4G背后的驅(qū)動(dòng)力和技術(shù)變革

　　摘要：隨著智能通信設(shè)備在全球范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用，用戶對(duì)于網(wǎng)絡(luò)性能的要求也隨之水漲船高。更高的帶寬以及網(wǎng)絡(luò)容量成為全球運(yùn)營商們成為當(dāng)下用戶對(duì)4G網(wǎng)絡(luò)提出的新要求。本文通過分析無線網(wǎng)絡(luò)背后的三大推動(dòng)力引出從技術(shù)層面4G甚至未來的無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需要突破的五大技術(shù)挑戰(zhàn)。

　　關(guān)鍵詞：4GM2M小基站遠(yuǎn)程射頻MIMO香農(nóng)定律

　　1. 引言：“G” 主題變奏曲

　　從最初的調(diào)頻無線電話，也就是俗稱的大哥大，到現(xiàn)在幾乎人手一臺(tái)的智能手機(jī)或者平板電腦，每當(dāng)手中的通信設(shè)備更新?lián)Q代之時(shí)，用戶對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)又提出了新的要求。從最初的通話，收發(fā)短信，演變到后來的彩信，以及現(xiàn)在由智能手機(jī)帶來的各種強(qiáng)大操作應(yīng)用，全球用戶對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)不斷升級(jí)的渴望促使它一次又一次邁入了一個(gè)新的時(shí)代。

　　回顧過去，直到20世紀(jì)70年代初，美國電話電報(bào)公司AT&T的貝爾實(shí)驗(yàn)室才提出蜂窩電話網(wǎng)絡(luò)的概念，但在過去40年內(nèi)，這一技術(shù)卻呈幾何級(jí)數(shù)的增長。隨著移動(dòng)技術(shù)逐步融入人們的日常生活，該技術(shù)在很大程度上受到了用戶需求的推動(dòng)而不斷演進(jìn)。

　　近年來，隨著智能手機(jī)在全球范圍內(nèi)的日益普及，運(yùn)營商們?cè)俅蚊媾R著開發(fā)全新網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的挑戰(zhàn)，以便擴(kuò)大覆蓋范圍、增加容量及提高服務(wù)質(zhì)量。像蘋果iPhone各代產(chǎn)品的推出，在全球幾乎所有市場(chǎng)內(nèi)引發(fā)了人們對(duì)于網(wǎng)絡(luò)需求的峰值，促使網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)師們努力爭(zhēng)取更多寬帶及容量和效率。

　　這一發(fā)展直接導(dǎo)致了4G服務(wù)目前在全球的亮相。4G是第四代移動(dòng)通信及其技術(shù)的簡(jiǎn)稱。4GLTE系統(tǒng)能夠以100Mbps的速度下載，比撥號(hào)上網(wǎng)快50倍，上傳的速度也能達(dá)到50Mbps，并能夠滿足幾乎所有用戶對(duì)于無線服務(wù)的要求。很明顯，4G有著不可比擬的優(yōu)越性。運(yùn)營商們已開始關(guān)注利用LTE-AdvancedLTE v12網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展自身的能力，顯而易見，數(shù)據(jù)目前已成為許多手機(jī)用戶的優(yōu)先事項(xiàng)。而值得注意的是，4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)就是主要針對(duì)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的首項(xiàng)技術(shù)。

　　2. 無線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)背后的三大驅(qū)動(dòng)力

　　比爾·蓋茨BillGates曾經(jīng)說過一句話（也可能是別人杜撰的），“640K（內(nèi)存）對(duì)所有人來說都應(yīng)該夠用了”。這一示例充分說明了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)技術(shù)發(fā)展前景的難度，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)也不例外。

　　在康普看來，盡管移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)難以預(yù)測(cè)，但對(duì)于即將到來的4G或者是未來的5G甚至更遠(yuǎn)的發(fā)展，仍然可以通過對(duì)其發(fā)展背后的驅(qū)動(dòng)力和相關(guān)技術(shù)進(jìn)行分析，或許還能從此前的發(fā)展歷程中吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

　　用戶需求

　　用戶需求將持續(xù)成為網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的主要驅(qū)動(dòng)因素，與此同時(shí)，更為精密的移動(dòng)設(shè)備的出現(xiàn)也是因素之一。

　　用戶數(shù)據(jù)需求的持續(xù)增加永遠(yuǎn)無法被忽視。因特網(wǎng)用戶的數(shù)量預(yù)計(jì)將在2015年前達(dá)到27億人，占世界總?cè)丝诔^40%。[i]隨著數(shù)據(jù)服務(wù)在最終用戶日常生活中的重要性日益提高，以及視頻和手機(jī)游戲等高帶寬應(yīng)用受歡迎程度的日益提高，運(yùn)營商們必將著眼于發(fā)展能為用戶提供支持的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)。

　　部署新服務(wù)可以開辟新的收入流，有助于改善運(yùn)營商的平均每位用戶收入ARPU。許多消費(fèi)者都愿意為出色的數(shù)據(jù)體驗(yàn)支付額外費(fèi)用。埃森哲Accenture最近開展的一項(xiàng)市場(chǎng)調(diào)研的結(jié)果也顯示，目前有69%的因特網(wǎng)訪問量都是通過移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行的。運(yùn)營商對(duì)新服務(wù)商業(yè)的需求將持續(xù)推動(dòng)未來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，例如它們會(huì)向用戶提供直接到手機(jī)的相關(guān)活動(dòng)，如足球賽或音樂會(huì)的現(xiàn)場(chǎng)直播服務(wù)，如果用戶選擇欣賞，它們可以收取一次性費(fèi)用。

　　很明顯，隨著高清顯示屏、統(tǒng)一通信和視頻會(huì)議的出現(xiàn)，新移動(dòng)設(shè)備將推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)提供帶寬更高的內(nèi)容。與此同時(shí)，手機(jī)錢包服務(wù)等其他項(xiàng)目也將成為手機(jī)設(shè)備不可分割的組成部分，這可能產(chǎn)生對(duì)新網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及安全措施等不可預(yù)測(cè)的需求。

　　機(jī)器的崛起

　　從歷史角度來看，用戶需求是始終推動(dòng)移動(dòng)運(yùn)營商提供更高容量和更廣覆蓋范圍的網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動(dòng)力。然而，這一情況馬上就要發(fā)生變化了，因?yàn)槲磥硪苿?dòng)網(wǎng)絡(luò)面臨的最大壓力是來自機(jī)器對(duì)機(jī)器通信M2M的壓力。

　　這一技術(shù)趨勢(shì)在發(fā)展過程中曾使用過很多名稱，有些人將其稱為M2M，而有些人將其稱為“嵌入式”或“聯(lián)網(wǎng)式”設(shè)備以及“物聯(lián)網(wǎng)”。無論其專門用語如何，這一技術(shù)的功能都是相同的，即允許各種設(shè)備共享數(shù)據(jù)，而無需人為干預(yù)。目前，這一技術(shù)還可用于將任何類型的遠(yuǎn)程機(jī)器或設(shè)備連接至關(guān)鍵信息系統(tǒng)，并收集現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)信息，從而提高效率，降低成本，推出新服務(wù)并獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。此外，公用事業(yè)儀表、標(biāo)記、照相機(jī)、遠(yuǎn)程傳感器、筆記本電腦和家用電器等豐富多樣的設(shè)備也可以連接起來，為各種新用途提供支持并提高效率。

　　盡管單個(gè)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備本身并不能夠傳輸大量數(shù)據(jù)，但長期看來，每個(gè)用戶卻可能擁有數(shù)十甚至數(shù)百臺(tái)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。過去一年來，歐洲市場(chǎng)上聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量飆升了60%，Gartner也認(rèn)為M2M市場(chǎng)將維持每年30-40%的增速，[iii]這在很大程度上正是由于M2M的崛起，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量預(yù)計(jì)將在2011-2016年間增加十倍。

　　因此，新一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)不僅僅需要根據(jù)更大的容量需求進(jìn)行調(diào)整，而且還必須解決多用戶環(huán)境的問題。新一代網(wǎng)絡(luò)必須支持用戶要求的各種服務(wù)，而且還必須滿足M2M以及聯(lián)網(wǎng)設(shè)備產(chǎn)生的“大數(shù)據(jù)”的需求。其面臨的至關(guān)重要的挑戰(zhàn)是在無處不在的網(wǎng)絡(luò)中排好不同類型流量的優(yōu)先次序，例如人到人、人到機(jī)器、機(jī)器到機(jī)器、應(yīng)急傳輸?shù)鹊取?/p>

　　智慧城市

　　今后10年內(nèi)，隨著各種組織逐漸意識(shí)到M2M在收入流和客戶滿意度提高方面蘊(yùn)含的未知潛力，我們預(yù)計(jì)M2M應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒊霈F(xiàn)重大突破。電力公司已經(jīng)開始推廣智能電表，它們可以向中央數(shù)據(jù)庫發(fā)送有關(guān)家用和商用電量消耗的實(shí)時(shí)信息。同樣，汽車公司也正在推廣聯(lián)網(wǎng)汽車，為車輛監(jiān)控和救援、事故通知及定位等服務(wù)提供支持。然而，這些設(shè)備的推廣還只是開始。等完成這些設(shè)備的全面部署后，它們的潛能才得到充分發(fā)揮。例如，萬能智能電表可以讓電力公司根據(jù)需求智能匹配發(fā)電量，在降低成本和提高效率的同時(shí)改善相關(guān)服務(wù)，這就產(chǎn)生了“智能電網(wǎng)”。

　　在今后十年內(nèi)，單個(gè)行業(yè)中發(fā)生的此類革命將日益常見，而且可能被視為規(guī)模更大的“智慧城市”變遷的組成部分。從本質(zhì)上而言，這一術(shù)語預(yù)示著智能信息與通信技術(shù)的融合，旨在提高各種城市系統(tǒng)和服務(wù)的效率和效能。代表性技術(shù)在未來將強(qiáng)化城市智能和城市連通性，包括智能電表、傳感器網(wǎng)絡(luò)、光纜和無線通信網(wǎng)絡(luò)、以及能夠?yàn)槌鞘蟹?wù)提供數(shù)據(jù)分析的軟件以及大量其他硬件和軟件組件。這將對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生巨大影響。據(jù)預(yù)測(cè)，對(duì)智慧城市技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施的投資總額將在2010-2020年間達(dá)到1080億美元。[v]

　　那么，為滿足用戶、M2M和大數(shù)據(jù)的需求，網(wǎng)絡(luò)中將出現(xiàn)哪些技術(shù)？

　　3．五大技術(shù)革新

　　提高頻譜靈敏性的技術(shù)

　　從歷史角度來看，每一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)都會(huì)被指定一個(gè)新頻段以及每頻道更寬的頻譜帶寬。然而，在4G網(wǎng)絡(luò)推出后，目前新頻段以及更大的頻道帶寬已經(jīng)幾乎沒有空間。由于頻譜的不足，我們認(rèn)為提高頻譜的靈敏性將在未來的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中發(fā)揮重要作用。換句話說，即通過網(wǎng)絡(luò)智能調(diào)整，利用免費(fèi)或低成本頻譜的網(wǎng)絡(luò)，軟件層負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)絡(luò)硬件進(jìn)行控制，積極將傳輸頻率切換至最寬松的頻譜。這將使得運(yùn)營商能夠確保用戶獲得盡可能最快的上傳/下載速度，即使在擁擠不堪的城市環(huán)境中也毫不遜色。

　　MIMO多輸入多輸出技術(shù)

　　MIMO（多輸入多輸出）技術(shù)將成為提高LTE及更先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)蜂窩站點(diǎn)的頻譜效率的一個(gè)至關(guān)重要的工具。通過使用蜂窩站點(diǎn)以及用戶手機(jī)上的多個(gè)天線，MIMO可以提高容量以及其他方面的網(wǎng)絡(luò)性能。為了雙向收發(fā)信號(hào)，基站天線常常使用雙極化陣列。運(yùn)營商們目前正在評(píng)估再添加一個(gè)雙極化陣列、從而確保四向收發(fā)信號(hào)甚至長期八向收發(fā)信號(hào)的相關(guān)增益。

　　MIMO可在不增加帶寬或傳輸功率的情況下，顯著提升數(shù)據(jù)吞吐量和鏈路范圍。兩股不同的信息流將使用兩個(gè)單獨(dú)的天線或相同天線的兩個(gè)不同極化，在相同的無線電波道上傳輸，旨在提高頻譜效率（每赫茲帶寬每秒比特?cái)?shù)的增加）。在通過兩個(gè)天線傳輸相同信息流的情況下，相同的技術(shù)也可用于提高鏈路可靠性，創(chuàng)建可以應(yīng)對(duì)衰減或其他類型干擾的分集路徑。

　　遠(yuǎn)程射頻拉遠(yuǎn)技術(shù)的部署

　　第一代網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)是將基站放在機(jī)房內(nèi)，因而是被置于一個(gè)受到保護(hù)的環(huán)境中。遠(yuǎn)程射頻拉遠(yuǎn)技術(shù)RRH的發(fā)展是其中一項(xiàng)重大的技術(shù)進(jìn)步，它使得射頻頭與基帶相分離，而且能夠提供顯著的部署靈活性。

　　RRH有諸多安裝方式，但靠近實(shí)際的基站天線安裝更有助于減少系統(tǒng)的損耗，而且提高信號(hào)強(qiáng)度成為可能。但為此需要付出的代價(jià)是：由于天線總是位于站點(diǎn)的最高點(diǎn)，鑒于現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)苛的環(huán)境以及站點(diǎn)維護(hù)和在塔頂進(jìn)行維修的費(fèi)用，靠近安裝的RRH本身會(huì)帶來新的風(fēng)險(xiǎn)。此外，為了承受更重的重量及風(fēng)阻，可能還需要對(duì)許多站點(diǎn)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。這可能會(huì)導(dǎo)致租賃費(fèi)等某些運(yùn)營費(fèi)用的增加。

　　目前業(yè)內(nèi)出現(xiàn)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是：將RRH和基站天線集成至統(tǒng)一的物理實(shí)體。這一距離上的優(yōu)勢(shì)可以減少損耗，產(chǎn)生更高的效率，顯著節(jié)省電力、空間并降低風(fēng)阻。然而，盡管部署更靈活的綜合性解決方案具有潛在的收益，但他們的維護(hù)要求通常也更為復(fù)雜。萬一發(fā)生硬件故障，就更有可能發(fā)生時(shí)間更長的網(wǎng)絡(luò)停機(jī)。例如，如果某集成式天線中的無線電設(shè)備失靈，運(yùn)營商就必須先從塔架上拆下整個(gè)組件，然后才能進(jìn)行維修。而在傳統(tǒng)塔架上，運(yùn)營商無需處理天線，只要把無線電設(shè)備拆走并進(jìn)行維修即可。

　　站點(diǎn)獲取和小基站

　　從移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)開始發(fā)展至今，站點(diǎn)獲取一直是運(yùn)營商們面對(duì)的一個(gè)主要問題?？紤]到城市環(huán)境以及發(fā)射塔能夠提供的空間比較有限，這一問題有可能還要持續(xù)下去?！靶』尽币呀?jīng)成為業(yè)內(nèi)頻繁使用、但卻也經(jīng)常被誤解的一個(gè)術(shù)語。它的基本原則很簡(jiǎn)單。但顯而易見的是，網(wǎng)絡(luò)容量需求將超出當(dāng)前的架構(gòu)限制，而且需要采取新方法。僅僅添加更多蜂窩的做法已經(jīng)達(dá)到了飽和狀態(tài)，因此需要新創(chuàng)意。因此，我們預(yù)計(jì)今后蜂窩站點(diǎn)的組件將出現(xiàn)更小、集成水平更高的趨勢(shì)，以便部署更能創(chuàng)收的設(shè)備。

　　提高信噪比——香農(nóng)定律Shannon

　　從移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的所有技術(shù)發(fā)展可以看出，可能保持恒定不變的因素只有一個(gè)——提高信噪比SNR，較高的信噪比可以確保提供穩(wěn)健的數(shù)據(jù)服務(wù)。過去十年來，這一比率的重要性日益增加，全球范圍內(nèi)對(duì)移動(dòng)數(shù)據(jù)的偏好也沒有減弱的跡象。

　　香農(nóng)定律描述了任何系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其最大理論容量可能受到的限制，其原因在于系統(tǒng)存在噪聲或干擾。今天3G、LTE和LTEAdvanced網(wǎng)絡(luò)使用的最新無線電技術(shù)被成為“噪聲受限系統(tǒng)”，如果說射頻路徑?jīng)]有噪聲限制的話，它們就可以實(shí)現(xiàn)最大容量。

　　實(shí)際上，這一考量確實(shí)非常重要，來自市場(chǎng)研究公司RysavyResearch的彼得·瑞塞維PeterRysavy早在2005年首批在其公開發(fā)表的其中一篇技術(shù)論文中，就對(duì)此進(jìn)行了很好的總結(jié)：“未來技術(shù)進(jìn)步的焦點(diǎn)應(yīng)放在改善系統(tǒng)性能方面，此類改善工作應(yīng)能夠改進(jìn)系統(tǒng)中的精密信噪比，或?qū)崿F(xiàn)其最大化?！薄盵vi]在這一點(diǎn)上，運(yùn)營商必須專注于通過新技術(shù)、精雕細(xì)琢的傳輸方式以及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等手段，確保射頻路徑擁有高性噪比。我們可以確信的一件事是，對(duì)于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)來說，今后的市場(chǎng)將更復(fù)雜，空域也會(huì)更擁擠；下一代或今后的網(wǎng)絡(luò)如果想取得成功，穩(wěn)健且經(jīng)過精心設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施的作用將至為重要。


來源：CCTIME飛象網(wǎng) 作 者：Morgan Kurk,康普無線網(wǎng)絡(luò)高級(jí)副總裁

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