通往5G漫长之路：从高通看蜂窝技术的演进

翻译自——microwavejournal

这是高通的故事，这家于1985年夏天在圣地亚哥成立的公司，它对手机技术的演变产生了翻天覆地的影响。高通的成功反映了它在发明技术方面的先锋作用，这些技术有可能从根本上改变我们的生活，然后成功地将它们带入生活。高通的独特之处在于，它似乎对创新永无止境的追求，这种追求基于一种思想迅速酝酿的文化。这始于创始人Irwin Jacobs和他的6个同事——Andrew Viterbi, Adelia Coffman, Andrew Cohen, Franklin Antonia, Harvey White和Klein Gilhousen——的共同愿景，他们离开Linkabit开始了“高质量沟通”，最初是为了争取政府的研发合同。

早期高通宣传册显示公司创始人和员工。

从1G到数字通信

美国早期的蜂窝网络是基于先进的移动电话系统(AMPS)标准，这是一种模拟技术，与以前的移动电话系统(MTS)相比，它提高了蜂窝网络的容量。一旦美国人意识到了在旅途中携带手机的便利，他们就不再希望受到固定电话的限制。这开启了手机使用的最初闸门，促使移动运营商争相安装更多的信号塔来增加容量。然而，运营商很快意识到，增加基站的成本太高，难以持续，因此他们要求联邦通信委员会(FCC)分配额外的频谱。然而，新频谱只是一个短期的解决方案，它要求运营商寻找一个长期的解决方案来满足不断增长的需求。

蜂窝网络是模拟的，而蓬勃发展的计算机世界是数字的。为了让手机产业蓬勃发展并成为大众技术，它必须找到一条通往数字世界的道路。当时，没有多少人预见到刚刚起步的蜂窝技术会与计算机行业融合，创造出今天的数字世界。几乎没有人探索过将数字通信作为移动电话的可行解决方案，这为高通创造了一个机会，让它可以将自己在开发军用和卫星系统数字通信方面的经验应用于移动电话。这使得手机行业引入了一种叫做码分多址(CDMA)的技术。

CDMA，一个新颖的想法

为了支持蜂窝网络的发展，蜂窝通信行业协会(CTIA)认为有必要制定一种数字无线标准，以提高容量和质量。作为回应，高通提出了一种基于CDMA的新技术，但人们对此知之甚少。CDMA采用的是扩频技术，这是一种复杂而又截然不同的技术，不同于更为人所知的接入技术:分频多址(FDMA)和时分多址(TDMA)。在CDMA中，具有唯一编码的多个用户共享一个单一的宽带信道，这显著增加了容量。

在CDMA中，每个用户的数据都有一个独特的代码，使得许多用户可以共享一个单一的、宽带宽的信道。

许多运营商很难将CDMA可视化，更不用说相信它能在“现实世界”中工作了。一些“专家”认为，它太过新生，无法进行商业扩张。虽然CDMA理论上的好处是令人印象深刻的，但几个技术障碍限制了它被考虑用于蜂窝通信。首先是传输功率，也被称为“远近问题”。“发射塔附近的CDMA用户的传输功率可能会把所有人都挡在更远的地方。”第二个挑战被称为“单一渠道问题”。“在所有发射塔上使用同一信道，位于发射塔之间的设备可能会对连接到另一座塔的用户造成干扰。”第三个问题是系统获取时间，即设备接通电源后找到网络所需的时间。

高通为此开发了解决方案来克服这些和其他挑战，如快速功率控制，软切换和使用GPS的通用导航信号。然而，当高通推出这些解决方案时，TDMA已经站稳了脚跟。电信工业协会(TIA)和CTIA已经宣布TDMA作为数字通信的蜂窝标准。这对高通是一个重大打击，业内领先专家预测高通和CDMA将提前退出;他们认为CDMA将仅限于军事和卫星通信或学术界。然而，Jacobs和他的团队认为，CDMA是蜂窝标准的正确长期解决方案，因为它将提供更高的容量和更好的服务质量。对运营商来说，这意味着满意的用户和为更多用户服务的能力。高通继续研究和改善CDMA，并坚持和有说服力的演示，向政策驱动和监管机构，最终他们成功说服FCC允许任何运营商选择部署CDMA。

这是一个巨大的胜利，不久之后，一些运营商也做到了。如果CDMA成为美国的数字通信标准，那将是前所未有的。对于高通来讲时间紧迫，要将政策上的胜利转化为商业上的成功，需要大量的手机组件，为了实现CDMA的复杂性这是一个挑战。虽然制造不是高通的核心竞争力，但他们作出了一个战略决策，将其在CDMA方面的专长应用于设计能够实现该技术最复杂元素的ASIC。为了进一步引导生态系统，高通成立了一家生产手机的合资企业，这有助于说服供应链相信CDMA技术已经准备好进入大众市场。设计自己的集成电路和手机的决定带来了长期的收益，增加了宝贵的系统知识，高通将其转化为移动调制解调器和处理器的领先市场地位。

高通QCP-2700手机，运行在800兆赫模拟和1900兆赫CDMA网络。

尽管CDMA的市场前景正在改善，但高通仍面临挑战，包括严重的现金短缺。为了筹集资金，他们于1991年12月16日首次公开募股(IPO)，股价在两周内上涨了50%以上。然而，市场的乐观情绪是短暂的;今年1月，CTIA认可TDMA为首选的蜂窝网络标准，这在很大程度上抹去了IPO的收益。结果是失望的，但没有气馁，高通继续发展和推广CDMA。到1993年底，美国电信协会已经采用CDMA作为2G的数字蜂窝标准，这导致它被美国和韩国的几家运营商选中。在欧洲，GSM是2G数字标准，由欧洲电信标准协会(ETSI)开发，并于1987年被13个欧洲国家作为强制性标准采用。

3G和移动互联网

当国际电信联盟最终确定IMT-2000(俗称“3G”)的要求时，CDMA作为首选技术的地位超越了美国和韩国。作为3G的一部分，高通在CDMA 2000标准中提高了CDMA的速度和容量。欧洲和日本开发了一种3G CDMA标准，称为宽带CDMA (WCDMA)。尽管CDMA 2000与WCDMA略有不同，但这两个标准机构仍致力于协调关键方面。经过多年的技术投资和发展，CDMA被采用为全球蜂窝标准，这印证了高通的早期愿景。

尽管在20世纪90年代，语音通话是最主要的手机服务，但高通一直在为高速数据应用奠定基础。“进化数据优化”(EV-DO)引入了一种基于IP分组的网络设计，使高速移动宽带服务成为可能。EV-DO采用了来自计算机行业的网络技术，背离了长期以来用于电话服务的电路交换标准。在其他创新中，EV-DO提供了一种被称为“机会调度”的增强功能，这在先进的蜂窝技术中仍在使用。机会调度使用更小的数据包，在无线电条件最优时在设备和基站之间“机会地”交换。通过升级到EV-DO，移动终端可以使用多个RF载波与网络通信。为了实现这些功能，高通设想将蜂窝调制解调器与强大的图形处理器结合起来，使移动电话成为掌上电脑。在高速分组访问(HSPA)中集成关键技术时，验证了EV-DO结构的成功。

EV-DO引入多载波能力。

在推动其技术发展的过程中，高通意识到，无线技术只有在他们建立整个生态系统时才会成功。除了提高网络数据容量，EV-DO/HSPA是数字连接世界的先驱，无论是人还是“事物”。这一功能使一类新的应用程序在今天越来越多地出现:高速浏览、具有丰富媒体体验的多媒体交换、低延迟游戏和多播。移动性与互联网的连接消除了桌面浏览和游戏的限制，创造了一种我们现在认为是正常的社交和互动体验。

EV-DO/HSPA基于IP的体系结构为应用和服务的推出提供了一种灵活而经济的方式。这对运营商来说是一个巨大的好处，使他们能够提供服务并从中获利。点播视频和音乐流媒体正在被引入，这加速了移动设备上的数据消费。3G改变了消费者对手机的期望，重新定义了手机。互联网连接正迅速成为一种必需品，EV-DO创造了使能技术。它的基于IP的架构最适合支持高数据速率，并且可以与语音服务一起部署，让消费者两者兼得。

4G和智能手机

CDMA已被证明对于高达5MHz带宽的信道是非常有效的。对于大于10MHz的信道，正交频分复用(OFDM)可作为效率更高的另一种访问技术。OFDM使用多个窄带子载波，分布在一个较宽的信道带宽上。认识到需要加强其在OFDM方面的能力，高通在2006年收购了Flarion Technologies，Flarion为4G/LTE提供了框架。

语音、宽带互联网和其他数据服务的普及，以及这些行业的融合，为新的服务提供了机会，这也大大提高了支持这些服务的能力。低功耗计算变得非常重要，因为蜂窝调制解调器、嵌入式摄像机、图形和多媒体被捆绑在一起以支持多媒体应用程序。这是高通曾预期的另一种能力，2002年高通首次推出了集成低功耗计算的移动设备。

更高的数据速率(远超过50mbps)和更快的连接速度是4G时代的特点。智能手机及其衍生的应用程序需要更高的数据容量。额外的天线集成了上行和下行，引入了MIMO技术，通过创建多个正交的数据流(称为层)来显著提高数据速度。MIMO可以在不需要更多频谱的情况下提高频谱效率，扩展网络以支持更高的数据速度。

4G于2010年推出，4G使运营商能够结合其现有的3G网络提供基于OFDM的服务，创造了扩展其作为无线互联网服务提供商的商业模式机会。这种同时支持CDMA和OFDM的网络和设备的融合，使运营商能够根据请求的服务和位置分配最合适的接入技术——3G CDMA、4G、蓝牙或Wi-Fi，为用户提供了更加无缝的体验。4G的迅速普及带来了一个“互联世界”，数以亿计的设备相互通信，交换数据，为用户提供前所未有的生活方式改变。“物联网”(IoT)一词是在家庭、企业、交通、能源基础设施、农场、医院和零售商店的移动物联网连接中，用户发现自己与周围世界的事物连接起来。4G的全IP架构、固有的安全性和全球快速普及，进一步激励应用程序开发人员使用移动设备创建创新业务，Uber和Lyft就是经常被引用的例子。

无处不在的连通性

随着4G继续发展能力(这是LTE-Advanced和LTE-Advanced Pro的路线图所定义)，对下一代移动网络5G的需求最初遭到了质疑。高通是早期的支持者。与CDMA一样，中国将5G视为未来10年的创新平台，它可能推动全球移动设备使用方式的重大转变。为了支持应用程序的持续激增和培育尚未构思的用例，高通认为5G可以统一多种多样的频谱和部署场景，一个可以横跨不同应用程序扩展的场景。

2015年，5G的最初要求被公布为IMT-2020标准，电信行业开始定义无线网络解决方案，以满足核心需求，包括超高速数据速率、超低延迟和与海量连接。高通与由标准机构、监管委员会、运营商、移动设备和基础设施制造商以及技术合作伙伴组成的移动生态系统合作，定义了成为第一个5G体现的标准。5G新无线电(5G NR)设计用于处理广泛的服务、部署和频谱波段;为此，它使用了在3G和4G中建立的许多功能:运营商聚合、OFDM和MIMO。在R15中，它是第一个定义5G实现的标准，3GPP定义了NR的基础，包括高通开创的五种功能:一个灵活的时隙框架;可扩展的OFDM空中接口;先进的信道编码;大规模分布式天线;以及使用mmWave频谱进行移动和固定无线接入。历史上，移动通信一直使用低于3 GHz的频谱。5G将这一频率扩展到更高的频率:“中频段”至6ghz，“高频段”至24ghz以上。在现有的4G基站上增加mmWave无线电，运营商可以显著提高数据速率，共享基站可以以更低的成本实现更快的部署。

由于mmWave存在诸多技术挑战，所以它一直被认为是不适合移动通信

然而，高通认为mmWave对于实现5G的潜力至关重要，类似于其早期对CDMA的信念，并且是一个强有力的倡导者。2015年的现场试验表明，使用多波束技术实现了鲁棒的非视线传播; 202018年，高通、爱立信、诺基亚和三星在mmWave和中频段展示了5G NR互操作性;2019年，mmWave无线电开始在商业网络中推广。与此同时，高通公司为手机开发了天线前端模块，这是第一个也是唯一一个提供mmWave前端的供应商。天线前端模块由Snapdragon 5G调制解调器控制，以优化手机性能，包括电池寿命。

5G的发展已经从3GPP R16版开始，这将解决曾经难以想象的垂直服务，如高性能工业自动化和C-V2X。高通再次预见到了这种需求:2007年，它开始研发设备到设备的接近服务，这是C-V2X、集成接入、回程和物联网中继的基础。展望未来，人工智能将在设备和网络中扮演越来越重要的角色。今天，人工智能主要集中在云上，它将在设备和云之间分布，这被称为“无线边缘智能”。5G凭借其先进的网络架构，可以提供一个将AI驱动的设备相互连接到云上的框架，以增强用户体验、提高网络效率、改善数据安全和隐私。

高通的5G标准体现在哪？

高通在4G领域的领导地位是毋庸置疑的。高通首创了LTE的核心创新—引入OFDMA、SC-FDMA、 eMBMS、载波聚合（FDD/TDD)、高级MIMO技术、Small Cell异构网络和干扰管理。之后高通引领LTE扩展到无授权频谱LAA和eLAA,再到新的垂直领域LTE loT（eMTC、NB-loT)、蜂窝V2X、EnTV和超低时延。而5G NR正是建立在4G的坚实基础上的。

5G比之前的通信技术扮演更为重要的角色—连接新的产业、实现新的服务、赋予新的用户体验，高通的创新为5G奠定了核心基础。5G的一个特征是可寻址频谱的大量扩充，其潜力通过新的大规模多输入多输出和移动毫米波创新实现；5G的高速率需要新型先进信道编码技术；为了获得更广泛的5G运用实例，可扩展的空中接口成为核心基础。最后，5G基石是对未来服务正向兼容性的保证；其通过新的、灵活的时隙框架（slot-based)实现。在这些5G关键技术上，高通都拥有不容置疑的话语权。

基于OFDM的可扩展空中接口

具备动态可扩展数字学的基于OFDM波形（waveforms with scalable numerology dynamically），加之有效跨越不同波谱、部署及服务定义了5G的视野。

灵活的时隙框架（slot-based)

一种新的自包含时隙结构是超稳定、低时延通信和正向兼容性的关键推动者—为如自动驾驶和工业自动化等新服务奠定了基础。

先进信道编码技术

为蜂窝网络新设计的LDPC编码使用尖端技术，有效支持大数据块，扩展（scaling）以支持多Gbps速率，提高能源效率和降低复杂性。CA极性码确保可靠的控制信道。

大规模多输入多输出

互惠基础上的大规模多输入多输出(Massive MIMO)有效利用大量天线获得更高的数据速率，同时提供充分利用的中频和高频的有效覆盖。

移动毫米波

高级波束跟踪、切换和转向技术开拓高带宽频谱带宽，以达到高速率及容量，在根本上把毫米波应用到移动设备（包括在非视线环境中）。

总结

蜂窝技术的发展，从模拟到5G，经历了漫长的道路，这需要长远的目光和毅力。可以说，没有哪家公司比高通在移动技术的开发和商业化方面发挥了如此关键的作用，引领我们进入了今天这个互联的世界。

5G将是一个充满动力、演进和变革的故事，将引领一个更加互联的世界，从消费者扩展到工业应用和医疗保健。IHS Markit预计，到2035年，5G将为全球经济带来13.2万亿美元的产出，5G产业链将创造3.6万亿美元的产值，支持2230万个就业岗位

尽管高通的创始人始终坚信CDMA技术，但他们无法想象它在公司成立时对世界的影响。

参考文献：

1.Rashid Attar, Donna Ghosh, et al., “Evolution of cdma2000 Cellular Networks: Multi-carrier EV-DO,” IEEE Communications Magazine, February 2006.

2.IHS Markit, “The 5G Economy, How 5G will Contribute to the Global Economy,” November 2019.