無線技術(shù)的未來--3G及4G

無線技術(shù)正開始從以傳輸話音業(yè)務(wù)為主逐漸向基于寬帶無線網(wǎng)絡(luò)，可同時(shí)傳輸話音、影像、數(shù)據(jù)等多種業(yè)務(wù)。而且將更多的功能集成于一身的方向發(fā)展。那么，展望無線技術(shù)的未來，3G是否得以誕生，會(huì)不會(huì)從2G直接過渡到4G呢？

15年前移動(dòng)電話還是一種昂貴奢侈品。而今天移動(dòng)電話常常作為開拓市場和促銷產(chǎn)品的免費(fèi)贈(zèng)品了。移動(dòng)電話在成為語音通信的主流媒體之后，正隨時(shí)準(zhǔn)備承擔(dān)新的挑戰(zhàn)，向移動(dòng)用戶傳送高速數(shù)據(jù)、視頻信號(hào)、多媒體信息以及語音信號(hào)。在各個(gè)行業(yè)中日益增長的移動(dòng)勞動(dòng)大軍促進(jìn)了這一基本需要。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在美國平均有15%的勞動(dòng)大軍可歸之為移動(dòng)的一類(至少20%的時(shí)間是在辦公室外工作的）。解決此挑戰(zhàn)所需的技術(shù)通稱之為第三代移動(dòng)電話(3G）。

從消費(fèi)觀點(diǎn)來看，需要更大語音容量以可靠地接納更多的電話呼叫、通過增加計(jì)費(fèi)的使用分鐘（MOU)以產(chǎn)生更多的收益、高速數(shù)據(jù)服務(wù)(移動(dòng)384kb/s,固定2Mb/s）以滿足日益增長的移動(dòng)用戶群體的需要。企業(yè)局域網(wǎng)接入、無線Internet接入和全球漫游，所有這些都已經(jīng)驅(qū)動(dòng)現(xiàn)有2G網(wǎng)絡(luò)達(dá)到極限。所提出的3G技術(shù)將支持這些需要，任何3G技術(shù)的主要要求應(yīng)包括：

語音質(zhì)量可與公用交換電話網(wǎng)絡(luò)(PSTN)相比擬;對(duì)于乘機(jī)動(dòng)車輛在大范圍快速運(yùn)行的用戶,數(shù)據(jù)速率為144kb/s；對(duì)于站立不動(dòng)或者在小范圍慢速移動(dòng)的行人，數(shù)據(jù)速率為384kb/s；逐步達(dá)到支持2.048Mb/s運(yùn)行的辦公室應(yīng)用；支持?jǐn)?shù)據(jù)包交換和電路交換兩者的數(shù)據(jù)服務(wù)；適用于大多數(shù)因特網(wǎng)通信高度非對(duì)稱特性的無線接口，其下行鏈路較之上行鏈路具有大得多的帶寬；使現(xiàn)行頻譜有更高效的利用率；支持種類繁多的移動(dòng)設(shè)備(如電話、手機(jī)、PDA等）；可靈活引入新服務(wù)和新技術(shù)。

對(duì)開發(fā)3G的另一個(gè)重要?jiǎng)恿κ怯捎谝苿?dòng)Internet激增所造成的對(duì)移動(dòng)接入能力的要求。在美國和歐洲這兩個(gè)地區(qū)，研究表明移動(dòng)電話的擁有者都希望成為Internet的用戶。鑒于目前75%訪問Internet的用戶都是在常規(guī)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，這表明具有接受移動(dòng)數(shù)據(jù)服務(wù)的巨大潛力。理想上，3G應(yīng)當(dāng)隨時(shí)隨地提供無縫的個(gè)人通信服務(wù)。

從供應(yīng)商的觀點(diǎn)來看，對(duì)移動(dòng)數(shù)據(jù)的需求在某種程度上也可以說是由供應(yīng)方面促成的。無論是傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商還是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商，這兩方面人士都在開發(fā)移動(dòng)接入以解決他們各自面臨的問題，讓公眾滿意并提供Internet對(duì)移動(dòng)電話用戶的接入。

1998年6月有十種符合IMT-2000最低性能要求的地面無線傳輸技術(shù)(RTT)提交給國際電信聯(lián)盟(ITU）。在所有這些技術(shù)中除了數(shù)字增強(qiáng)無繩通信(DECT)和通用無線通信(UWC-136)外全部采用碼分多址(CDMA)作為發(fā)送接口，而DECT和UWC-136則是純粹時(shí)分多址(TDMA)協(xié)議。不同RTT的支持者們?yōu)榘堰@些技術(shù)融合為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)遇到極大的麻煩。這些技術(shù)已經(jīng)集結(jié)在三種主要的現(xiàn)有2G標(biāo)準(zhǔn)周圍：TIA/EIA-136和GSM(皆基于TDMA的系統(tǒng))以及IS95(基于CDMA的系統(tǒng))。由于移動(dòng)無線電的發(fā)展成果都關(guān)會(huì)影響到三種標(biāo)準(zhǔn)的融合，每一種RTT都可能或多或少地包含在最終標(biāo)準(zhǔn)中的融合技術(shù)內(nèi)。

未來的發(fā)展途徑很多，而且是千變?nèi)f化的，某些只追隨單項(xiàng)2G技術(shù)，而其它的則嘗試包含多種技術(shù)。

寬帶CDMA(W-CDMA) 作為一種最有希望的新技術(shù)途徑，3G是將寬帶CDMA發(fā)送接口與GSM固定網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合而成。該網(wǎng)絡(luò)支持漫游，并在多于110個(gè)國家中，特別是在歐洲成為優(yōu)選。

W-CDMA 協(xié)議基于歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)(ETSI)的UMTS。此協(xié)議稱為UMTS地面無線接入(UTRA），它描述兩種操作模式：頻分多路(FDD)和時(shí)分多路(TDD）。在第一種模式中，每一物理通道指定一個(gè)唯一的頻率／代碼。每一位要求能處理高數(shù)據(jù)速率服務(wù)的用戶可指定多個(gè)物理通道。上行通道相應(yīng)于一特定的載波頻率、一擴(kuò)展代碼和一相關(guān)相位(O或者π／2弧度），這意味著它可以容納多路信息流。

在所指定的擴(kuò)展代碼中有一個(gè)10ms的幀結(jié)構(gòu)，每個(gè)10ms幀劃分為16 個(gè)周期為625ms的時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙相應(yīng)于一功率控制周期（每秒鐘有1600次功率控制調(diào)節(jié)）。

FDD模式中下行幀結(jié)構(gòu)與上行是相同的，在其中用戶和通信信息在625ms的時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行時(shí)間多路復(fù)用。在上行和下行方向的擴(kuò)展代碼都具有從4改變到256的擴(kuò)展因子，其中擴(kuò)展因子反比于所需的數(shù)據(jù)速率。在一下行通道中發(fā)送的位速率超過最大允許值時(shí)，可以應(yīng)用相同的擴(kuò)展因子建立起幾路并行的連接。

TDD模式具有一個(gè)由16個(gè)時(shí)隙組成的10ms幀結(jié)構(gòu)，每個(gè)時(shí)隙625ms長。在10ms的幀內(nèi)可以設(shè)置多個(gè)交換點(diǎn)以容納非對(duì)稱的上行和下行電路。每個(gè)625ms的時(shí)隙以其自身獨(dú)特的代碼來擴(kuò)展。每個(gè)時(shí)隙內(nèi)可容納兩個(gè)或更多的625ms猝發(fā)信號(hào)，它們之間由其自身擴(kuò)展的代碼相區(qū)別。

CDMA2000技術(shù)的提交是為了保證在美國和韓國廣泛應(yīng)用的IS95系統(tǒng)的利益。所提出的系統(tǒng)發(fā)揮了當(dāng)前2G CDMA系統(tǒng)的全部功能以接受某些3G的特點(diǎn)。事實(shí)上，當(dāng)前的CDMAOne系統(tǒng)可以看成充分發(fā)展的3G CDMA 2000系統(tǒng)的窄帶版本。

UWC136技術(shù)，今天移動(dòng)世界中70%采用GSM技術(shù)。UWC136是一種純粹TDMA 標(biāo)準(zhǔn)并完全不包含CDMA成分的建議，它提供了在窄至1MHz的頻帶內(nèi)應(yīng)用先進(jìn)特點(diǎn)的性能。UMC136之重要還因?yàn)樗硪粭l先進(jìn)移動(dòng)電話系統(tǒng)（AMPS)和2G IS136技術(shù)的創(chuàng)新路徑。除了GSM外，世界上AMPS手機(jī)比任何其它手機(jī)都要多。此3G技術(shù)可提供較其2G產(chǎn)品更高的數(shù)據(jù)速率，支持非對(duì)稱的上行和下行通道以及對(duì)可供選擇數(shù)據(jù)包的支持。重要的是去理解這些技術(shù)將在何處、何時(shí)和如何開發(fā)應(yīng)用。

為了理解3G無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、實(shí)施和維護(hù)中的各種挑戰(zhàn)，必須熟悉無線網(wǎng)絡(luò)的壽命周期。

無線數(shù)據(jù)應(yīng)用已經(jīng)由不同的標(biāo)準(zhǔn)文本加以定義。對(duì)每一主要發(fā)送接口提出單獨(dú)的移植戰(zhàn)略使事情進(jìn)一步復(fù)雜化。當(dāng)注意到細(xì)節(jié)時(shí)很容易忘記基本原則。其真諦在于，即使所采用的技術(shù)十分復(fù)雜，工程師們的目的仍應(yīng)保持不變：無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)必須提供用戶要求的覆蓋面、質(zhì)量和容量。設(shè)計(jì)工程師需要有靈活的方法對(duì)任何數(shù)據(jù)應(yīng)用設(shè)計(jì)出模型以回答下列問題：

需要應(yīng)用多少基站來支持特定的無線應(yīng)用？應(yīng)在何處部署資源？無線應(yīng)用如何影響語音通信的服務(wù)質(zhì)量(QoS)？容量將受到怎樣的影響？采用像GPRS或EDGE這樣的2.5G過渡技術(shù)有無意義？

在GSM和TDMA世界，GPRS理論上可提供170kb/s的最大速率，盡管限制GPRS終端可將猝發(fā)速率限制為43kb/s。平均吞吐量甚至?xí)?，所發(fā)表的商業(yè)服務(wù)估計(jì)值僅為28～43kb/s。EDGE比GPRS更進(jìn)一步，將數(shù)據(jù)速率的最大理論值提高為384kb/s，盡管其平均數(shù)據(jù)速率可能低于128kb/s。這表示對(duì)GPRS的重大改進(jìn)，使其適合于某些高帶寬的商務(wù)應(yīng)用。但是，較高的數(shù)據(jù)速率增加了調(diào)制的復(fù)雜性，從而減少了信號(hào)范圍并大大增加了投資。

對(duì)于像CDMA2000和W-CDMA這樣的3G技術(shù)，允許其猝發(fā)速率的理論值高達(dá)2Mb/s，能夠支持如移動(dòng)視頻會(huì)議等多媒體應(yīng)用。然而，2Mb/s的數(shù)據(jù)速率只是在同一個(gè)建筑物的范圍內(nèi)才是可能的，并需要用戶保持在距基站小于150英尺的固定位置。在這樣的條件下，3G無線技術(shù)就將與無線局域網(wǎng)(WLAN)技術(shù)相匹敵。

無線數(shù)據(jù)思想代表當(dāng)前移動(dòng)通信向高數(shù)據(jù)速率應(yīng)用和全球化接入概念發(fā)展。此概念提供了Internet會(huì)話、視頻電話、電子郵件、文件傳送、視頻會(huì)議及許多其它應(yīng)用：固定、低移動(dòng)性和移動(dòng)無線接入。的確，供應(yīng)商已經(jīng)在大力吹噓其手機(jī)的豐富功能，這使得工程師們急于去開發(fā)能支持這些應(yīng)用而又能保持語音能力和質(zhì)量的產(chǎn)品。

當(dāng)運(yùn)營商安排數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)覆蓋在現(xiàn)有的語音網(wǎng)絡(luò)上時(shí)，他們將會(huì)注意到帶有高數(shù)據(jù)速率的混合型手機(jī)的出現(xiàn)，勢必會(huì)使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的基本噪聲電平升高，從而出現(xiàn)覆蓋缺口。

對(duì)典型移動(dòng)數(shù)據(jù)包應(yīng)用的QoS需要是各種各樣的(例如考慮實(shí)時(shí)多媒體、Internet瀏覽和電子郵件）。對(duì)不同類別QoS的支持可以在各部分中加以說明，這是十分重要的。

當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)上絕大多數(shù)通信流量是以語音為基礎(chǔ)的。大多數(shù)無線運(yùn)營商提供有限的低吞吐率數(shù)據(jù)服務(wù)，而且用途相對(duì)小。因此，運(yùn)營商只是根據(jù)對(duì)單獨(dú)語音傳輸所提出的需要設(shè)計(jì)他們當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)。

對(duì)無線數(shù)據(jù)服務(wù)的需求預(yù)期是很高而迫切的。高需求將迫使運(yùn)營商在設(shè)計(jì)其網(wǎng)絡(luò)時(shí)要考慮數(shù)據(jù)傳送。迫切需要?jiǎng)t造成在涉及數(shù)據(jù)有關(guān)協(xié)議時(shí)難免使用對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)進(jìn)行修補(bǔ)的方法。

為了在無線網(wǎng)絡(luò)上提供高數(shù)據(jù)速率服務(wù)，運(yùn)營商需要提供附加的網(wǎng)絡(luò)投資，對(duì)于3G此項(xiàng)投資是相當(dāng)大的。需要仔細(xì)規(guī)劃各方面增加的要求，在資源有限的條件下運(yùn)營商必須在其現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)中找出額外的容量。由于干擾會(huì)直接影響數(shù)據(jù)傳輸速率，運(yùn)營商應(yīng)采用嚴(yán)格的干擾管理以控制數(shù)據(jù)服務(wù)的質(zhì)量。應(yīng)用復(fù)雜的RF設(shè)計(jì)工具和自動(dòng)的頻率設(shè)計(jì)工具，運(yùn)營商能夠從現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)中擠出更多的容量而不必急于大量投資于基礎(chǔ)設(shè)施的改進(jìn)。

網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商在發(fā)展3G網(wǎng)絡(luò)時(shí)應(yīng)以下列三條作為基本出發(fā)點(diǎn)：

首先，用戶要求新的服務(wù)去提高其企業(yè)的生產(chǎn)率，以及新的應(yīng)用以改善其市場競爭能力；

其次，新的服務(wù)需要新的網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)的電話網(wǎng)絡(luò)費(fèi)時(shí)100年才達(dá)到目前能很好處理語音通信的境界，寬帶革命僅僅才開始。在過去20年里通信公司花費(fèi)了超過了一萬億美元去支持語音通信量穩(wěn)健而緩慢的增長，人們期望在下一個(gè)十年里至少花費(fèi)同樣多的資金去支持下一代語音和數(shù)據(jù)服務(wù)的需求；

最后，通信公司應(yīng)迅速作出投資的抉擇，或者等待新的投資而駐足不前，那就等于坐以待斃，或者全力追逐新一代的技術(shù)，進(jìn)入通信新世界。

從80年代后期所謂“便攜式”的無線電話（要放在提包內(nèi)的裝有粗大天線和笨重電池的設(shè)備）到今天我們能方便地插在衣服上的無線電話，我們已經(jīng)經(jīng)歷了很長的一段路程?；仡櫾缦葧r(shí)候，我們?cè)?jīng)十分滿足于借助那樣龐大而笨重的設(shè)備在一個(gè)有限的通話范圍內(nèi)與友人進(jìn)行交談。今天，比較起來已成為在此數(shù)字時(shí)代中必不可少的電子器件也變得如此細(xì)小以至幾乎看不見了。只有電話上斷續(xù)的?？诋?dāng)聲或者傳呼機(jī)的唧唧聲才表現(xiàn)出一個(gè)人是連接著無線網(wǎng)絡(luò)。而且，即使這些可聽見的指示也會(huì)變成無聲。

但是，便攜式無線器件的最佳性能尚未出臺(tái)。你能否想像，當(dāng)你攜帶連接至網(wǎng)上能向你不斷更新關(guān)于訂座和旅行狀況的對(duì)話程序的第4代(4G)無線終端乘坐飛機(jī)、汽車或者火車旅行的情景嗎？同時(shí)，它又能在你通過入住登記柜臺(tái)時(shí)從你的旅行帳戶中扣去費(fèi)用，并在你登上飛機(jī)、租用汽車和進(jìn)入火車時(shí)進(jìn)行安全檢查?；蛘呖梢韵胂瘢?dāng)你徒步穿過熱帶森林時(shí)，將4G無線圖形終端電話用作你的現(xiàn)場向?qū)?，?zhǔn)確指出危險(xiǎn)動(dòng)物和有毒植物的位置。又或者你正在與商務(wù)客戶的電視會(huì)議通話中，當(dāng)你正在位于加勒比海中間的游輪甲板上講話時(shí)，你是否想從你家中的服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)來文件？

基于以上論點(diǎn)。采用4G無線系統(tǒng)，你能夠隨時(shí)隨地與任何人聯(lián)系，訪問任何信息并以任何貨幣進(jìn)行交易。

在我們離開以上描述的想像的（但確是即將來臨的)4G世界而回到近期的3G世界時(shí)，十分明顯，無線電話可能已經(jīng)令我們中的某些人感到失望了。已經(jīng)整整七年了，我們一直等待著能將語音與多媒體和聲頻應(yīng)用結(jié)合在一起的無線電話。我們希望能下載所喜愛的歌曲，或者與300英里外的朋友同看一場電影。但是，最高為2兆位／秒的3G數(shù)據(jù)速率可能不足以處理多媒體在質(zhì)量、清晰度和速度方面的需求。還有，我們還要求在去歐洲、日本、中國、澳大利亞或南美洲旅行時(shí)能夠使用3G電話?？上?，從一個(gè)國家到另一個(gè)國家其無線標(biāo)準(zhǔn)的極大變化可能使得你的電話在穿過外國邊界時(shí)變得毫無用處。

千里之行始于足下，通往4G的道路也不例外。此旅程中極為激動(dòng)人心的事乃是有基于嵌入式DSP的解決方案為我們一路上排憂解難，為了使蜂窩式數(shù)據(jù)速率的能力從384Kb／s擴(kuò)大到20Mb／s，工業(yè)界正在對(duì)軟件無線電、寬帶收發(fā)器和功率放大器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。而且，當(dāng)我們把一種示范的正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)應(yīng)用于下載聲頻和視頻數(shù)據(jù)流時(shí)，已經(jīng)產(chǎn)生了令人鼓舞的結(jié)果。將所有這些先進(jìn)的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)都用來與DSP核心技術(shù)中的進(jìn)展結(jié)合在一起，就會(huì)使我們把3G無縫地轉(zhuǎn)移到4G的能力指數(shù)般地增加。

許多主要的DSP供應(yīng)商正在發(fā)展新的DSP結(jié)構(gòu)，并在三個(gè)大家關(guān)注的領(lǐng)域中突破半導(dǎo)體物理的壁壘：高性能、代碼量及效率、功耗。DSP器件的時(shí)鐘速度將大于3GHz從而很快接近每秒進(jìn)行幾百億次的運(yùn)算。

究竟為什么要求這些性能水平呢？推動(dòng)力乃是對(duì)高數(shù)據(jù)速率協(xié)議的處理和篩選、多媒體的視頻和語音處理，以及多重通道和安全性的網(wǎng)絡(luò)功能等。如果我們將注意力保持在此發(fā)展方向上，4G的數(shù)據(jù)率達(dá)到10兆位／秒將是有把握的事情。

軟件將越來越成為4G無線系統(tǒng)發(fā)展的推動(dòng)器。因此，代碼量及效率直接關(guān)系到器件的成本和及時(shí)推出市場的收益。顯而易見，3G系統(tǒng)所需要的代碼量將十倍于今天2G系統(tǒng)的典型使用量。如果摩爾定律生效，則我們能夠設(shè)想4G系統(tǒng)將需要100倍于今天系統(tǒng)的代碼量以容納自適應(yīng)及可伸縮的收發(fā)器系統(tǒng)，多重調(diào)制方案及無線頻率，以及許多必須各自對(duì)語音、視頻、數(shù)據(jù)和安全性進(jìn)行同時(shí)處理的通道。能做所有這些工作而只消耗盡可能少的功率，又不犧牲性能和質(zhì)量，這將允許無線終端能連續(xù)使用數(shù)天而無須充電。

但是由于這些技術(shù)進(jìn)展沒有哪一種是憑空產(chǎn)生的，無線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際改進(jìn)需要非常實(shí)在的資金投入。困難的任務(wù)在于確定有多少工業(yè)資源應(yīng)當(dāng)用到下列三個(gè)方面：

(1)將當(dāng)前的3G技術(shù)推向市場;

(2)對(duì)能跨越至4G網(wǎng)絡(luò)的研究開發(fā)注入資金;

(3)開發(fā)4G技術(shù)所需的基本設(shè)施和工藝過程。

均衡這三方面的財(cái)務(wù)需求應(yīng)既不妨礙當(dāng)前的競爭而又能同時(shí)安排一家公司從事未來的開發(fā)，這就需要能做出至關(guān)重要的戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略決策。按照適當(dāng)?shù)囊?guī)劃，集中各方面組織者的力量把語音、多媒體、聲頻、數(shù)據(jù)和全球定位技術(shù)融合為一便攜式電子器件，它的可能應(yīng)用將產(chǎn)生巨大的財(cái)務(wù)回報(bào)。■