從2G到5G的技術演進和希望的新技術_風聞

無線通信產業是由需求和技術兩個輪子驅動前進的。早在1947年，貝爾實驗室的科學家就提出了蜂窩通信的概念，其中的核心技術是頻率複用和切換。基於這一概念，貝爾實驗室於1978年研製出先進移動電話系統（Advanced Mobile Phone Service，AMPS），這就是第一代移動通信系統。AMPS是一個模擬通信系統，採用頻分多址（FDMA）的複用技術，主要技術手段是濾波器，容易受噪聲的干擾，語音質量較差。

    隨着集成電路技術的發展，第二代移動通信系統採用了數字技術，並採用TDMA和信道編碼技術，使得通信系統向寬帶化發展，語音質量得到了較大的改善。 其中歐洲制定的GSM系統非常成功，至今仍在廣泛使用。

20世紀90年代互聯網蓬勃發展，順應這一時代要求，產業界制訂了3G標準用以實現移動互聯網。3G採用了高通公司開發的CDMA技術。CDMA一度被認為是一個神奇的技術，高通公司的創始人中有一位世界級科學家，他用一篇論文説明，CDMA的頻譜效率可以達到AMPS的18倍，於是全世界都把CDMA作為下一代通信的方向。

但是實踐表明這個觀點太過於浮誇了，CDMA存在自干擾問題，其頻譜效率只提高10%左右，並且3G的主流標準WCDMA的系統設計過於複雜，導致部署成本比較高，所以一直無法替代GSM系統。

第四代移動通信採用了OFDM技術，從根本上克服了CDMA的技術缺陷，並且簡化了系統設計，成就了一代成功的移動通信系統。

如果我們稍微總結一下，可以發現，1G發掘出了移動通信的巨大需求，但是採用了比較落後的技術體制，因此長不大。

2G進行了數字化革命，從而獲得巨大成功。

3G是為了新出現的移動互聯網需求而誕生，但由於高通的浮誇宣稱，使整個通信產業在技術上走了彎路，全球的3G業務都不是太成功。而4G迴歸了正確的技術路線，目前4G業務蓬勃發展。

隨着4G的成功商用，按照無線通信十年一代的發展規律，產業界開始了5G的研發。中國政府已經為5G分配了500MHz左右的頻譜，運營商也已經在多個城市開展了商用實驗，在2019年6月6日，四大運營商都獲得了商用牌照。

移動通信有核心網，基站首先掛在核心網上，再連接到因特網。核心網主要是起運營支撐作用，比如身份的識別，計費等等。

而另一個體系是大家都熟悉的WiFi，沒有核心網，路由器是直接戳到因特網的。 這就構成了兩大生態體系，也就是傳説中的CT和IT，它們之間的合作與競爭將貫穿無線通信產業的走向。

在無線通信產業當中，空中接口這一段的產值，包括終端和基站，佔絕大部分。如果做一個類比，通信網絡可以類比人體的循環系統或這神經系統。

骨幹網的部分可以類比中樞神經或者主動脈，雖然容量很大，但是隻有幾條。骨幹網絡的銷售額不大，但是佔據戰略制高點；而空中接口部分相當於神經末梢或者毛細血管，數量龐大，佔據無線通信產業的主要市場份額。

    有線網絡現在都光纖化了。光纖的發明是基於高錕的理論，他因此獲得諾貝爾獎。

**光纖的容量大，成本低，徹底改變了人類通信的面貌。目前一根光纖已經可以達到1Tbps。**而光纖要比同等長度麪條便宜——最近的一次招標中，1公里光纖中標價是30元人民幣，反正30元人民幣肯定買不到累計1公里長的麪條。光纖便宜好用，物美價廉，這是真正的高科技。

因此，通信系統設計的原則是用有線儘量去靠近用户，在最近用户的地方使用無線。

早期光纖只用於骨幹線路（比如北京和上海之間），隨着成本的降低，目前光纖已經入户了。

空中接口部分就比有線網困難多了。在有線通信當中，信號在一個精心製造的介質裏面傳播，無論是銅線還是光纖，信號質量非常好，隨便搞搞就能達到很高的速率。

而無線信號的傳播環境就惡劣得多得多。無線電波在傳播過程中衰減很快，還受到建築物、山體、樹木的阻擋，很多時候需要經過反射或者穿透障礙物才能達到接收機。 並且，無線電波不是規規矩矩地沿着規定的路線走，會走到不希望的地方，造成對他人的干擾。

但是無線通信有一個好處，就是擺脱了線的束縛，可以拿着手機隨便走，這種便利性是有線通信所無法比擬的。 所以儘管挑戰很大，無數的研究者前仆後繼，攻克無線通信當中的道道難關。

空中接口的核心技術在物理層，每一代移動通信是由這些核心技術所定義的。空中接口的核心技術可以分為5個大類，分別是調製、編碼、多址、組網和多天線。

    比核心技術更基礎的是基礎理論，包括電磁理論和信息論。

   高通公司開發了CDMA技術，並且成為3G三大標準（ WCDMA，CDMA2000和TD-SCDMA）的核心技術，從而一躍成為通信和芯片行業巨頭。

高通解決CDMA民用有三招，分別是功率控制（Power Ctrl）、同頻複用（UFR）和軟切換。 功率控制解決遠近效應，同頻複用提升頻譜效率，軟切換解決切換連續性。這構成了高通CDMA的技術體系。

3G在編碼領域的主要進展是採用了Turbo碼，這是法國電信所資助的教授發明的，是通信發展史上的里程碑，因為它首次充分逼近了香農在1948年所提出的信道容量。

   在多天線領域，Alamouti編碼應用到了廣播信道多編碼。因為廣播信道在整個業務當中的比重並不大，所以這個編碼的作用相對重要性低一些。但是這個編碼是多天線技術領域的里程碑，有非常大的影響力。

調製是最基礎的通信技術，沒有之一。因為基礎，所以穩定，一直到現在的5G都沒有太大的變化。

可以看出，高通在3G的多址和組網兩個方面擁有核心技術。當然，在把核心技術工程化的過程當中也建立起由幾千個專利組成的專利組合。憑着這些專利和芯片的聯合運作，收取了大量的高通税。

其實從現在的眼光看，Turbo和Alamouti 是更重要的核心技術。但這兩個核心技術在法國電信和ATT這樣的大公司裏面，沒有進行商業化運作的機制，只是收了一些專利費，沒有形成象高通這麼大的商業。

到了4G之後，CDMA技術被OFDM技術所取代。主要的原因是CDMA存在自干擾的問題。高通的功率控制和軟切換試圖去解決這個問題，但採取的方法是在CDMA缺陷的基礎上進行補救，但是怎麼補也補不徹底。

而OFDM從根本上克服了CDMA自干擾的缺陷，使得頻譜效率得到了很大的提高。所以在4G時代，高通的技術體系被摧毀了，之後也就有了發改委對高通的反壟斷調查。不過，4G在調製和編碼領域仍然採用了3G的方案。

就5G EMBB場景來説，標準已經制定完成了。

首先調製這塊還是沒有變，太基礎了，想變也變不動。

就編碼來説，雖然編碼被媒體炒得很火，但LDPC和Polar比Turbo提升非常有限。誠然，LDPC和Polar是Turbo碼之後通信技術發展的里程碑性的技術。 但是由於Turbo碼已經比較接近香農限，雖然這兩個碼更接近，但是對系統容量的提升已經不大，大概是1～2%左右。

多址是移動通信的核心技術領域，第一代到第四代移動通信分別採用了FDMA、TDMA、CDMA和OFDM技術。5G三大場景之一的eMBB這塊沒有變，還是採用了4G的OFDM。

多址這塊NOMA有很大的熱度，一度被公認為5G的必選技術。5G標準的早期，幾乎所有的廠家都支持這個方向。但經過驗證NOMA比OFDM的增益嚴格為零，所以迴歸4G時代的OFDM。

組網上，4G時代的SFR是非常不錯的技術，CoMP……

多天線這塊最響亮的就是massive MIMO，號稱可以成百倍地提升系統容量，從媒體上看幾乎可以是5G的代名詞。

MIMO這個理論1995年提出，已經23年了。它所揭示的對容量的巨大提升致使它一直是學界和工業界的熱點。但是這個技術一直到4G都不是很成功。這個技術最早是從雷達領域過來的。但要用於民用會遇到特別的麻煩——雷達對着的是天空，都是視距，很乾淨。而地面上是多麼複雜的地形，這個事情一下子複雜了無限倍。這個技術有個特點，一演示就成功，一實用就趴窩。在一個選擇的場景下MIMO技術是很容易演示成功的，但是在複雜的實際環境中所涉及的問題的難度，是兩個數量級的差別。換言之，就是相對簡單一些，增益也有限一些的能實現，但複雜一些，增益很大的那種只能擺拍。目前能夠商用的MIMO是相對不那麼複雜，增益也相對有限的。當然MIMO是一個有潛力的領域，但是其實用化問題仍然沒有解決。另外，MIMO的問題還在於，雖然能夠提高容量，但是要增加設備，有成本的。

不過，據業內人士告知鐵流，在天線技術上，還有一項新技術，那就是透鏡天線，這項技術相對於市場主流的5G天線，在覆蓋、功耗等方面都有明顯提升。鐵流獲得小道消息，中興和大唐已經開始嘗試這項新技術。由於這項技術可以提升覆蓋，降低功耗，降低成本，運營商對這項技術也很感興趣。

    在長沙周杰倫演唱會測試中，透鏡多波束天線相對於市場主流的一款2.6GHz的3D MIMO天線具有明顯優勢，當然在一些數據上也有不足：

   小區內的平均用户數、平均激活用户數、最大激活用户數、小區內的最大用户數，透鏡多波束天線是3D MIMO天線的1.7-2.5倍。

小區PDCP所發送的下行吞吐總量（GB）高出3D MIMO天線29個百分點，上行總吞吐量介質多波束天線更是3D MIMO天線的3.2倍。  

  3D MIMO天線在無線接通率、切換成功率高出介質多波束天線10個百分點。

   在西雙版納的萬人潑水節測試中，採用4G基站+透鏡天線對比測試的方式，每個波束均配置E1+E2+FDD1800多個載波，多波同時多頻配置。通過測試數據對比，採用新天線後，RSRP區域覆蓋平均電平由-81dbm提升至-73dbm，平均質量（SINR）由10.7提升至14.5，平均下載速率由15.24Mbps提升至28.8Mbps。

誠然，廠商的測試結果和最終規模化應用的效果不一定劃等號，但終歸是一個可能的突破扣，特別是當下5G基站覆蓋比較一般，功耗比較大的情況下，新型天線在很多指標有優勢的情況下，還能夠提升覆蓋，降低功耗，這個就尤為難得了。

    正如中國工程院院士鄔賀銓表示，5G網絡比4G速度更快，是靠擴容傳輸帶寬。由於5G走的是高頻擴容的路線——由於消耗的帶寬成倍增加，而在低頻，帶寬資源非常寶貴，因此，只能選擇頻譜資源更加豐富的中高頻。而頻率越高覆蓋越小，這是無線通信的基本知識。這會導致5G基站的覆蓋成為短板。

    因此，如果能夠提升頻譜利用率，那麼，對於5G來説，是一件大好事。

    在基礎理論上，楊學志博士發佈了一篇衰弱信道容量論文，發現了香濃不經意間的一個小瑕疵，如果這個理論是正確的，那麼，可以在不增加任何硬件成本的情況下，把頻譜效率提升20%以上。

    兩項新技術究竟最終結果如何，請大家拭目以待。