电磁波领域 值得关注的技术与应用

 

科技发展给社会带来翻天覆地的变化，当前人类社会正在经历全球性的科学技术革命。很多技术将在未来5-10年对社会产生重大影响，其中一些技术是全新的，也有一些技术已经孕育成熟。本文中，我们将与读者一起分享电磁波领域值得关注的技术与应用，并对其进行解读。

 

随着无线数据业务的迅速增长和新空口技术的不断引入，传统的网络架构在对实时数据业务和大数据量业务的支持方面面临挑战，需要不断演进。作为下一代移动通信系统当前主流的候选技术方案，LTE给业界留下了巨大的想象空间。

 

LTE技术使用了近20年来学术界积累的先进信号处理技术，如OFDM、MIMO、自适应技术等。LTE-Advanced（LTE-A）是LTE的演进版本，其目的是为满足未来几年内无线通信市场的更高需求和更多应用，满足和超过IMT-Advanced的需求，同时还保持对LTE较好的后向兼容性。LTE-A采用了载波聚合（Carrier Aggregation）、上/下行多天线增强（Enhanced UL/DL MIMO）、多点协作传输（Coordinated Multi-point Tx&Rx）、中继（Relay）、异构网干扰协调增强（Enhanced  Inter-cell  Interference Coordination  for Heterogeneous Network）等关键技术，能大大提高无线通信系统的峰值数据速率、峰值谱效率、小区平均谱效率以及小区边界用户性能，同时也能提高整个网络的组网效率，这使得LTE和LTE-A系统成为未来几年内无线通信发展的主流。

 

据GSA最新报告指出，全球已有29个国家的49张LTE网络正式商用，已有48家制造商197款LTE用户终端上市。有调查指出随着LTE终端普及价位下跌，全球加入LTE服务的用户2014～2015年将破1亿，到2015年全球LTE手机销量将超1.54亿。

 

 

近年来随着物联网的兴起，人们普遍认为数量众多的机器联网将为通信产业带来极大的发展机遇，并预测未来M2M市场将高速增长。M2M是机器对机器（machine-to-machine）通信的简称。目前M2M重点在于机器对机器的无线通信，存在以下三种方式：机器对机器、机器对移动电话（如用户远程监视）、移动电话对机器（如用户远程控制）。

 

预计未来用于人对人通信的终端可能仅占整个终端市场的1/3，而更大数量的通信是机器对机器（M2M）通信业务。事实上目前机器的数量至少是人类数量的4倍，因此M2M具有巨大的市场潜力。M2M的潜在市场不仅限于通信业。由于M2M是无线通信和信息技术的整合，它可用于双向通信，如远距离收集信息、设置参数和发送指令，因此M2M技术可有不同的应用方案，如安全监测、自动售货机、货物跟踪等。

 

在M2M中，GSM/GPRS/UMTS/LTE等是主要的远距离连接技术，其近距离连接技术主要有802.11b/g、BlueTooth、Zigbee、RFID和UWB。此外，还有一些其他技术，如XML和Corba，以及基于GPS、无线终端和网络的位置服务技术。

 

预计到2016年，全球M2M连接数量将从2011年的1.1亿次提升到3.65亿次。这意味着到2016年全球这个市场使用量的年增长率将达到27%，业务收入将达到350亿美元。

 

 

在信息时代的今天，用户对数据服务的需求呈几何级增长。然而无线网络建设日趋成熟，趋于饱和的传统宏基站面对这种局面已力不从心，面临包括站址的选取，设备的采购、安装、调试和维护都要耗费大量的人力、财力、物力和时间等问题。目前3G/LTE网络建设中小型、微型基站设备的开发和应用似乎正在成为一种趋势。

 

家庭基站是安放在用户家中或办公室的一个无线接入点设备 AP（Access Point），业界也称之为Femtocell。家庭基站在功能上集成了NodeB 和RNC 的功能（或分组域设备的功能）。它以用户的宽带接入（如DSL）为回程，具有自动配置和优化功能，因此不需要规划，也没有站址选取等问题。它既是移动网络的延伸，又是固定移动融合的有效手段。

 

小型/微型家庭基站的关键技术包括干扰消除，移动性管理如切换、SON(self organizing network，自组织网络)、网络管理等。LTE网络的小型/微型基站技术还包括MIMO、OFDM技术。

 

全球电信与媒体市场调研公司Informa Telecoms & Media公布了一项小型基站市场地位报告，其中强调了小型基站部署的激增。该报告发现，小型基站有望从2012年的320万个激增至2016年的6240万个——增幅高达2000%（或20倍）——占全球基站总量的88%。该报告还强调了小型基站在2012年的关键进展，其中包括一些新部署（如世界上第一个LTE家庭基站服务的推出）、若干重要收购以及新产品的推出（将小型基站技术与Wi-Fi相结合）。

 

无线充电是2011年最激动人心的前沿技术之一，它可让所有手机不受电线的羁绊，人们也不用为忘带充电器而烦恼，既方便实用又绿色节能。无线充电技术源于无线电力输送技术，利用磁共振在充电器与设备之间的空气中传输电荷，线圈和电容器则在充电器与设备之间形成共振，实现电能高效传输的技术。

 

随着手机、移动智能终端设备（如平板电脑、笔记本电脑、GPS导航等）、电动汽车、医疗设备等对电量充满“饥渴”的设备迅速兴起，研发无线充电等突破性充电技术的需求日益

提高。综合各方披露的信息，无线充电已经解决了辐射、充电效率、设计等三大瓶颈，长期综合成本也在下降。

 

无线充电即将进入快速发展期，是业界各方的共识。据透露，最先推出无线充电功能的中国手机可能是飞利浦，华为等厂商也正在进行设计研发。此外，目前长安、奇瑞、吉利等国产汽车品牌均已将Qi标准的无线充电设备镶嵌进汽车，便于人们在行车途中给手机充电。

 

千兆Wi-Fi 梦想照进现实，第五代Wi-Fi简称5G WiFi采用新的802.11ac标准，支持5G WiFi的网络产品预计将会在2012年第三季度面市。5G WiFi诞生后，能带给我们更快速、更稳定的上网体验。新IEEE 802.11 ac是一个世界性的标准，提供至少是当前IEEE 802.11n无线网络三倍的传输速度，即使是最慢的IEEE 802.11 ac也能达到和有线连接的外存储设备上USB 2.0一样的速度。这意味着播放视频流不再会卡，在家庭成员使用平板电脑或者移动电话时，进行下载也不会慢如蜗牛，更重要的是，由于IEEE 802.11 ac标准也会使无线网络的稳定性和覆盖范围有效提高，现在房间中的“信号死点”也将能够接收到无线信号。

 

802.11ac技术被称为未来2年至4年内最为重要的无线技术之一。

 

北斗卫星导航系统，是我国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。由空间段、地面段和用户段三部分组成，空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。与美国GPS、俄罗斯格罗纳斯、欧盟伽利略系统并称全球四大卫星导航系统。

 

2011年12月27日，国家正式宣布北斗卫星导航系统试运行启动，发布了空间信号接口

控制文件（ICD）标志着我国自主卫星导航产业发展进入崭新的发展阶段，民用和商用市场

正式开启。进入2012年多家芯片厂商推出北斗/GPS民用产业化SoC芯片，深圳更推出国内

首批民用北斗卫星导航终端产品。

 

随着北斗导航系统的应用，到2015年，北斗系统在中国国内卫星导航市场将占据约15%的份额，市场规模达500亿元以上；在2020年将占据30%以上的份额。

 

 

太赫兹辐射是0.1~10THz的电磁辐射，从频率上看，在无线电波和光波、毫米波和红外线之间；从能量上看，在电子和光子之间。

 

太赫兹的独特性能给通信（宽带通信）、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像（无标记的基因检查、细胞水平的成像）、无损检测、安全检查（生化物的检查）等领域带来了深远的影响。由于太赫兹的频率很高，所以其空间分辨率也很高；又由于它的脉冲很短（皮秒量级）所以具有很高的时间分辨率。太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术由此构成了太赫兹应用的两个主要关键技术。同时，由于太赫兹能量很小，不会对物质产生破坏作用，所以与X射线相比更具有优势。另外，由于生物大分子的振动和转动频率的共振频率均在太赫兹波段，因此太赫兹在粮食选种，优良菌种的选择等农业和食品加工行业有着良好的应用前景。太赫兹的应用仍然在不断的开发研究当中，其广袤的科学前景为世界所公认。

 

“超材料"是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。可广泛用于军事、无线通信、物联网、航空航天、汽车电子、生物医疗等领域。

 

超材料具备控制电磁波行为的特点，已经在无线通信领域取得突破。深圳光启高等理工研究院研发的超材料已经投产了射频无线天线、车载电视天线、卫星天线等多项产品。基于超材料技术的射频天线只有一个邮票大小，可以取代路由器的4根天线。

 

目前中国的超材料研发水平处于世界最前端，完成了实用亿级超材料的设计工作，代表了目前国际超材料设计领域的最高水平。光启研究院已携手华为、中兴、迈瑞等11家单位，建立超材料研发基地，将带动千亿产值规模的产业集群。在国家发改委和市政府的支持下，还将发起设立20亿元规模的超材料产业基金，为产业超常规发展吹气助燃。