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5G大战简史,简直比春秋战国还精彩啊!

圈子图卦2019-09-17 10:16:27


这次5G大战是电信业20年一遇的大对决。科技蜘蛛就跟大家讲讲这次5G编码大战的精彩故事。不过事先声明:本故事纯属虚构,如有雷同,纯属巧合,请勿对号入座。



人物介绍




主角:美国(A),法国(F),中国(C)

主角的编码立场:A 推 LDPC,F 推 Turbo2.0,C 推 Polar

其他酱油配角:韩国(K),日本(J),欧洲(E)等

 



为什么A,C,F在编码技术上大撕逼,难道物理层编码对5G技术那么重要?难道仅仅是为了技术背后的专利?编码技术的确算是通信系统的核心技术之一,但是A,C,F围绕着编码上的博弈并不仅仅局限于技术本身。 笔者认为,通过此次5G编码标准化之争,已经足以管中窥豹,窥探整个5G标准化本身了。





恩怨情仇





移动通信至今已经发展到了第4代 (4G), 这既是一部无线技术演进史,也是一部A,C,F三家合纵连横的斗争史。早在2G时代,E凭借成熟可靠的GSM取得了先机,而A也凭借着对CDMA的执着,在自家以及小伙伴 K, J 家中占据一方天地,而此时的C家,还只是一个虚心向A,F学习的小弟,同时引进了A,F的方案,左右逢源。在这一时期,无线标准之争更多的集中在多址接入技术上。物理层信道编码的技术,各个阵营倒是出奇地一致:卷积码。


3G时代,通过精修A家的CDMA,欧洲提出了宽带版的WCDMA,再次确保了自己在无线蜂窝网行业的领跑地位。同样是基于 CDMA,A家练成加强版的CDMA2000,继续与欧洲分庭抗礼。 C 家通过多年向其他两家家学习,并创立了 TD-SCDMA 大法,并且得益于A,F两家的争斗,幸运地跻身无线通信列强之列。C家至此实力开始壮大。这一时期,F阵营提出的 Turbo 码,因为非常接近香农极限,被各大阵营一致接纳为标准信道编码方式。


而到了4G时代,关于信道编码的方案 A 和 F 之间产生了分歧。A 家提出的 LDPC 编码方案开始大热[1],并最终被 WiMax 采纳为标准信道编码方式。而 F 阵营则承袭了 Turbo 码的技术路线,毕竟已经研究多年,用起来得心应手。然而 A 家的 WiMax, 在 F 家和羽翼渐丰的 C 家联合绞杀之下,最终死于襁褓之中。FDD-LTE 以及 TDD-LTE 则一统天下,Turbo码也走向了自己极盛的巅峰。





天下大乱





技术发展日新月异,4G商用还没几年,关于5G的标准化工作就被提上了日程。此时的 A 家,依然执念地想赢得蜂窝通信的老大地位。怎么办呢?方法就一种:抢占 5G 核心技术。不过如今, A 家最大的竞争压力来源从欧洲转移到了 C。经济实力的提升,让 C 得以在世界各个角落投入大量的科研力量,效果也立竿见影,科研实力迅速提升,已达到国际一流水准。所以要说比通信领域的科研成果,A 其实心里是没底的,通信领域霸主的地位岌岌可危。天下大乱,一场腥风血雨在所难免。 






遏制与闪电战




既然不能保证凭新技术制胜,那就用老技术好了。所以 A 早早的就联合了几大E, A, J, K 的公司,制定了 A 自己想要的 5G 标准(网上有的叫它V5G), 主要的思路是照搬 LTE,不用新技术(不给 C 的科研成果任何机会)。只要最后能把 V5G 写进 3GPP 订的 5G 标准里, 那 A 也就算是把 5G 的蛋糕给拿下了。但是问题来了:都是照搬 LTE 技术,谈何5G?所以 A 想了想做了个决定: 编码得改!改成啥么子?--改成 LDPC!(有兴趣的可以参看V5G技术细节)



 

为什么选择了编码这个模块而不是其他模块?因为在整个系统中,编码模块相对独立, 它的变动不会影响到其他模块间的相互匹配。好了, 现在目标很明确了,用来忽悠的V5G技术也有了, 摆在 A 面前的就剩下一个问题,怎么去说服别人不用别的新技术,而只要用V5G技术就行(LTE的照搬技术+LDPC编码)?


终于A想到了一个办法:闪电战!提速标准进程(3GPP NR的时间表之快,堪称史上罕有):不给你考虑的时间,不给充分分析各个新技术的时间。 有了Deadline,大家就会趋于保守,自然而然的保留现成的技术。这招的确很高明,而且有效,但是缺少一个说辞。A想了想,再和他的小兄弟们讨论了一番后,决定说辞就是:2018东京奥运会,试运营5G!


再回到我们第一个问题:为什么编码可以重要到能够代表5G?因为它是一个区分 V5G 和 LTE 的关键模块。 一旦编码失手,也就意味着整个一套完整 V5G 技术被打乱,A 将失去 5G 核心技术, 在5G中彻底交出老大的位子。



第一轮较量




在里斯本会议上, A,C 和 F 展开了第一轮厮杀。LDPC 在高通的带领下联合了包括英特尔,三星,诺基亚和 Verizon 直接叫板由华为领衔的 Polar 集团。 此时的巨头公司爱立信还在LDPC和Turbo之前取舍不定,同样犹豫的还有大唐电信, 不同的是大唐则是在 Turbo 和 Polar 间纠结。 


最终 LDPC 和 Polar 双方的支持率不相上下(25 vs 23), 而Turbo仅仅只有5票。 从这里至少可以看出 Turbo 已经失势了, 而之后的决战肯定将在中美间展开。 在经历了3天的奋战之后, 3GPP 最终决定 LDPC 为中长码编码方案。 C 的第一轮失利说明了一个问题, 支持公司的数量多固然可贵,但是支持公司的权重也相当关键。 LDPC的支持方包括了几个巨头公司, 因此只是在票数上接近是不够的。 至此,Verizon 的计划貌似在顺利的实施中。






决一死战





第一轮交锋积累了经验, C 及时调整了方案, 也整顿了队伍。 本周,在赌城Reno,C 率领了50+人马浩浩荡荡的杀入会场, 这阵势和气场实实在在的震住了A。 A 变得有些焦躁。。。此时原本支持 Turbo 的爱立信和大唐也开始选边, 爱立信毫不犹豫的选择了 LDPC 战队,而大唐理所当然的去支持 Polar。 


LDPC 阵营是完全无法接受 Polar 的, 他们的原则是:斩尽杀绝,一点机会也不给! 但是历史的进程不为人意而改变, 大国崛起的契机是时代给予的。 最终 LDPC 和 Polar 各退一步,分别拿下了数据和控制信令领域。 就此5G编码大剧也算是完美收官。中美各分天下, 欧洲正式退居二线,留下一个落寞英雄的背影。 







结束语





这次中国通信业的崛起要感谢与华为一起坚守在Polar阵营兄弟们:中兴,Vivo,OPPO,小米,阿里巴巴,联想,中国联通,中国电信,中移动,大唐电信,展讯,中国移动研究院,信威通信,酷派,以及海峡对岸的同胞们:宏基,联发科技,台湾国立大学。

最后也不忘提一下爱立信,没有他的努力 5G 编码不会顺利收官,即便结果并不是爱立信最想要的...

(来源:科技蜘蛛 作者:星辰 秋月 绿小水)


延伸阅读:究竟什么是5G?这样说老太太也能看懂

来源:网易新闻

5G该会有什么样的技术?能让外行人能看懂的文章一篇都没有,毕竟通信专业的门槛较高,特别是对未来技术的演进问题更难以科普。这篇文章的写法很特别,初中生水平就能看懂,

通篇只需要您懂一个公式【光速=频率×波长】。

一、绪论

1、双驼峰规律

一项新技术概念出现后,在业界会出现一个研究讨论的高潮,这是第一个驼峰。相关的学术论文会产为热点,成堆的博士硕士依托这项新技术完成了毕业论文,虽然很热闹,但这仅仅局限在学术研讨层面上,而在具体的技术实现方面还存在着很多问题,或者因成本原因而根本无法量产。

研究讨论高潮逐渐降温,这是第一个驼峰的下落期,接下来是低调务实的技术攻关,这个平台期可能几年也可能一二十年。当技术问题都解决后,就会迎来商家量产和投入市场的热潮,这就是第二个驼峰。

按照国际电信联盟关于2020年的规划,5年后就要全面进入5G了,而到现在核心技术体系还没有确立。

回顾3G技术发展史,国际电信联盟于1998年6月30日接收了3G技术提案,并迎来了第一个驼峰期,直到2009年1月7日,工业和信息化部正式发放了三张3G牌照,这才进入到第二个驼峰,平台期持续了11年,特别是三张牌照之一的TD-SCDMA,直到2013年才真正成熟,平台期长达15年,可刚成熟4G时代就来临了。

按照“双驼峰规律”,5年后将在全球推广使用的技术,应在2010年左右就迎来第一个驼峰,而不会在2020前的两三年横空出世,然后迅速被国际电信联盟确定为全球的5G标准,这违反了一般的技术发展规律,不太可能成真。

2、通信技术的极限

通信技术可以用八个字概括,那就是调制、解调、编码、解码,这些技术发展到现在,已经普遍到了平台期,例如编码的效率已经接近了极限,内部挖潜增效的余地越来越小,有些业界大牛甚至觉得通信已经没啥搞头了,转行去了医疗设备行业,把其扎实的通信功底用在了高精尖医疗电子设备研发方面,以追求更有希望的未来。

您可能会有疑问:科学技术越来越强,为什么不能把极限突破了呢?其实通信技术的极限并不是技术工艺方面的限制,而是建立在严谨数学基础上的推论,在可以遇见的未来是基本不可能突破的。

根据技术发展的“双驼峰规律”和通信技术发展的现状,不大可能会在未来几年里横空出世个令人惊异的新技术,5G技术应是现有技术的新组合,是4G技术的再演进。

为什么要有个“再”字?因为4G LTE的后三个字母就是长期演进的意思,5G应是在4G基础上的再演进。

二、5G关键技术

1、增加带宽是关键

5G最显著的特点是高速,按规划速率会高达10~50Gbps,人均月流量大约有36TB。如此高的速率该靠什么资源来支撑呢?必须要靠更大的带宽!

带宽用字母B来表示,它就好比是道路宽度,最大速率用C来表示,它就好比是道路的最大车流量。显然易见,4车道的最大车流量是2车道的2倍,8车道的是2车道的4倍,这非常好理解。

增加车道数是提高最大车流量最直接有效的方法,同样地,提高速率的最直接有效的方法就是增加带宽。我依然记得读研究生时,老师在讲到带宽时掷地有声地说:“你们给我记住:高速就是宽带,宽带就是高速!”


 

人们对通信速率要求越来越高,迫使着信道的带宽就越来越宽,几根电话线的带宽不够,那就增加到几百根,几百根不够就换成同轴电缆,电缆带宽不够就换成光纤,有线通信的带宽就是这样一代代地递增着。

而手机通信使用的是无线信道,那它的带宽是如何增加的呢?核心方法就是采用更高的频段。

上过初中的都知道【光速=频率×波长】这个公式,知道这个公式就能看懂上面这个表格了,频率与波长成反比,两者之积等于光速,即30万公里/秒。

请看表格中两个黄色块的数据,数值都是3~30,但单位不同,甚低频段的整个带宽是27kHz,超高频段的整个带宽是27GHz,后者是前者的100万倍!由此可见,频段越高且带宽越大,这点非常好理解,好比是低保户和大富豪都拿出全部的财产,后者会比前者多得多。

所以关系就来了:5G时代若想更高速,就得使用更大的带宽,而要取得更大的带宽,就得使用更高的频段。4G之前使用是特高频段,5G就得往超高频甚至更高的频段发展了。根据国际电信联盟的专家预测,将来有可能使用30GHz~60GHz的频段,俄罗斯专家甚至提出了80GHz的方案。

30GHz以上的频段,比上表中最后一项的超高频还要高,其波长自然要比厘米段更短,那就是更短的毫米波,因此毫米波就顺理成章地成为了5G的一项关键技术。

2、毫米波技术

电波传播的特性很有趣,频率越高(即波长越短)的电磁波,就越倾向于直线传播,当高到红外线和可见光以上时,就一点也不打弯了,这是个渐进的过程。

毫米波一般不用于移动通信领域,原因就是它的频率都快接近红外线了,信道太“直”,移动起来不容易对准。请想象一个场景,您拿着激光笔指远处墙壁上的图钉,是不是一件很困难的事?

例如卫星车就很难“动中通”,开动起来车身摇摆,天线(就是那个大锅)就很难对准卫星,通常只能驻车后工作,而且必须精细调整天线的角度,使其电波的辐射方向正对着卫星,否则就无法通信。

手机是移动使用的,不可能打电话时还举着手机瞄准准基站的方向,那样实在是反人性。虽然在非正对方向也有信号,但强度会明显衰弱,使用体验会比4G之前要差得多。

电磁波有五种传播模式,相对于未来的5G时代,我们现在手机的频率要低得多,其绕射能力还是不错的,楼房阴影处的信号也没太大问题,因为信号可以绕着到达。

而未来5G的频率会高得多,绕射能力会下降,信号只能傻楞楞地直着走,以往信号能到达的犄角旮旯就到不了了,那该怎么办呢?这就引出了更一项技术—微基站技术。

3、微基站技术

请您脑补一个场景,小区中心只立着一盏路灯,阴影面积当然会很大,而如果在小区里均匀设置很多路灯,阴影面积则会小得多了。所以说,将传统的宏基站变成站点更多密度更大的微基站,是解决毫米波“直线问题”的有效方法。

这只是微基站的一个原由,还有一个更强大的原由。5G时代的入网设备数量会呈爆炸性的增长,单位面积内的入网设备可能会增至千倍,若延续以往的宏基站覆盖模式,即使基站的带宽再大也无力支撑。

这个原由很好理解,以前的宏基站覆盖1000个上网用户,这些用户均分这个基站的速率资源,而进入5G时代后用户的速率要求高多了,一个基站的资源就远远不够分了,只能布设更多的基站,例如让每个基站只负责20个用户,分餐的人少了,每个人自然就能多吃。

基站微型化则设布设密度会加大。为避免基站之间的频谱互扰,基站的辐射功率谱就会降低,同时手机的辐射功率也会降低。这有两个好外,一是功耗小了待机时间会增加,二是对人体的辐射会降低。传统基站好比是房屋中间的火炉子,近处烫远处冷,而5G的微基站就好比是地暖,发热均匀更加舒适。

微基站数量大幅度增加后,传统的铁塔和楼顶架设方式将会扩展,路灯杆、广告灯箱、楼宇内部的天花板,都会是微基站架设的理想地点。

波长缩短到毫米波还会有什么影响呢?还会影响到手机天线的变化,这就是下一节要说的5G另一项技术—高阶MIMO。

4、高阶MIMO

根据天线理论,天线长度应与波长成正比,大约在1/10~1/4之间,当前手机使用的是甚高频段(即分米波),天线长线大约在几厘米左右,通常安装在手机壳内的上部。

天线的长度为什么应在波长的1/10~1/4之间?因为这个比例可使电波的辐射和接收更有效,为什么会更有效?这我就不知道了,这得问物理学家。

5G时代的手机频率在提升几十倍后,相应的手线天线长度也会降低到以前的几十分之一,会变成毫米级的微型天线,手机里就可以布设很多个天线,乃至形成多天线阵列。

多天线阵列要求天线之间的距离保持在半个波长以上,手机的面积很小。现在的手机天线是几厘米长,多天线阵列是难以设置的。而随着天线长度的降低,特别是5G时代的毫米尺寸天线,就可以布设多天线阵列了,就给高阶MIMO技术的实现带来了可能。

啥是MIMO呢?其英文简写是“多入多出”的意思,高阶MIMO的意思是指基站与手机之间有很多对的信道并行通信,每一对天线都独立传送一路信息,经汇集后可成倍提高速率,这当然是件极好的事。

不知您是否思考过这个问题:因为基站不知道您在哪个方位,所以它跟你通信使用的电磁波是全向辐射的,就好像是电灯泡发出的光那样,只有到达你手机的辐射才是有用的,其它方向的辐射都是浪费的,这种巨大的无用辐射还成为了其它手机的干扰。

如上图所示,因为手电筒的能量更集中,所以比灯泡照的更远,基站与某部手机的关系就相当于光源与被照射物的关系。

现在基站与手机的关系就是灯泡模式,不管手机在哪个方位,都会把针对这部手机的信号进行全向的辐射,当然绝大多数非正对方向的能量都是浪费掉了,而且还成为了其它手机的干扰。

能不能把灯泡模式改成有指向性的手电筒模式呢?即把上图左面的全向辐射样式改成右面的这种窄波瓣样式,从而提高能量的使用效率?这就是下节要说到的波束赋形技术。

5、波束赋形技术

中国主导的3G国际标准TD-SCDMA有六大技术特点,其中有一项就是智能天线,在基站上布设天线阵列,通过对射频信号相位的控制,使得相互作用后的电磁波的波瓣变得非常狭窄,并指向它所提供服务的手机,而且能跟据手机的移动而转变方向。

由全向的信号覆盖变为了精准指向性服务,这种新形式的无线电波束就不会干扰到其它方向的波束,从而可以在相同的空间中提供更多的通信链路。这种充分利用空间的无线电波束技术是一种空间复用技术,可以极大地提高基站的服务容量。

遗憾的是这项技术没有在3G时代得到应用,但在5G入网设备数量成百上千倍增加的情况下,这种波束赋形技术所能带来的容量增加就显得非常有价值,波束赋形技术很可能成为5G的关键性技术之一。

波束赋形技术不仅能大幅度增加容量,还可大幅度提高基站定位精度。当前的手机基站定位的精度很粗劣,这是源于基站全向辐射的模式。当波束赋型技术成功应用后,基站对手机的辐射波瓣是很窄的,这就知道了手机相对于基站的方向角,再加上通过接收功率大小推导出手机与基站的距离,就可以实现手机的精准定位了,并因此而扩展出非常多的定位增值服务。

6、综合分析

任何更新换代的关键性技术,都必须是经历过多年研究的成熟技术,按规划还有5年就要进入5G时代了,不太可能突然出现一个全新的技术并被吸纳为5G的国际标准中,考察5G的技术发展脉络还得从成熟技术中寻找答案。

在传统的宏基站大覆盖的情况下提速是非常困难的,20%的频谱利用率的提升都是了不起的成就,而在5G时代的千倍提速要求面前,这种内部挖潜的方法是行不通的,只有通过大幅度的加大带宽才有可能。

加大带宽是起点,由此而产生的毫米波、微基站、高阶MIMO、波束赋型等都是顺理成章的技术趋势。只要把基站做得足够小,其服务范围变窄了,单个用户获得的资源就能足够大,速度就可以提高到足够快。

所以说,5G的任何一项关键技术都不会有革命性的突破,其上千倍综合能力的提升,更多地是来自移动网络的重新布局。

三、后记

这篇5G科普您一定能看懂,而且还能理解一环扣一环的5大技术的原由,甚至觉得这是理所应当的。其实,这种易读性并不容易做到,尤其是技术门槛很高的通信专业,能让外行越容易理解的文章,就越能体现作者的功力,这还真不是王婆卖瓜,而是一个在教育界有共识的道理。

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