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从2G到5G的技术演进和希望的新技术

铁流 · 2019-06-07 · 来源:铁君
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  本文前半部分参考了杨学志博士的文章。

  无线通信产业是由需求和技术两个轮子驱动前进的。早在1947年,贝尔实验室的科学家就提出了蜂窝通信的概念,其中的核心技术是频率复用和切换。基于这一概念,贝尔实验室于1978年研制出先进移动电话系统(Advanced Mobile Phone Service,AMPS),这就是第一代移动通信系统。AMPS是一个模拟通信系统,采用频分多址(FDMA)的复用技术,主要技术手段是滤波器,容易受噪声的干扰,语音质量较差。

  随着集成电路技术的发展,第二代移动通信系统采用了数字技术,并采用TDMA和信道编码技术,使得通信系统向宽带化发展,语音质量得到了较大的改善。 其中欧洲制定的GSM系统非常成功,至今仍在广泛使用。

  

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  20世纪90年代互联网蓬勃发展,顺应这一时代要求,产业界制订了3G标准用以实现移动互联网。3G采用了高通公司开发的CDMA技术。CDMA一度被认为是一个神奇的技术,高通公司的创始人中有一位世界级科学家,他用一篇论文说明,CDMA的频谱效率可以达到AMPS的18倍,于是全世界都把CDMA作为下一代通信的方向。

  但是实践表明这个观点太过于浮夸了,CDMA存在自干扰问题,其频谱效率只提高10%左右,并且3G的主流标准WCDMA的系统设计过于复杂,导致部署成本比较高,所以一直无法替代GSM系统。

  第四代移动通信采用了OFDM技术,从根本上克服了CDMA的技术缺陷,并且简化了系统设计,成就了一代成功的移动通信系统。

  如果我们稍微总结一下,可以发现,1G发掘出了移动通信的巨大需求,但是采用了比较落后的技术体制,因此长不大。

  2G进行了数字化革命,从而获得巨大成功。

  3G是为了新出现的移动互联网需求而诞生,但由于高通的浮夸宣称,使整个通信产业在技术上走了弯路,全球的3G业务都不是太成功。而4G回归了正确的技术路线,目前4G业务蓬勃发展。

  随着4G的成功商用,按照无线通信十年一代的发展规律,产业界开始了5G的研发。中国政府已经为5G分配了500MHz左右的频谱,运营商也已经在多个城市开展了商用实验,在2019年6月6日,四大运营商都获得了商用牌照。

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  移动通信有核心网,基站首先挂在核心网上,再连接到因特网。核心网主要是起运营支撑作用,比如身份的识别,计费等等。

  而另一个体系是大家都熟悉的WiFi,没有核心网,路由器是直接戳到因特网的。 这就构成了两大生态体系,也就是传说中的CT和IT,它们之间的合作与竞争将贯穿无线通信产业的走向。

  在无线通信产业当中,空中接口这一段的产值,包括终端和基站,占绝大部分。如果做一个类比,通信网络可以类比人体的循环系统或这神经系统。

  骨干网的部分可以类比中枢神经或者主动脉,虽然容量很大,但是只有几条。骨干网络的销售额不大,但是占据战略制高点;而空中接口部分相当于神经末梢或者毛细血管,数量庞大,占据无线通信产业的主要市场份额。

  有线网络现在都光纤化了。光纤的发明是基于高锟的理论,他因此获得诺贝尔奖。

  光纤的容量大,成本低,彻底改变了人类通信的面貌。目前一根光纤已经可以达到1Tbps。而光纤要比同等长度面条便宜——最近的一次招标中,1公里光纤中标价是30元人民币,反正30元人民币肯定买不到累计1公里长的面条。光纤便宜好用,物美价廉,这是真正的高科技。

  因此,通信系统设计的原则是用有线尽量去靠近用户,在最近用户的地方使用无线。

  早期光纤只用于骨干线路(比如北京和上海之间),随着成本的降低,目前光纤已经入户了。

  空中接口部分就比有线网困难多了。在有线通信当中,信号在一个精心制造的介质里面传播,无论是铜线还是光纤,信号质量非常好,随便搞搞就能达到很高的速率。

  而无线信号的传播环境就恶劣得多得多。无线电波在传播过程中衰减很快,还受到建筑物、山体、树木的阻挡,很多时候需要经过反射或者穿透障碍物才能达到接收机。 并且,无线电波不是规规矩矩地沿着规定的路线走,会走到不希望的地方,造成对他人的干扰。

  但是无线通信有一个好处,就是摆脱了线的束缚,可以拿着手机随便走,这种便利性是有线通信所无法比拟的。 所以尽管挑战很大,无数的研究者前仆后继,攻克无线通信当中的道道难关。

  空中接口的核心技术在物理层,每一代移动通信是由这些核心技术所定义的。空中接口的核心技术可以分为5个大类,分别是调制、编码、多址、组网和多天线。

  比核心技术更基础的是基础理论,包括电磁理论和信息论。

  高通公司开发了CDMA技术,并且成为3G三大标准( WCDMA,CDMA2000和TD-SCDMA)的核心技术,从而一跃成为通信和芯片行业巨头。

  高通解决CDMA民用有三招,分别是功率控制(Power Ctrl)、同频复用(UFR)和软切换。 功率控制解决远近效应,同频复用提升频谱效率,软切换解决切换连续性。这构成了高通CDMA的技术体系。

  3G在编码领域的主要进展是采用了Turbo码,这是法国电信所资助的教授发明的,是通信发展史上的里程碑,因为它首次充分逼近了香农在1948年所提出的信道容量。

  在多天线领域,Alamouti编码应用到了广播信道多编码。因为广播信道在整个业务当中的比重并不大,所以这个编码的作用相对重要性低一些。但是这个编码是多天线技术领域的里程碑,有非常大的影响力。

  调制是最基础的通信技术,没有之一。因为基础,所以稳定,一直到现在的5G都没有太大的变化。

  可以看出,高通在3G的多址和组网两个方面拥有核心技术。当然,在把核心技术工程化的过程当中也建立起由几千个专利组成的专利组合。凭着这些专利和芯片的联合运作,收取了大量的高通税。

  其实从现在的眼光看,Turbo和Alamouti 是更重要的核心技术。但这两个核心技术在法国电信和ATT这样的大公司里面,没有进行商业化运作的机制,只是收了一些专利费,没有形成象高通这么大的商业。

  到了4G之后,CDMA技术被OFDM技术所取代。主要的原因是CDMA存在自干扰的问题。高通的功率控制和软切换试图去解决这个问题,但采取的方法是在CDMA缺陷的基础上进行补救,但是怎么补也补不彻底。

  而OFDM从根本上克服了CDMA自干扰的缺陷,使得频谱效率得到了很大的提高。所以在4G时代,高通的技术体系被摧毁了,之后也就有了发改委对高通的反垄断调查。不过,4G在调制和编码领域仍然采用了3G的方案。

  就5G EMBB场景来说,标准已经制定完成了。

  首先调制这块还是没有变,太基础了,想变也变不动。

  就编码来说,虽然编码被媒体炒得很火,但LDPC和Polar比Turbo提升非常有限。诚然,LDPC和Polar是Turbo码之后通信技术发展的里程碑性的技术。 但是由于Turbo码已经比较接近香农限,虽然这两个码更接近,但是对系统容量的提升已经不大,大概是1~2%左右。

  多址是移动通信的核心技术领域,第一代到第四代移动通信分别采用了FDMA、TDMA、CDMA和OFDM技术。5G三大场景之一的eMBB这块没有变,还是采用了4G的OFDM。

  多址这块NOMA有很大的热度,一度被公认为5G的必选技术。5G标准的早期,几乎所有的厂家都支持这个方向。但经过验证NOMA比OFDM的增益严格为零,所以回归4G时代的OFDM。

  组网上,4G时代的SFR是非常不错的技术,CoMP......

  多天线这块最响亮的就是massive MIMO,号称可以成百倍地提升系统容量,从媒体上看几乎可以是5G的代名词。

  MIMO这个理论1995年提出,已经23年了。它所揭示的对容量的巨大提升致使它一直是学界和工业界的热点。但是这个技术一直到4G都不是很成功。这个技术最早是从雷达领域过来的。但要用于民用会遇到特别的麻烦——雷达对着的是天空,都是视距,很干净。而地面上是多么复杂的地形,这个事情一下子复杂了无限倍。这个技术有个特点,一演示就成功,一实用就趴窝。在一个选择的场景下MIMO技术是很容易演示成功的,但是在复杂的实际环境中所涉及的问题的难度,是两个数量级的差别。换言之,就是相对简单一些,增益也有限一些的能实现,但复杂一些,增益很大的那种只能摆拍。目前能够商用的MIMO是相对不那么复杂,增益也相对有限的。当然MIMO是一个有潜力的领域,但是其实用化问题仍然没有解决。另外,MIMO的问题还在于,虽然能够提高容量,但是要增加设备,有成本的。

  

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  不过,据业内人士告知铁流,在天线技术上,还有一项新技术,那就是透镜天线,这项技术相对于市场主流的5G天线,在覆盖、功耗等方面都有明显提升。铁流获得小道消息,中兴和大唐已经开始尝试这项新技术。由于这项技术可以提升覆盖,降低功耗,降低成本,运营商对这项技术也很感兴趣。

  在长沙周杰伦演唱会测试中,透镜多波束天线相对于市场主流的一款2.6GHz的3D MIMO天线具有明显优势,当然在一些数据上也有不足:

  小区内的平均用户数、平均激活用户数、最大激活用户数、小区内的最大用户数,透镜多波束天线是3D MIMO天线的1.7-2.5倍。

  小区PDCP所发送的下行吞吐总量(GB)高出3D MIMO天线29个百分点,上行总吞吐量介质多波束天线更是3D MIMO天线的3.2倍。

  3D MIMO天线在无线接通率、切换成功率高出介质多波束天线10个百分点。

  

     在西双版纳的万人泼水节测试中,采用4G基站+透镜天线对比测试的方式,每个波束均配置E1+E2+FDD1800多个载波,多波同时多频配置。通过测试数据对比,采用新天线后,RSRP区域覆盖平均电平由-81dbm提升至-73dbm,平均质量(SINR)由10.7提升至14.5,平均下载速率由15.24Mbps提升至28.8Mbps。

  诚然,厂商的测试结果和最终规模化应用的效果不一定划等号,但终归是一个可能的突破扣,特别是当下5G基站覆盖比较一般,功耗比较大的情况下,新型天线在很多指标有优势的情况下,还能够提升覆盖,降低功耗,这个就尤为难得了。

  正如中国工程院院士邬贺铨表示,5G网络比4G速度更快,是靠扩容传输带宽。由于5G走的是高频扩容的路线——由于消耗的带宽成倍增加,而在低频,带宽资源非常宝贵,因此,只能选择频谱资源更加丰富的中高频。而频率越高覆盖越小,这是无线通信的基本知识。这会导致5G基站的覆盖成为短板。

  因此,如果能够提升频谱利用率,那么,对于5G来说,是一件大好事。

  在基础理论上,杨学志博士发布了一篇衰弱信道容量论文,发现了香浓不经意间的一个小瑕疵,如果这个理论是正确的,那么,可以在不增加任何硬件成本的情况下,把频谱效率提升20%以上。

  两项新技术究竟最终结果如何,请大家拭目以待。

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