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蜂窝技术的演进:通往5G的漫漫长路
录入时间:2020/7/27 11:08:34

The Evolution of Cellular Technology: The Long Road to 5G

Gary Lerude,Microwave Journal

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这是高通公司及其如何影响蜂窝技术演进的故事,高通1985年夏创建于阳光明媚的San Diego。高通的成功反映了它在发明这些有潜力彻底改变我们生活的技术、并成功地将其带到生活中来的先锋作用。高通之所以与众不同,是因为它基于一种思想迅速酝酿的文化,对创新的追求似乎永不满足。这始于创始人Irwin Jacobs及其6位同事Andrew Viterbi、Adelia Coffman、Andrew Cohen、Franklin Antonia、Harvey White和Klein Gilhousen的共同愿景,他们当初离开Linkabit公司创建“QUALity COMMunications”公司,是从争取政府研发合同开始的(图1)。

 

1G到数字通信

美国早期的蜂窝网络是基于“先进移动电话系统(AMPS)”标准的,AMPS是一种模拟技术,相比之前的“移动电话系统(MTS)”提高了蜂窝网络的容量。一旦美国人知道了在旅途中携带手机的便利,他们就不再希望受到固定电话的限制。这开启了手机使用的最初闸门,促使移动运营商争相安装更多的信号塔来增加容量。然而,运营商很快意识到,增加蜂窝基站的成本太高,难以持续,因此他们要求联邦通信委员会(FCC)配给更多频谱。新频谱只是一个短期解决办法,运营商必须寻找一个能满足持续增长需求的长期解决方案。

蜂窝是模拟的,蓬勃发展的计算机世界却是数字的。要使蜂窝产业发展并成为一项服务大众的技术,它就必须找到一条通往数字世界的道路。当时,没有多少人预见到羽翼未丰的蜂窝技术会与计算机产业融合,创造出今天的数字世界。几乎没有人探索过将数字通信作为蜂窝的一种可行解决方案,这为高通创造了一个机会,将其开发军用和卫星系统数字通信的经验用于蜂窝。蜂窝行业由此引入了一种称为“码分多址(CDMA)”的技术。

 

CDMA,一个新想法

为了支持蜂窝的增长,美国移动通信行业协会(CTIA)发现有必要制订一个数字无线标准来提高容量、改善质量。作为回应,高通推出了一种基于CDMA的新颖而鲜为人知的技术。CDMA采用了扩频技术,这是一种复杂的方法,与人们更熟悉的接入技术——频分多址(FDMA)和时分多址(TDMA)——相比,使用电波的方式截然不同。CDMA中,各具唯一码的多个用户共享单个宽带信道,从而大大提高信道容量(图2)。

许多运营商难以想象CDMA,更不相信它能在“现实世界”中工作。一些“专家”认为,它太过新奇而无法商业推广。虽然CDMA在理论上的优势令人惊艳,但有几个技术难题制约了它在蜂窝通信中的应用。首先是传输功率,也被称为“远-近问题”。来自铁塔附近CDMA用户的发射功率,可能会把所有人挡在更远的地方。第二个挑战被称为“单通道问题”。在所有的铁塔上使用同一信道,位于铁塔之间的设备可能会对连接到另一座铁塔的用户造成干扰。第三个问题是系统获取时间,即设备开机后找到网络所需的时间。

高通开发了克服这些难题的解决方案,涉及快速功率控制、软切换、基于GPS的公共导频信号等创新。然而,当高通推出这些解决方案时,TDMA已站稳了脚跟。美国电信行业协会(TIA)和CTIA已宣布将TDMA作为蜂窝数字通信的标准了。这对高通是一个重大打击,业内权威专家预测高通公司和CDMA将提前退出;他们认为CDMA将仅限于军事与卫星通信应用或学术界。然而,Jacobs和他的团队认为,CDMA是正确的蜂窝通信长期解决方案,因为它将提供高得多的容量和更好的服务质量。对运营商来说,这意味着用户满意、服务更多用户的能力。高通继续研究、改善CDMA,通过对政策推动者与制定者持续且有说服力的演示,成功说服FCC允许任何运营商可以选择部署CDMA。

这是一个大捷,不久之后一些运营商就这么做了。然而,如果CDMA那时就成为美国的数字通信标准,高通公司其实没有多少时间。要将政策胜利转化为商业成功,需要大量的手机组件广泛可用;由于实现CDMA的复杂性,这是一个挑战。然而制造不是高通的核心竞争力,它做出了一项战略决定:利用其在CDMA方面的专业知识来设计各种ASIC,以实现该技术中最复杂的单元。为了进一步自创生态系统,高通成立了一家生产手机(图3)的合资企业,这有助于让供应链相信CDMA技术已经准备好进入大众市场了。设计自己的ASIC和手机的决定获得了长期回报,增加了宝贵的系统知识,使高通公司在蜂窝调制解调器、处理器领域同样取得了领先的市场地位。

尽管CDMA的市场前景在改善,高通仍面临挑战,包括严重的现金短缺。为了筹集资金,1991年12月16日首次公开募股(IPO),股价在两周内上涨了50%以上。然而,市场的乐观情绪是短暂的;1992年1月,CTIA将TDMA认定为首选的蜂窝标准,这在很大程度上抹去了IPO带来的收益。失意但没有气馁的高通坚持发展和推广CDMA。到1993年底,TIA已经采用CDMA作为2G的数字蜂窝标准,使其被美国和韩国的几家运营商选中。在欧洲,GSM(全球移动通信系统)是2G数字标准,由欧洲电信标准协会(ETSI)开发,并于1987年被13个欧洲国家作为强制性标准采用。

 

3G与移动互联网

当国际电信联盟最终确定IMT-2000 (俗称“3G”)的要求时,CDMA作为首选技术的地位已经推广到美国和韩国之外。作为3G的一部分,高通在一个称之为“cdma2000”的演进标准中推进更高速度、更大容量的CDMA技术。欧洲和日本则开发了一种称之为“宽带CDMA (WCDMA)”的3G CDMA标准。尽管cdma2000与WCDMA略有不同,两个标准机构仍努力协调关键方面。历经多年的技术投资与发展,CDMA已成为全球蜂窝标准,实现了高通公司的早期愿景。

尽管语音通话是1990年代最重要的蜂窝服务,高通却一直在为高速数据应用打基础。“演进数据优化”(EV-DO)引入了一种基于IP分组的网络设计,使高速移动宽带服务成为可能。EV-DO采用了来自计算机行业的网络技术,背离了长期以来用于电话服务的电路交换标准。在其它一些创新中,EV-DO提供了一种称为“机会调度”的增强功能,依然用于先进的蜂窝技术之中。机会调度采用较小的分组,当无线电条件最佳时,在设备和基站之间“机会性地”交换。升级到EV-DO,使移动终端能够使用多个射频载波与网络通信(图4)。为了实现这些功能,高通设想将手机调制解调器与强大的图形处理器相结合,将手机变成掌上电脑。当这些关键特征集成到高速分组接入(HSPA)之后,EV-DO结构的成功得到了验证。

为了推动无线技术发展,高通意识到,无线技术只有融入整个生态系统才能取得成功。EV-DO/HSPA不但能提高网络的数据容量,还是世界(无论是人还是“物”)数字连接的先驱。这一功能促成了当今日益增长的一类新应用:高速浏览、具有丰富媒体体验的多媒体交换、低延迟游戏和多播。可接入互联网的移动性,打破了桌面浏览、游戏的限制,创造了一种更具社交性和互动性的体验,现在我们对此已习以为常。

EV-DO/HSPA基于IP的架构为应用和服务的推出提供了一种灵活且划算的方法。这对运营商来说是一个巨大的好处,使他们能够提供服务并从中获利。点播视频和音乐流媒体的引入,加速了移动设备上的数据消费。3G改变了消费者对手机的期望,重新定义了手机。互联网连接迅速成为一种刚需,EV-DO创造了赋能技术。它基于IP的架构最适合支持高数据速率,可以与语音服务一起部署,让消费者两者兼得。

 

4G与智能手机

事实证明,CDMA对于带宽高达5MHz的信道非常有效。对于带宽10MHz以上的信道,另一种接入技术——正交频分复用(OFDM)——的效率更高。OFDM使用散布在一个宽信道带宽上的多个、窄带的子载波。高通认识到需要加强其在OFDM方面的能力,2006年收购了Flarion Technologies公司,从而为4G/LTE提供了框架。

语音、宽带互联网和其它数据服务的剧增,以及这些行业的融合,为新的服务提供了机会,显然也需要更大的能力来支撑它们。当手机调制解调器、嵌入的相机、图形和多媒体被捆绑在一起以支持多媒体应用之时,低功耗计算就变得非常重要了。这是高通预期到的另一种能力,2002年首次推出了集成、低功耗计算的移动设备。

更高的数据速率(远超50Mbps)和更快的连接速度是引领4G时代的动力。iPhone等智能手机及其衍生的应用程序需要更高的数据容量。上、下行链路都集成了额外的天线,引入了MIMO,通过创建称之为“层”的多个正交数据流来显著提高数据速度。MIMO可以在不需要更多频谱的情况下提高频谱效率,扩展网络以支持更高的数据速度。

4G于2010年推出,使运营商能够用现有的3G网络提供基于OFDM的服务,创造了将其商业模式扩展为无线互联网服务提供商的机会。这种同时支持CDMA和OFDM的网络、设备的融合,使运营商能够根据请求的服务与位置分配最合适的接入技术——3G CDMA、4G、蓝牙或Wi-Fi。其结果是为用户提供了更加无缝的体验。4G的迅速普及催生了一个“互联世界”:数十亿的设备彼此通信、交换数据,让用户的生活方式发生了前所未有的改变。4G的全IP架构、固有的安全性、快速的全球普及进一步激励了应用开发者去创造基于移动设备的创新业务,Uber和Lyft就是经常被引用的例子。

 

泛在的连接

随着LTE Advanced和LTE Advanced Pro路线图所定义的4G能力的不断发展,下一代蜂窝网络(即5G)的需求最初是受到质疑的。高通是5G的早期支持者之一。如同当年看CDMA,高通将5G视为未来十年的一个创新平台:它将推动全球移动设备使用方式的重大转变。为了支持应用的持续激增、培育尚未孕育的用例,高通认为5G可以一统多种多样的频谱和部署场景,覆盖这些不同的应用。

2015年,5G的最初要求被公布为IMT-2020标准,电信行业开始定义满足一组核心需求(包括超快数据速率、超低延迟、随时随地连接到众多设备)的无线网络解决方案。高通与由标准机构、监管委员会、运营商、移动设备与基础设施制造商、技术合作伙伴组成的移动生态系统合作,定义了5G首个具体标准。5G新空口(5G NR)旨在处理各种各样的服务、部署和频段;为此,它使用了许多3G和4G中业已建立的功能:载波聚合、OFDM和MIMO。在第15版(定义5G实施方案的首个标准)中,3GPP定义了NR的基础,包括了高通开创的5种功能(图5):一个灵活的、基于时隙的框架;可扩展的OFDM空中接口;先进的信道编码;大规模MIMO;将毫米波频谱用于移动、固定的无线接入。历史上,移动通信一直使用3GHz以下的频谱。5G将其扩展到更高的频率:高达6GHz的“中频段”,以及24GHz以上的“高频段”。在现有的4G基站添加毫米波无线电,运营商可以显著提高数据速率,利用共享的基站以较低的成本实现更快的部署。

毫米波一直被认为不适合移动通信,原因是存在诸多技术难题,如:有限的范围、视线链路、大的抛物面天线。然而,高通发现毫米波是实现5G潜力的关键,一如其早期对CDMA的信念和积极倡导。2015年的现场试验表明,使用多波束技术实现了稳健的非视线传输;2018年,高通、爱立信、诺基亚和三星展示了毫米波和中频段的5G NR互操作性;2019年,毫米波无线电开始在商业网络中推广。同时,高通公司为手机开发了天线前端模块,成为提供毫米波前端的第一家也是唯一的供应商。天线前端模块由骁龙5G调制解调器控制,以优化包括电池寿命在内的手机性能。

5G的演进已经从3GPP第16版开始,它将针对一度难以想象的垂直服务,如:高性能工业自动化、移动车联网(C-V2X)。高通再次预见到了这种需求:2007年,它就开始了设备-设备接近服务的研发,为C-V2X、集成接入、回传、物联网中继打下了一个基础。展望未来,人工智能将在设备和网络中扮演越来越重要的角色。当今的人工智能主要集中在云端,未来将分布在设备和云之间(即所谓的“智能无线边缘”)。凭借先进的网络架构,5G可以提供一个框架,将AI增强的设备互连并接入云端,以增强用户体验、提高网络效率、改善数据安全和隐私保护。

 

小结

蜂窝技术的发展,从模拟到5G (表1)经历了漫漫长路,需要远见和毅力。可以说,在移动技术的开发和商业化方面,没有哪家公司比高通更能发挥如此关键的作用,引领我们通向今天乐享的互联世界。

5G的故事将是一个充满动力、演进和变革的故事,5G将带来一个更加紧密的世界,从消费者应用扩展到工业应用和医疗保健。IHS Markit预计,到2035年,5G将为全球经济带来13.2万亿美元的产出,5G价值链将创造3.6万亿美元的产值,支持2230万个就业岗位[2]

即便怀着对CDMA的信念,但在公司成立之初,高通的创始人也无法想象到它对世界的影响。


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