通信之道:4G大变局(上)

2020-06-12 11:32:04 浏览数 (1)

新时代新杀入的力量是Intel,它是IT界人士,就是搞计算机互联网那边的。有一个无人不晓的东西叫作Wi-Fi,它是也IT 界搞出来的东西。在Wi-Fi 取得了成功后,IT 界的野心膨胀,想进一步蚕食CT 的地盘。

Wi-Fi 对应的标准是IEEE802.11,是无线局域网协议,而用于抢地盘的标准是802.16,是一个城域网标准,说白了就是比局域网的覆盖范围大,在商业上的名称是WiMax。

在CT 这边是CDMA 一统天下,而WiMax却采用了OFDM 技术。说起来OFDM也不是什么新技术了,它是于20 世纪60 年代被贝尔实验室的Chang 发明的,到20世纪80 年代建立了比较完整的链路技术框架,这个跟CDMA 的发展历程有些相似,从时间上大概晚了十多年。OFDM 技术已经在ADSL,DVB 等领域获得了商用,并且1998 年在ITU 征集3G 提案的时候,也有几个基于OFDM 的提案,但是它们实在敌不过Viterbi 老先生领军的CDMA 阵营,没闹出什么动静就被毙掉了。随着CDMA 技术的商用,其技术缺陷日益显现,这时候OFDM 又杀回了无线通信领域。

CDMA 最大的弱点就是自干扰,为了克服这个缺点,多用户检测(MUD)技术成了当时的研究热点。TD-SCDMA 最核心的技术叫联合检测,就是多用户检测技术,而我所发明的频域算法至今都是业界效率最高的可商用算法。

MUD 的问题在于复杂度有点高,而且WCDMA 和CDMA2000 的系统设计对MUD 的支持也比较困难,无法商业化。但是经过这么一番研究之后,我们发现MUD可以使容量加倍反过来也可以衬托CDMA 的固有缺陷。这个时候由于WiMax的搅局,OFDM 进入了CT 的视野,它通过循环前缀和频域均衡等不太复杂的技术,有效地消除了用户间干扰。也就是说,OFDM 和MUD 的效果是差不多的,但是复杂度小了很多。这个时候CT 界的小伙伴们明白过来了,原来大家都被高通的这位Viterbi 老先生给忽悠了。WiMax使用了OFDM 技术,立刻使得CT 界的小伙伴们“压力山大”。

这时候出现了三股力量

  • 技术上的澄清
  • 高通的专利之困
  • WiMax的竞争

三股力量的合力使得3GPP 在2004 年年底开始了LTE 项目。LTE 的英文是long term evolution,就是长期演进的意思。现在LTE 已经商用了,就是大家所熟知的4G。

但是其刚被提出来的时候为什么被羞羞答答地叫LTE 而不是4G 呢?

其实WCDMA 一直在演进着,最初的版本叫Release 99,就是1999 年的版本,后来的版本改变了命名规则,叫R4, R5, R6, R7, 每个版本都加入一些特性,但是CDMA的技术框架没有变。到了LTE 时期,要把CDMA 干掉而采用OFDM,实际上已经不能叫演进,而是革命了,正确的叫法就是4G。

但是概念刚被提出的时候要争取到运营商的支持,运营商天性是守旧的,因为他们已经在3G 上投入巨资,当然不愿意被革命掉,所以玩了一个文字游戏叫长期演进。而实施商用的时候,面对的是用户,当然是4G 更“高大上”,消费者更愿意埋单。

3GPP 启动了LTE,高通掌控的3GPP2 也启动了UMB 项目,算是应景之作。3GPP搞LTE 是为了摆脱高通的牵制,高通搞UMB 当然不想把自己干掉。高通在业内已经赚得了流氓的恶名,和小伙伴们越走越远,UMB 没人支持,日渐式微。最终高通还是明智的,把UMB 停掉了。在3G 时代,高通垄断了CDMA 的核心专利,并且IS-95标准在前,因此高通可以任性地单独搞一个CDMA2000。尽管如此,其在产业上还是处于劣势。在4G 时代,高通已经没有了这种优势,再任性下去是死路一条。4G 的标准终于统一到了LTE,从这个角度看,高通是为产业做了贡献。当然,LTE 分FDD 和TDD 两个模式,但还是一个标准。

高通放弃了UMB,当然就全力参与LTE 了。其做了这么多年的CDMA,而且相当成功,赚取了大把的银子,肯定是很自恋的。在这种公司当中,一般是容不下异己的力量存在的。典型的例子就是柯达,明明是自己发明的数码照相机,老是让人家当配角,结果被自己的发明革掉了命。在高通是CDMA 派说了算,即使有技术专家研究OFDM 也是讨不到好的,因此高通在OFDM 上是没有技术积累的,而现在搞LTE 要用OFDM,肚子饿了现种粮食哪来得及呢?

但是高通有大把的银子,可以买饭来吃。美国是一个创新型的国家,各种技术初创公司层出不穷。有一个公司叫Flarion,就是研究用OFDM 做移动通信的,他们开发的系统叫作Flash-OFDM,翻译成中文可以叫作“一闪一闪的OFDM”。高通相中了Flarion,于2006 年用8 亿美元将其收入囊中,当然高通是冲着它的专利去的。一时间媒体舆论大哗:高通又垄断了OFDM 的核心专利,大家又要为高通打工了。其实媒体并不懂技术,怎么就得出这个结论呢?媒体的逻辑很简单:高通又不是傻子,如果没有核心专利,干吗花8 亿美元啊?这种由果及因的推理方法其是很不靠谱的。人家柯达也几百亿元地赚,你以为是傻子吗?还不是照样倒闭了。

OFDM 并不是新技术,链路技术框架已经在20 世纪80 年代就基本完备了。它已经用于ADSL 和DVB,ADSL 就是一个链路,DVB 虽然需要组网,但是所有天线发射相同信号,本质上也只是链路技术。现在要用于移动通信,需要解决组网问题,这和高通在CDMA 上需要解决的问题是相同的。Flash-OFDM 是Flarion的商标,脸面上的东西当然就是最得意的东西,这个一闪一闪的Flash,就是Flarion解决OFDM 用于移动通信的组网方案。

OFDM 的中文名称是正交频分复用。既然是频分复用,本质上就是FDMA 了,这是第一代移动通信的多址技术,大家都是清楚的。就是因为清楚这个,FDMA 的弱点也成为对OFDM 的担心。FDMA 要采用比较大的复用因子,而CDMA 凭借同频复用统一了3G 的天下,OFDM 要怎么办呢?Flarion提出了快跳频的OFDM 方案,现在其被归类于干扰随机化方案。

一个OFDM 载波被划分成了很多个很窄的子载波,有些子载波上的功率大,对相邻小区的干扰就大;有些功率小或者没有使用,干扰就小或者无干扰。但是在频率复用的设计上要照顾到最坏的情况,就要求使用比较大的复用因子,降低系统的频谱效率。而CDMA 技术通过扰码的随机性使得干扰比较平均,所以实现了同频复用。受CDMA 的启发,通过快速的跳频也可以使得OFDM 系统的干扰平均化,这样就不必照顾最差的情况,而按照平均情况进行频率复用方案的设计,从而实现同频复用。

解决了OFDM 同频复用的问题,Flarion 应该是非常得意的,所以它把这个方案作为自己的技术商标。高通也是看中了这个,才肯出那么高的价钱。更为关键的是,采用了干扰平均化的思想后,高通的软切换技术还可以继续在LTE 当中应用,这可是高通的命根子。

有人可能会很奇怪,为什么这么凑巧,Flarion 开发的技术这么对高通的脾气?这是因为在3G 时代,高通的CDMA 已经一统江湖,其大杀器就是同频复用。Viterbi 先生说,由于CDMA 复用效率高,使得其频谱效率是AMPS 的20 倍,这可真是把小伙伴们都吓傻了。还有另外一位厉害的角色叫作David Tse,他是加州伯克利大学的教授,他继承信息论鼻祖Claude Shannon 的衣钵,是信息论的第三代掌门。在其名著《无线通信基础》当中,他用信息论证明了同频复用的效率最高。这样,同频复用就成了移动通信的标杆,是没有人敢于怀疑的。然而同频复用并不是专利技术,高通在此基础之上建立了软切换技术,成了CDMA 最基础的专利。Flarion 的Flash-OFDM,也是建立在同频复用的基础上的,所以才和高通的技术体系如此匹配。

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