來數年的重要研究主題。用於提高頻率利用效率的信號處理技術、新概念的糾錯技術、全新概念的多路訪問技術，都被寄予厚望。（日經技術在線！ 供稿）
