从2G到5G 20年移动通信核心演进之路

发表于2018-12-09

从2G到5G 20年移动通信核心演进之路

手机的问世距今虽然只有短短几十年时间,但是却已经彻底的改变了我们生活的方方面面,更是加速了通讯技术的革新。正是由于通讯技术的飞速发展,我们现在才能在手机上随心所欲的看视频、玩游戏、打电话、购物等。

当然,通讯技术本身并不是现在这个样子,和所有事物一样都经历了一个从无到有直至发展壮大的过程,而在这个过程中涌现了一大批公司、人物,在其中扮演了重要的角色和地位。我们这篇文章就从通信发展进程中,看看有哪些重要的公司和人物。

目前,我们将移动通讯技术称为几G,如目前我们正在使用的是4G,马上要来临的则是5G,既然有4G、5G,当然也有1G、2G和3G,这个G并不是计算机里Gb的意思,而是英文单词Generation“代”,所以5G就是第五代移动通信技术。

1G目前距离我们已经比较遥远了,遥远到可以追溯到电话产生的时代。1G技术为模拟通信技术,它只能打电话,不能上网,而且由于技术限制,设计上使用模拟调制、FDMA(频分多址)等,因此即使只能打电话也存在抗干扰性差,频率复用度和系统容量不高、经常被盗号等问题,我们经常在港片中经常看到的黑帮老大拿的“大哥大”就是使用了1G技术,在这里就不再过多赘述。

由于第一代模拟通讯系统存在的种种缺陷,因此80年代中后期人们开始探索新的移动通讯技术,相对于1G的模拟通讯技术,2G为数字移动通讯系统,它的形成离不开大规模集成电路、微型计算机、微处理器和数字信号处理技术等的大量应用。

第二代移动通讯系统主要有CDMA和GSM两种,其中,GSM以TDMA所发展形成,于1990年开始投入商业运营,拥有抗干扰性强、成本低、已与加密等优点。

但是,在GSM技术推出后不就,一种更先进的技术:CDMA也随即推出。而说到CDMA则不得不提到高通,可以说是高通一手将CDMA技术发展壮大,而反过来CDMA技术也将高通推上了世界通讯巨头的地位。

1942年8月,好莱坞女演员Hedy Lamarr和作曲家丈夫George Antheil受到音符组织方式启发而发现的一项技术。其全称为“码分多址”,可能大家更熟知则是“CDMA”这个名字。这是在扩频通信技术上发展起来的一种无线通信技术,在CDMA技术中每个通话都会被分配一个在宽频频谱范围内打乱的代码,然后在接收端进行重组。多个用户可同时说话,从而在相同数量的频谱中传递更多会话。

由于早期欧洲均采用GSM技术,而且CDMA技术最初也是运用于军事领域,因此并没有多少人关注CDMA技术,而且当时的物理学界也无法理解CDMA技术,一些颇有名望的工程师和大学教授甚至认为,高通的设计理念完全违背了物理学原理。

但是高通公司经过数年实地实验、行业演示等,证明了CDMA技术可以商用。而且因为CDMA可有效降低通话两端的背景噪音,这一优势如此有效以致于在演示期间,许多测试用户因缺乏噪音而以为是线路陷入了瘫痪。

1993年CDMA终于被公认为行业标准,并与1995年美国电信产业协会正式颁布的窄带CDMA(N-CDMA)标准为IS一95A,在其基础上,于1999年提出IS-95B标准。

CDMA技术技术有很多优点,首先是系统容量大,比GSM大4-5倍,通话音质好,接通率高、适用于多媒体通信系统等。中国联通在2002年1月8日正式开通CDMA网络并投入商用。

第三代移动通信技术使在第二代的基础上发展演进而来,是高速数据传输的蜂窝移动通讯技术,如果说2G时代高通还是一个“新手”,那么在3G时代,高通已经占据了绝对的领导地位,因为3G的技术原理和高通的CDMA是一脉相承的。

第三代移动通信技术有三个标准:CDMA2000、WCDMA和TD-SCDMA。其中,美国主要为CDMA2000、欧洲为WCDMA和中国的TD-SCDMA,而这三种标准则都是从CDMA技术的基础上开发并建立。其中,CDMA2000便是由高通主导,是从CDMA One数字标准衍生而来,可以从原有的CDMA One结构直接升级到3G,建设成本低廉。

第四代移动通信技术便是我们目前所使用的,有TD-LTE和FDD-LTE两种制式,但是LTE并未被认可委下一代无线通讯标准IMT-Advanced,而是LTE Advanced才是。因此一般说4G网络都是LTE和是LTE Advanced,而是LTE Advanced则是LTE的升级版,并且兼容LTE。

而说到是LTE Advanced,则不得不提载波聚合技术,无线通讯的不断发展使得各个频段资源不断被使用,为了能够为用户提供更宽的数据管道,载波聚合技术便应用而生。它可以充分利用运营商能够使用的所有频谱资源,而是LTE Advanced理论上最多可以支持5个载波聚合。

载波聚合技术的应用则需要依靠两个部分支持,一部分为运营商网络基站;另一部分则是消费者手机的硬件。高通不仅是首家推出支持载波聚合的LTE-A芯片组企业,而且在其他处理器厂商还在以PPT形式推出支持载波率和处理器时,高通公司和其他载波聚合相关的技术也都已经提上了商用预案。

前面提到,载波聚合需要两部分同时支持,其中一部分便是手机硬件,而手机硬件的核心便是手机处理器平台。在4G时代,高通的骁龙系列处理器真正确立了其在高端芯片市场无可撼动的地位,骁龙800系列更是成为旗舰芯片的代名词。骁龙810芯片便集成了当时最先进的4G LTE Advanced Category 9世界模调制解调器,下载速率最高达450Mbps,支持全球所有七种网络制式(LTE-FDD、LTE-TDD、WCDMA、EV-DO、CDMA 1x、TD-SCDMA和GSM/EDGE),同时还可通过3倍载波聚合技术实现450Mbps的下载速度,不仅实现了高速度的移动网络传输,而且还提高了传输的稳定性并且降低了功耗。

目前高通最新的手机平台是骁龙845,这款平台集成了全世界第一款支持4G LTE Category 18的调制解调器,下载速度最高能到1.2Gbps。载波聚合方面,则是支持5个20MHz的载波聚合,而且还支持高达256-QAM和12个空间流这样的规格。

第五代移动通信技术是目前通信领域当之无愧的热点,也是各大公司竞争的焦点,未来5G将应用于移动互联网、物联网、人工智能等各个领域。5G时代网络理论下行速度将达到10GB/s,举个简单的例子,下载一部2G大小的电影,只需几秒即可搞定,因此前景非常值得期待。

在5G方面,高通也是早已进行研发,在去年MWC上海世界移动大会上,高通正式推出5G新空口(New Radio,NR)原型系统和试验平台,通过此平台可以实现每秒数千兆比特数据速率和低时延的创新5G设计;去年11月在乌镇举行的第三届世界互联网大会,高通的“万物互联”5G技术原型入选15项“黑科技”。而就在世界互联网大会的前一个月,高通在4G/5G峰会上宣布了前面提到的骁龙X50 5G调制解调器,成为首家发布商用5G调制解调器芯片组解决方案的公司。

随后今年高通又领先对手一步,将骁龙X50 5G调制解调器芯片组成功在28GHz毫米波段是上实现了5G数据连接,并且还展示了首款5G智能手机参考设计,引起业界不小的轰动。

在这里有一个词“毫米波”可能大家不是很熟悉。5G无疑会极大提高传输速率,而提高传输速率有提高频谱利用率和增加频谱带宽两种方法。直接提高频谱利用率问题太多,一般选择增加频谱带宽的方法,但是随之出现的问题是目前常用的5GHz以下的频段资源比较紧缺。这时毫米波便出场了。毫米波波长在1-10mm,频率约为30GHz-300GHz,这些频段中28GHz和60GHz频段最有希望用在5G中,两者对应的频谱带宽分别为1GHz和2GHz,而4G-LTE可用的频谱带宽只有100MHz,带宽相当于4G的10倍,传输速率自然也将有极大的提升。

这时,问题又出现了,毫米波的波长决定了这个频段只适合近距离数据传输,当距离较远时很容易衰减。因此,在5G新空口的设计上需要考虑各种情况,满足多种需求。高通的方法是实现毫米波的移动化。要实现毫米波的移动化,就需要智能的波束搜索和波束追踪算法,LTE和6GHz以下5G的整合,协调的时序干扰管理以及动态gNodeB的选择。在高通做过的一个测试中,他们把毫米波原型设备放在了行驶的汽车中进行试验。从试验的结果来看,现实环境中的移动化毫米波展现了非视距(NLOS)运行中强大和稳健的移动性。

但我们也知道5G不止是毫米波。就在前几天,全球首个5G标准正式出炉,其主要就是面向非毫米波频段。

从2G、3G到现在的4G以及即将到来的5G,可以说高通就是伴随着移动通信技术的发展而一步步发展壮大,并且不仅参与其中还成为其中的领导者,制定了众多通信标准。5G是一个新的契机,5G拥有巨大的发展空间和无限的想象,随着高通首款5G原形参考机的发布,5G时代真的已经不远了。

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