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5G背后的激流暗涌

2019年6月3日 15:23  硬核財經  

1987年,廣東為了與港澳實現移動通信接軌,率先建設了模擬移動電話系統。廣東郵電局從國外引進了一百臺“大哥大”手機,在廣州六運會上開通并正式商用。

那個時代,中國做不了移動通信系統,固網設備也全靠進口,分別來自7個國家和8種制式的機型,形成了“七國八制“的格局。

這一年,43歲的任正非在深圳的一間簡易房里創辦了華為,做電話交換機(PBX)的銷售代理,只能賺點小錢;從MIT辭職的猶太人教授歐文·雅各布創辦高通也才兩年,在一家比薩店的樓上租了一間辦公室,他們主推的CDMA技術無人問津,日子同樣過得緊張。

這時世界電信巨頭有十幾家之多,像美國的摩托羅拉、朗訊,歐洲的諾基亞、愛立信、阿爾卡特,加拿大的北方電訊,日本的富士通、NEC等。當時沒人能夠想到,后起之秀高通和華為將在5G之爭中扮演主角。

1973年,摩托羅拉工程師馬丁·庫珀發明了世界上第一臺移動電話。但是移動電話制造出來了,要如何規劃網絡?AT&T公司的貝爾實驗室給出了答案,那就是蜂窩網絡。

在蜂窩網絡中,每一個地理范圍都有多個基站,這些基站以蜂窩的形狀排列,并受一個移動電話交換機的控制。

在這個區域內任何地點,移動電話都可經由無線信道和交換機接入公共交換電話網(PSTN),同時,在兩個或多個移動交換機之間,只要制式相同,還可以進行自動和半自動轉接,從而擴大移動電話的活動范圍。

蜂窩網絡

蜂窩網絡

1978年,貝爾實驗室基于蜂窩網絡概念研制成功了先進移動電話系統(AMPS,Advanced Mobile Phone System),這就是第一代移動通信系統(1G)。5年后,這套系統在芝加哥正式投入商用。

積極跟進1G的還有日本、北歐、德國、法國、意大利、加拿大等國,他們建設了各自的移動通信網絡。

1985年,英國建設了頻段在900MHz的全接入通信系統(TACS,Total Access Communications System),它實際上是美國AMPS的修改版本,主要是頻段、頻道間隔、頻偏、信令速率不同,其他完全一致。

1G時代的王者非摩托羅拉莫屬,它不僅壟斷了移動電話市場,而且還是AMPS系統的設備供應商。

馬丁·庫珀和摩托羅拉移動電話

馬丁·庫珀和摩托羅拉移動電話

摩托羅拉在全球攻城略地,也意味著第一代移動通信標準把持在美國人手里,全球超過70個國家應用AMPS標準,英國的TACS標準也在近30個國家和地區使用,其中就包括中國。

但是1G系統先天不足,由于采用落后的模擬和頻分復用(FDMA)技術,存在容量有限、系統太多、系統不兼容、通話質量差、易被竊聽、設備昂貴、無法全球漫游等眾多缺點。

從1G發展到2G,為了提高通話質量,業界提出用數字通信替代模擬通信,提升容量主要有兩種解決方案,時分多址(TDMA)和碼分多址(CDMA),當時歐洲和美國幾乎所有的電信巨頭都選擇了TDMA,只有剛成立的高通在堅持CDMA。

1G所采用的FDMA技術,一個用戶在通話時占用一個信道。TDMA則可實現在單個信道內服務多個用戶的能力,它將無線信道分成8個時隙,供8個用戶得輪流使用,從而提升了容量。

各國在TDMA上達成共識,接下來就要討論標準,這時歐洲各國吸取了1G時代各自為政的失敗教訓,1982年歐盟聯合成立了GSM負責通信標準的研究,愛立信、諾基亞、西門子和阿爾卡特等電信巨頭都加入了進來。

最初GSM是法語移動專家組的縮寫,后來這一縮寫含義被改為全球移動通信系統(Global System for Mobile communications),以此彰顯歐洲人將GSM標準推廣到全球的雄心。

在歐洲已經統一標準之時,美國業界開展了CDMA和TDMA的技術之爭,討論究竟哪一種技術更有優勢,結果這兩種技術分別被不同的運營商采用,一個國家搞出了三個標準。

當時美國有眾多模擬AMPS的存量用戶,所以并沒有采用歐洲的GSM網絡,AT&T只是在AMPS中應用了TMDA技術,每個信道的容量從1提升到了3,但與GSM仍有不小差距。

1989年CDMA就被證明能夠支持10倍以上的AMPS系統的容量,但是CDMA系統標準成熟得晚,1994年才開始商用,此時歐洲主要國家的GSM滲透率已達80%,國際化程度非常高。

1995年,中國移動采用GSM技術建設了2G網絡。中國聯通隨后也采用了GSM技術。

時任郵電部部長吳基傳打通了中國第一個GSM電話

時任郵電部部長吳基傳打通了中國第一個GSM電話

自1991年愛立信和諾基亞在歐洲大陸上架設了第一個GSM網絡。短短十年內,全世界有162個國家建成了GSM網絡,市場占有率高達75%。2G時代的美歐之爭以歐洲的勝利告終。

歐洲的愛立信和諾基亞成為最大的受益者,在2G時代飛速發展成為全球領先的通信設備商和手機廠商。摩托羅拉因為在模擬手機上的固執以及銥星計劃的破產,開始走向衰落,1997年在手機市場被諾基亞拉下神壇。

80年代初,麻省理工學院的猶太人教授歐文·雅各布翻出了塵封已久的CDMA技術。

CDMA并非一項全新的技術,其前身是好萊塢艷星海蒂·拉瑪爾在1941年發明的“跳頻技術”,一種擴大通訊容量并保密信息的方式。她為這項技術申請了專利,并將它無償送給美國政府,希望對二戰有所幫助。但是它并沒有引起美國政府的重視,最終這項專利過期。

直到冷戰時期,美國軍方才將CDMA技術應用到軍事通信上,以確保信息傳輸時不被蘇聯所竊取。

雅各布與CDMA的淵源就從這時候開始了,他和猶太人科學家安德魯·維特比創辦的通信公司Linkabit,負責承接這筆訂單,為美國軍方和航太局開發衛星通信和無線通信技術。

高通創始人

高通創始人

1980年,雅各布和維特比將Linkabit賣給同屬通訊領域的M/A-COM公司,然后于1985年創辦了高通(Qualcomm),意即高品質的通信(Quality Communications)。

不得不提的是,維特比在1967年發明維特比算法,用于在數字通信鏈路中解卷積以消除噪音。它使卷積碼廣泛用于信息和通信行業,不論GSM還是CDMA標準,亦或是3G、4G的信道編碼技術采用的都是卷積碼。

不過由于CDMA技術起步較晚,當時所有人的目光都集中在TDMA技術上,押寶給TDMA,在研發方面投入巨資,歐洲早早確立了GSM標準,美國電信工業協會也認可TDMA為第二代移動通信技術。

為了證明CDMA比GSM好用,高通可謂是煞費苦心,它花了數年時間進行實地實驗、驅動測試以及行業演示,高通不僅要做標準,還要做芯片,還要做設備,還要做手機。

不得不說,高通確實是個狠角色,在CDMA上孤注一擲,當所有人的注意力還在TMDA上時,高通圍繞著功率控制、同頻復用、軟切換等技術構建了專利墻,幾乎申請了與CDMA應用所有的相關專利。

高通專利墻

高通專利墻

因為高通實現了CDMA的專利壟斷,它的專利授權費自然不低,同時,高通還把CDMA的演算法嵌入集成芯片。其最大特點為整合信號的發送與接收、電源管理和數模轉換等于單一芯片之上,即SoC芯片。

高通強制規定,使用高通SoC的手機廠商,在繳納巨額授權費后,還必須繳納相當于手機價格5%-10%的錢作為專利費,這在后來被稱作“高通稅”,也是后來高通被叫作“專利流氓”的根源。

但在當時高通的專利費根本沒地方收,美國的運營商都不愿意采用尚未成熟的CDMA技術,更何況是在GSM上投入大量資源的歐洲,不過高通的前瞻性確實讓人佩服。

1989年,高通向舊金山太平洋電話公司成功演示了CDMA技術的可行性。理論上,在使用相同頻率資源的情況下,CDMA移動網比模擬網容量大20倍,實際使用中比模擬網大10倍,比GSM要大4-5倍。

CDMA優勢明顯

CDMA優勢明顯

這標志著高通的CDMA技術開始走向成熟,但距離真正的商業化尚有一段距離,當時美國的所有運營商都不愿做第一個吃螃蟹的人,高通只能在海外找小白鼠。

1994年,高通與摩托羅拉合作在香港建立起全球第一個CDMA網,但效果和服務質量都太差,全球其他運營商對CDMA失去信心,設備廠商也對CDMA技術半信半疑。

高通真正的機會實際上在韓國,1990年11月,高通和電子通信研究院(ETRI)簽署有關CDMA技術轉移協定。高通答應把每年在韓國收取專利費的20%交給韓國電子通信研究院、協助其研究,韓國政府也宣布CDMA為韓國唯一的2G移動通信標準,并全力支持韓國三星、LG等投入CDMA技術的商用化。

1996年11月,韓國的CDMA用戶達到一百萬,第一次向市場證明CDMA正式商用的可能性,讓美國一些運營商及設備廠商對CDMA技術開始恢復信心,也讓韓國廠商在CDMA市場上初露頭角。

這之后,美國的朗訊、摩托羅拉,加拿大的北方電訊都成了高通的擁躉,CDMA在北美登堂入室,運營商Verizon是CDMA的最大支持者,1996年建成了美國第一個CDMA網絡。CDMA終于成為與GSM分庭抗禮的2G移動通信標準,美國、加拿大、日本、韓國都是CDMA陣營。

美國還試圖將CDMA推廣到中國來,美國政府極力向中國推銷,要求中國引進高通的CDMA技術。據原國家計委副主任張國寶回憶,“美國政府向中國施加了不小的壓力,理由是說中國與美國之間有貿易逆差,要求中國買美國的技術。”

當時中國移動主要負責GSM網絡,于是國家決定由中國聯通承接從高通公司引進CDMA技術。

聯通與高通簽約現場

聯通與高通簽約現場

信產部讓中國聯通與高通談專利授權,談了很久很久,直到2001年才談妥如何向高通“交稅”的事情。幾個月后,中國聯通投資240億元的CDMA移動通信網一期工程正式建成并在全國運營,這是高通第一次打入中國市場。

當時高通的CDMA技術已經從IS95(2G)演進到了1x(2.5G),而聯通采用的是IS95技術,中興作為唯一能夠提供IS95設備的中國公司,賺了個盆滿缽滿。華為因為關閉了IS95,全力賭1x,結果在基站上輸了個精光。

中國的3G牌照是在2009年發放的,但是在前十年歐洲就迫不及待邁向3G時代了,當時歐洲人堅定地認為:2G已經這么成功,3G也一定能成功!

90年代,隨著全球手機用戶快速增長,GSM網絡容量有限的缺點不斷被暴露,在網絡用戶過載時,就不得不構建更多的網絡設施。在此背景下,必須要對通信技術進行升級,但在當時尚無一種技術被證明優于CDMA。

為了繞開高通的專利地雷,1998年,愛立信、諾基亞、阿爾卡特聯合歐洲各國廠商成立了一個叫3GPP的組織,商討應對措施。

當時3GPP搞了一個叫UMTS的3G標準,采用WCDMA技術,就是寬帶CDMA的意思,等于說底層技術還是CDMA,依然繞不開高通的專利,專利費是交定了,只是多少的問題。

WCDMA核心技術

WCDMA核心技術

 1999年開始,歐洲國家基于WCDMA標準,發了不少3G牌照,單單英國通過拍賣5張3G執照而獲得近225億英鎊收入。

WCDMA不斷擴張自己的版圖,這是高通不能容忍的,于是拉著美國一幫通信界大佬和國外的幾個小弟成立了3GPP2,就是要和3GPP唱對臺戲,高通主推的3G標準是CDMA2000。

這時候中國也想在3G上有一定的話語權,一是“七國八制”的歷史教訓,二是中興、華為、巨龍、大唐這幾家通訊設備商發展起來了,時任信產部部長吳基傳將這四家并稱為“巨大中華”。

其實一開始中國是支持WCDMA的,不過歐洲人覺得你用我的技術可以,但不可以多嘴,中國專家一開口就吃到了閉門羹。天無絕人之路,中國找到了一個突破口:TDD技術。

實際上,世界無線電通信大會(WRC)給3G分配的頻率本身就有FDD(頻分雙工)和TDD(時分雙工)兩種。

歐洲的WCDMA就是基于FDD技術的,在相同頻率相同功率的條件下,FDD比TDD能提供更好的覆蓋,歐洲地廣人稀,可以少建一些基站,省錢。中國人口稠密,基站本來就建得多,所以不存在省錢的問題。

更重要的是,國外廠商關注TDD比較少,中國在TDD領域提自己的標準,成功的希望要大一些。

TDD在后來也被證明更適合中國人的使用習慣,FDD的上行和下行頻率需要對稱,而手機上網主要用的是下行頻率,采用TDD技術可以將頻率多分給下行,避免流量的浪費。

FDD和TDD比較

FDD和TDD比較

1998年6月,以大唐電信為主的研發團隊提出了中國自己的TD-SCDMA標準。2000年5月,在國家信息產業部、中國移動和中國聯通等運營商的強硬表態支持下,國際電信聯盟(ITU)正式宣布將中國提交的TD-SCDMA,與歐洲主導的WCDMA、美國主導的CDMA2000并列為三大3G標準。

但在2000年下半年,IT泡沫破滅。前期投入巨大的3G項目無法暫停,沃達豐、法國電信、T-MOBILE等運營商背負了巨大的財務壓力。當時法國電信陷入巨幅虧損,搞了嚴格的KPI和末尾淘汰,不少人因為業績壓力自殺了。

而高通的CDMA2000標準出來得晚一些,美國還沒來得及在IT泡沫破滅之前發3G牌照,陰差陽錯躲過一劫,直到2004年才開始大規模開展3G業務。

華為在3G上也是受盡折磨。實際上華為做移動通信已經非常晚了,1998年才啟動GSM研發,不過發展速度很快,一年半之后就中標第一個GSM商用項目,當時趁著東南亞金融危機的影響,華為憑借比競爭對手低30%的價格,拿下了東南亞的大片市場。

當時中國與美國歐都已經制定了各自的3G標準,在GSM上賺到錢的華為對3G充滿信心,投入大量人員和資金攻克3G技術。華為采取了三頭下注的策略,對三個3G標準都進行了技術研發投入,給公司造成了很大的資金壓力,華為迫切希望政府盡快發放3G牌照,哪個標準都行。

但是中國政府遲遲沒有發放3G牌照,任正非帶領孫亞芳一行人到北京拜訪國家計委和信產部,請求盡快發放3G牌照,理由是現有的2G頻率資源已經使用殆盡,必須盡快發放3G牌照以滿足手機用戶迅速增加的需要。很可惜,當時國家計委和信產部的領導都沒有同意。

兩部委的領導認為,與其他兩個3G標準相比,中國的TD-SCDMA是最薄弱的一個,沒有芯片,沒有手機,沒有基站,沒有儀器儀表,一切都要從基礎做起。如果當時發放3G牌照,無疑將是WCDMA和CDMA2000的天下。

時任信產部副部長奚國華

時任信產部副部長奚國華

歐洲和中國是華為3G的主要目標市場,當時中國沒有牌照搞不了,而歐洲雖然有了牌照,但是缺少終端產品讓歐洲的3G推進緩慢。對當時的人們來說,3G多出來的網速根本用不上,打電話和發短信,GSM足夠了。

唯一上量的業務,是用3G數據卡做便攜機上網,數據卡因而銷售火爆。當時華為改進了數據卡,在歐洲大受歡迎。但是賣數據卡賺的錢,和3G研發投入相比仍是杯水車薪,2008年任正非還動了賣掉終端業務的念頭,只是金融危機突然來襲未能成行。

對高通來說,更多的是郁悶。盡管所有3G的技術,無論是WCDMA、CDMA2000還是TD-SCDMA都是基于CDMA技術,高通都可以收錢。但是那幾年全球3G市場并沒有做起來,收不到什么錢,而高通還要養著上千名律師。

3G時代的美國亂成了一鍋粥。IT巨頭Intel眼紅高通在所有3G標準中都能收錢,于是拉著IBM、摩托羅拉、北方電訊,以及北美的一些運營商,搞了個WiMAX標準,相當于加強版的WiFi,從局域網擴大到城域網。

隨著WiMAX實力壯大,ITU終于接納它為第四個3G通信標準,北美的設備商、運營商都在WiMAX上投入了大量資金,北方電訊甚至將傳統3G業務賣給阿爾卡特,全部資源砸向WiMAX。

在美國國內,CMDA和WiMAX就這樣打起來了。但是CDMA成熟的產業鏈不是WiMAX能比的,當時要啥啥沒有,網絡設施跟不上,芯片供應跟不上,產業鏈發展嚴重不足,WiMAX的使用體驗非常差。

WiMAX陣營開始瓦解,很快Intel解散WiMAX部門。最慘的要屬北方電訊,當時分拆出售的摩托羅拉早已日薄西山,WiMAX只是它的最后一搏,北電不一樣,明明可以堅持CDMA,卻要在WiMAX上孤注一擲,最后落得破產的下場。

2007年之前,3G建設推進緩慢,而被歐美認為是落后技術的GSM在中國和其他發展中國家煥發了生機。

臺灣聯發科在2006年推出一套面向GSM手機的Turnkey(交鑰匙)解決方案,他們將手機芯片和手機軟件平臺預先整合到一起,有了這套解交鑰匙方案,任何廠商只要裝上屏幕和電池,就可以生產手機。很快,山寨手機從華強北開始風靡到全國,為GSM打下了大片江山。

深圳華強北手機市場

深圳華強北手機市場

華為也在GSM上獲得了巨大機遇,當年歐洲電信設備商集中精力搞WCDMA,中興在大規模推廣CDMA,這讓華為在移動通信覆蓋較低的亞非拉地區大展拳腳,用多年未變的老基站占領了不少市場。

見此形勢,余承東當即把“UMTS和GSM行銷部“的名字改成了“GSM和UMTS行銷部”,調轉槍頭拼命賣GSM。海外GSM市場的成功布局,讓華為成為那些發展最快的電信設備商,將同城競爭對手中興遠遠拋在身后。

時間來到2007年,這一年發生的兩件大事,重塑了全球電信行業格局。

第一件大事是金融危機的爆發,西方電信設備商遭遇當頭棒喝,大幅虧損的朗訊賣身阿爾卡特,諾基亞和西門子的電信部門合并,加上北電破產、摩托羅拉分拆出售,那一年華為、中興什么也沒干,排名就上升好幾位。

隨著后來諾基亞收購阿爾卡特-朗訊,市場上就只剩下華為、愛立信、諾基亞、中興、三星五家主要設備商,沒有一家是美國的。

第二件大事是iPhone的橫空出世,史蒂夫·喬布斯用IOS系統和iPhone手機這樣的完美組合重新定義了智能手機。幾乎在同一時間,Google發布了安卓系統,高通發布了第一代驍龍芯片。

世界上第一部iPhone

世界上第一部iPhone

iPhone的出現,首先重塑了終端市場的格局,把持全球手機市場十六年之久的諾基亞被拉下神壇,就在旦夕之間,曾經的手機大國日本徹底退出了終端市場,而這些空缺都在日后被中國廠商所填補。

而iPhone更深遠的意義則在于,APP Store帶動了移動互聯網業務井噴,創業者用APP創造了豐富的內容和業務,人們對網速提升的需求一下子被引爆。經歷了命途多舛的7年后,3G終于找到了它的歸宿。

目光回到大洋彼岸的中國,中國移動在TD-SCDMA上的努力,為日后中國在移動通信標準制定時有更大的話語權,打下了堅實的基礎。

2009年1月,工信部同時向三大運營商發放3G牌照,中國聯通是WCDMA牌照,中國電信是CDMA2000牌照,實力最雄厚的中國移動拿到的是最不成熟的TD-SCDMA。

實際上,當年提出TD-SCDMA標準后,信產部就有意讓實力最強的中國移動負責建設TD-SCDMA。這一過程中,中國移動經營上遇到很多困難,內部一些人也對應用TD-SCDMA技術產生動搖。

即使在拿到3G牌照后,中國移動依然心里打鼓,全球建設TD-SCDMA的只此一家,壓力可想而知。但是沒辦法,只能硬著頭皮上,眼睜睜看著不少優質客戶都流失到了聯通和電信。

不過站在國家大義的角度看,中國移動強推TD-SCDMA是值得的,2G時代中國移動比較依賴國外設備商,而從TD開始,中國企業漸漸成為了中國移動的主流供應商,展訊等芯片公司也成長了起來。

TD-SCDMA基站

TD-SCDMA基站

更重要的是,我們讓西方人明白了一件事,如果在標準制定中不增加中國的話語權,中國完全有能力自己搞一個標準出來,到時候極有可能失去中國市場。因此,歐洲在制定4G標準時極力拉攏中國加入。

歐洲的4G標準是2004年12月在3GPP多倫多會議上正式立項并啟動的,取名為LTE(Long Term Evolution,長期演進),顧名思義是UMTS技術標準的長期演進。引入OFDM和多天線MIMO等技術。

當時3G發展并不好,歐洲著急搞4G標準主要是受到了WiMAX的刺激。

WiMAX用的就是WiFi技術,2003年IEEE引入正交頻分復用技術(OFDM),WiFi傳輸速度從原先的11Mbps提升至54Mbps。后來Intel搞WiMAX就用了OFDM技術,這個技術不但能有效消除多徑干擾,復雜度也比CDMA小了很多,相較于CDMA更有優勢。

OFDM并不是什么新技術,早在60年代貝爾實驗室發明OFDM后,技術框架在80年代便已建立完成。但是中國與美國歐在制定3G標準時,OFDM的硬件還不成熟,便排除在3G標準之外。

如果Intel和 IT大廠沒有在WiFi上將OFDM技術發揚光大,電信業沒有一家會注意到早期不被重視的OFDM。由于WiMAX的關系,OFDM才又重新進入電信業和學術界的視野中。

所以歐洲在制定LTE標準時也采用了OFDM技術,若能有效將4G傳輸速率提升,又能繞過高通的CDMA專利地雷,是再好不過了。當然也看到了OFDM的發展前景,2005年就耗資六億美元,戰略性收購了專門研發OFDM技術的Flarion公司。

中國的積極性也很高,2005年6月在法國召開的3GPP會議上,大唐聯合國內廠家,提出了基于OFDM的TDD演進模式的方案,同年11月,3GPP工作組會議通過了中國針對TD-SCDMA后續演進的LTE TDD技術提案。

LTE核心技術

LTE核心技術

隨著中國的加入,LTE陣營如虎添翼,天平很快就倒向了歐洲這邊。高通在2007年提出的CDMA2000的演進升級版本UMB(CDMA+OFDM+MIMO),由于沒人支持而迅速式微,隔年高通就把UMB停掉、宣布加入3GPP的LTE陣營了。

2010年,Intel在WiMAX失敗后,宣布將支持LTE技術,自此LTE標準一統江湖,雖然同時存在FDD和TDD兩種方案,但實際上差別非常小。

2013年12月,工信部向三大運營商同時發放TD-LTE牌照,中國移動在TD上有先發優勢,因此成了最大贏家,僅2014年就建設了50萬個基站,逐漸形成了覆蓋全國的TD-LTE網絡。

華為在2012年中國移動TD-LTE招標中獲得約25%的份額,仍是中國移動的第一大合作伙伴,這為華為在2013年營業收入超過愛立信打下了堅實的基礎。

從3G到4G的過程中,最郁悶的就是美國了,摩托羅拉、朗訊、北電一下子全沒了,就剩下了高通。4G時代,高通的專利封鎖線也被毀掉了,不僅沒競爭過老對手歐洲,而且眼睜睜地看著中國的崛起,美國人急需在5G時代扳回一城。

4G時代LTE一統江湖,3GPP2逐漸被邊緣化,3GPP開始完全主導5G標準,中國與美國歐都要按照3GPP的要求來搞。

3GPP定的5G標準是峰值速率高達20Gbps,用戶面時延要低至0.5ms(URLLC),峰值速率是LTE的20倍,時延是LTE的1/10。其中最難實現的是低時延,目前業界對于5G的攻克主要體現在速率上。

實現更高的速率主要有兩種方法,其一是增加頻譜利用率,其二是增加頻譜帶寬。

在2G到4G的發展過程中,從TDMA(時分多址)到CDMA(碼分多址)再到OFDMA(正交頻分多址),均增加了信道容量。但是到了5G,用的還是OFDM技術,所以容量的提升要大大增加頻寬。

4G時代,中國移動TD-LTE的最高頻率為2635MHz,頻寬為130MHz,相比之下,3GPP將5G的頻段分成了兩個范圍:FR1為450MHz-6000MHz,FR2為24250MHz-52600MHz,這顯然不是一個量級的。

三大運營商頻率分布

三大運營商頻率分布

 5G頻率如此之高,速率自然能夠得到大幅度提升,但是根據“光速=波長×頻率”公式,頻率越高,波長就越短,5G波長可以短至毫米級,也就是我們說的毫米波,覆蓋范圍會比4G小得多。

再來說增加頻譜利用率,主要通過信道編碼技術來實現,這是“信息論之父”克勞德·香農在1948年提出的,同時他還提出了著名的香農極限,即在給定帶寬上以一定質量可靠地傳輸信息的最大速率,信道編碼技術可以實現無限接近但不能超過這一速率。

幾十年來,信道編碼技術經過幾代人的努力,已經越來越接近香農極限。1991年法國人發明的Turbo碼被認為是第一個接近香農極限的編碼方案,1999年3GPP采用Turbo碼作為3G UMTS系統的信道編碼。

這時候,另一種信道編碼技術LDPC碼進入了學術界的視野,它是MIT的Robert Gallager在1962年的博士畢業論文中提出的。但是由于計算能力的不足,缺乏可行的譯碼算法,長時間被人們所忽略。

到了1996年,有研究表明,采用LDPC長碼可以達到Turbo碼的性能,隨后學術界對LDPC投入了大量的關注,對編碼矩陣構造、譯碼算法優化等關鍵技術展開研究。其中,高通公司對LDPC的發展有著不小的貢獻。

近二十年來,LDPC碼被廣泛應用于深空探測,衛星和地面數字電視、WiFi、以及 HDD、SSD存儲系統等,當年WiMAX也采用了LDPC碼。

其實2006年在確立4G標準時,就有人提出了編碼應該用LDPC碼取代Turbo碼,但是通信標準從來就不是技術之爭,Turbo碼是歐洲人提出的,在歐洲主導的4G標準中當然只能用Turbo碼。

前兩年在制定5G標準時,歐洲(主要是法電、愛立信)主張5G還用Turbo碼。但在5G時代,Turbo解碼復雜的缺點就暴露了出來,所以要選擇解碼速度快延時低的方案,降低對硬件要求,LDPC被認為是一個好的選擇。

本來LDPC是5G編碼的唯一選擇,高通也可以借此揚眉吐氣了,但是美國人沒有想到的是,華為搞出了Polar碼,被認為是迄今唯一能夠達到香農極限的編碼方法。

華為的Polar碼在2007年由Erdal Arikan教授提出,這位土耳其人是Gallager在MIT的學生。Polar碼兼具較低的編碼和譯碼復雜度,其所能達到的糾錯性能超過目前廣泛使用的Turbo碼、LDPC碼。

Gallager(左)和Arikan(右)

Gallager(左)和Arikan(右)

 2009年,Arikan教授關于Polar碼的論文在IEEE正式發表,開始引起通信領域的關注。那一年,華為開始5G研究,他們發現了Polar碼有作為優秀信道編碼技術的潛力。

從2010年開始,華為做了非常多的試驗和試用研究,華為在2013年11月6日宣布將在2018年前投資6億美元對5G的技術進行研發與創新,截至目前,華為5G基本專利數量占世界27%左右,排第一位。

其實中國與美國歐在編碼上提出各自的方案,說白了就是專利之爭,歐洲在Turbo碼上專利最多,所以無論如何也要保住Turbo碼,但是由于技術缺陷已經沒什么競爭力。而高通和華為,雖然在LDPC碼和Polar碼都有技術積累,但是高通LDPC碼專利更多,華為反之,所以支持哪個方案不難做出決定。

在這樣的背景下,2016年3GPP召開了三次覺得5G編碼的會議,中國與美國歐提出了各自的方案,果然Turbo碼因為反對的人最多而最先被淘汰。在Turbo碼徹底沒戲后,歐洲公司開始站隊LDPC碼,原因是他們有更多的LDPC碼專利,5G標準之爭從中國與美國歐三國殺演變成了中國和美歐的對峙。

在3GPP的RAN1#86會議上,關于5G eMMB場景該采用何種數據信道編碼方案,LDPC陣營和Polar陣營爭的不可開交。

華為陣營vs高通陣營

華為陣營vs高通陣營高通陣營提出LDPC作為編碼唯一方案,華為陣營提出Polar作為編碼唯一方案,而歐洲提出的是LDPC+Turbo組合方案,實際上天平已經倒向LDPC了。高通和華為陣營互不妥協,這次會議什么也沒討論出來,只能擇日再議。

幾個月后,由中興牽頭提出了一個折中方案, 以數據信道數據塊大小分為長碼塊和短碼塊,其中數據信道長碼塊用LDPC碼,數據信道短碼塊用Polar碼。這樣一來,就已經注定了LDPC在長碼上的勝利。

然后2016年11月RAN1#87會議討論了數據信道的短碼和控制信道編碼用LDPC還是Polar,之前支持Turbo的歐洲陣營轉頭支持了LDPC,因此在數據信道短碼上LDPC再下一城。

但是考慮到華為的強硬態度,高通陣營提議控制信道用Polar碼的建議,經過激烈的爭論,華為陣營同意短碼用LDPC,控制信道用Polar碼。自此,在5G eMBB場景上,Polar碼和LDPC碼二分天下。

5G的編碼方案

5G的編碼方案然而5G之爭才剛剛開始,在5G的三大場景中只確定了eMBB場景的編碼方案,URLLC、mMTC場景的標準仍待確定,最終鹿死誰手依然不好說。所以美國對中國的警惕一直沒有放松,從1G到4G,美國、歐洲的利益從未如此統一過,面對強大的對手,美國、歐洲終于在5G時代站到了一起。

2018年2月,在巴塞羅那MWC上,華為面向全球正式發布首款5G商用芯片——巴龍5G01和5G商用終端——華為5G CPE。

這次高調亮相,徹底警醒了超級大國,美國向來對華為緊閉大門,而在去年,美國又開始要求澳大利亞、新西蘭、德國、意大利、英國在內的盟友禁止購買華為的電信設備。

其中,澳大利亞和新西蘭已經明確表態拒絕華為參與本國5G項目,英國電信(BT)也將華為排除在競標供應5G核心網合同的名單之外,要知道歐洲可是華為的傳統市場。

在這一系列的施壓后,2018年華為在移動通信基礎設施的全球份額上被愛立信反超,歐洲的5G項目幾乎都被愛立信拿下。

愛立信反超華為

愛立信反超華為

但是今非昔比,華為的運營商業務保持穩定的同時,以手機為主的消費者業務開始扛起大旗,2018年華為消費者業務增長45%達到3489億元,成為第一大業務,這在十年前是不可想象的。

于是,美國又瞄準華為的手機業務,高通、ARM、谷歌等重要供應商均表示中止與華為的合作,將在芯片和操作系統層面對華為造成打擊。

但是華為的強大不得不令人佩服,在歐美陣營中沒有一家公司有華為這樣完整的產業鏈,高通做底層技術,華為能做,高通、英特爾做手機芯片,華為也做,愛立信、諾基亞做電信設備,華為又做,蘋果、三星做終端,華為還做,蘋果、谷歌做操作系統,華為繼續做。

可惜華為畢竟只是一家企業,美國政府一句“安全問題”就可以讓華為喪失大片市場。但是,5G不是華為、中興一家兩家企業的事,其實從2016年的那次標準之爭開始,中國企業已經形成一股合力。

目前在5G標準立項并且通過的企業中,中國移動10項、華為8項、中興2項、中國聯通1項,中國合計21項,而美國的高通+Intel只有9項,除中國外的所有國家合計29項,中國已經占到40%以上。

電信設備商中興和華為占到全球市場40%的份額,基站數量中國有絕對優勢,三大運營商的4G基站超過350萬個,總基站數超過640萬個,而美國4G基站數不超過30萬個,全世界加起來都沒有中國多。

而且中國有強大的內銷能力,占了全球近一半市場,排斥中國的結果就是失去世界上最大的5G市場。更何況不管是哪個陣營,都有大量專利掌握在對方手中,相信沒有人再愿意看到3G時代的混亂局面。

編 輯:王洪艷
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