4G背后的驅動力和技術變革

　　摘要：隨著智能通信設備在全球范圍內被廣泛應用，用戶對于網絡性能的要求也隨之水漲船高。更高的帶寬以及網絡容量成為全球運營商們成為當下用戶對4G網絡提出的新要求。本文通過分析無線網絡背后的三大推動力引出從技術層面4G甚至未來的無線網絡發展需要突破的五大技術挑戰。

　　關鍵詞：4GM2M小基站遠程射頻MIMO香農定律

　　1. 引言：“G” 主題變奏曲

　　從最初的調頻無線電話，也就是俗稱的大哥大，到現在幾乎人手一臺的智能手機或者平板電腦，每當手中的通信設備更新換代之時，用戶對移動網絡又提出了新的要求。從最初的通話，收發短信，演變到后來的彩信，以及現在由智能手機帶來的各種強大操作應用，全球用戶對移動網絡不斷升級的渴望促使它一次又一次邁入了一個新的時代。

　　回顧過去，直到20世紀70年代初，美國電話電報公司AT&T的貝爾實驗室才提出蜂窩電話網絡的概念，但在過去40年內，這一技術卻呈幾何級數的增長。隨著移動技術逐步融入人們的日常生活，該技術在很大程度上受到了用戶需求的推動而不斷演進。

　　近年來，隨著智能手機在全球范圍內的日益普及，運營商們再次面臨著開發全新網絡協議的挑戰，以便擴大覆蓋范圍、增加容量及提高服務質量。像蘋果iPhone各代產品的推出，在全球幾乎所有市場內引發了人們對于網絡需求的峰值，促使網絡架構師們努力爭取更多寬帶及容量和效率。

　　這一發展直接導致了4G服務目前在全球的亮相。4G是第四代移動通信及其技術的簡稱。4GLTE系統能夠以100Mbps的速度下載，比撥號上網快50倍，上傳的速度也能達到50Mbps，并能夠滿足幾乎所有用戶對于無線服務的要求。很明顯，4G有著不可比擬的優越性。運營商們已開始關注利用LTE-AdvancedLTE v12網絡擴展自身的能力，顯而易見，數據目前已成為許多手機用戶的優先事項。而值得注意的是，4G移動網絡就是主要針對數據設計的首項技術。

　　2. 無線網絡演進背后的三大驅動力

　　比爾·蓋茨BillGates曾經說過一句話（也可能是別人杜撰的），“640K（內存）對所有人來說都應該夠用了”。這一示例充分說明了準確預測技術發展前景的難度，移動網絡的演進也不例外。

　　在康普看來，盡管移動網絡的演進難以預測，但對于即將到來的4G或者是未來的5G甚至更遠的發展，仍然可以通過對其發展背后的驅動力和相關技術進行分析，或許還能從此前的發展歷程中吸取經驗教訓。

　　用戶需求

　　用戶需求將持續成為網絡演進的主要驅動因素，與此同時，更為精密的移動設備的出現也是因素之一。

　　用戶數據需求的持續增加永遠無法被忽視。因特網用戶的數量預計將在2015年前達到27億人，占世界總人口超過40%。[i]隨著數據服務在最終用戶日常生活中的重要性日益提高，以及視頻和手機游戲等高帶寬應用受歡迎程度的日益提高，運營商們必將著眼于發展能為用戶提供支持的相關網絡。

　　部署新服務可以開辟新的收入流，有助于改善運營商的平均每位用戶收入ARPU。許多消費者都愿意為出色的數據體驗支付額外費用。埃森哲Accenture最近開展的一項市場調研的結果也顯示，目前有69%的因特網訪問量都是通過移動設備進行的。運營商對新服務商業的需求將持續推動未來網絡的發展，例如它們會向用戶提供直接到手機的相關活動，如足球賽或音樂會的現場直播服務，如果用戶選擇欣賞，它們可以收取一次性費用。

　　很明顯，隨著高清顯示屏、統一通信和視頻會議的出現，新移動設備將推動網絡提供帶寬更高的內容。與此同時，手機錢包服務等其他項目也將成為手機設備不可分割的組成部分，這可能產生對新網絡協議以及安全措施等不可預測的需求。

　　機器的崛起

　　從歷史角度來看，用戶需求是始終推動移動運營商提供更高容量和更廣覆蓋范圍的網絡的驅動力。然而，這一情況馬上就要發生變化了，因為未來移動網絡面臨的最大壓力是來自機器對機器通信M2M的壓力。

　　這一技術趨勢在發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“聯網式”設備以及“物聯網”。無論其專門用語如何，這一技術的功能都是相同的，即允許各種設備共享數據，而無需人為干預。目前，這一技術還可用于將任何類型的遠程機器或設備連接至關鍵信息系統，并收集現場實時信息，從而提高效率，降低成本，推出新服務并獲得競爭優勢。此外，公用事業儀表、標記、照相機、遠程傳感器、筆記本電腦和家用電器等豐富多樣的設備也可以連接起來，為各種新用途提供支持并提高效率。

　　盡管單個聯網設備本身并不能夠傳輸大量數據，但長期看來，每個用戶卻可能擁有數十甚至數百臺聯網設備。過去一年來，歐洲市場上聯網設備的數量飆升了60%，Gartner也認為M2M市場將維持每年30-40%的增速，[iii]這在很大程度上正是由于M2M的崛起，移動數據流量預計將在2011-2016年間增加十倍。

　　因此，新一代移動網絡不僅僅需要根據更大的容量需求進行調整，而且還必須解決多用戶環境的問題。新一代網絡必須支持用戶要求的各種服務，而且還必須滿足M2M以及聯網設備產生的“大數據”的需求。其面臨的至關重要的挑戰是在無處不在的網絡中排好不同類型流量的優先次序，例如人到人、人到機器、機器到機器、應急傳輸等等。

　　智慧城市

　　今后10年內，隨著各種組織逐漸意識到M2M在收入流和客戶滿意度提高方面蘊含的未知潛力，我們預計M2M應用領域將出現重大突破。電力公司已經開始推廣智能電表，它們可以向中央數據庫發送有關家用和商用電量消耗的實時信息。同樣，汽車公司也正在推廣聯網汽車，為車輛監控和救援、事故通知及定位等服務提供支持。然而，這些設備的推廣還只是開始。等完成這些設備的全面部署后，它們的潛能才得到充分發揮。例如，萬能智能電表可以讓電力公司根據需求智能匹配發電量，在降低成本和提高效率的同時改善相關服務，這就產生了“智能電網”。

　　在今后十年內，單個行業中發生的此類革命將日益常見，而且可能被視為規模更大的“智慧城市”變遷的組成部分。從本質上而言，這一術語預示著智能信息與通信技術的融合，旨在提高各種城市系統和服務的效率和效能。代表性技術在未來將強化城市智能和城市連通性，包括智能電表、傳感器網絡、光纜和無線通信網絡、以及能夠為城市服務提供數據分析的軟件以及大量其他硬件和軟件組件。這將對移動網絡產生巨大影響。據預測，對智慧城市技術基礎設施的投資總額將在2010-2020年間達到1080億美元。[v]

　　那么，為滿足用戶、M2M和大數據的需求，網絡中將出現哪些技術？

　　3．五大技術革新

　　提高頻譜靈敏性的技術

　　從歷史角度來看，每一代移動網絡都會被指定一個新頻段以及每頻道更寬的頻譜帶寬。然而，在4G網絡推出后，目前新頻段以及更大的頻道帶寬已經幾乎沒有空間。由于頻譜的不足，我們認為提高頻譜的靈敏性將在未來的網絡發展中發揮重要作用。換句話說，即通過網絡智能調整，利用免費或低成本頻譜的網絡，軟件層負責對網絡硬件進行控制，積極將傳輸頻率切換至最寬松的頻譜。這將使得運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境中也毫不遜色。

　　MIMO多輸入多輸出技術

　　MIMO（多輸入多輸出）技術將成為提高LTE及更先進網絡蜂窩站點的頻譜效率的一個至關重要的工具。通過使用蜂窩站點以及用戶手機上的多個天線，MIMO可以提高容量以及其他方面的網絡性能。為了雙向收發信號，基站天線常常使用雙極化陣列。運營商們目前正在評估再添加一個雙極化陣列、從而確保四向收發信號甚至長期八向收發信號的相關增益。

　　MIMO可在不增加帶寬或傳輸功率的情況下，顯著提升數據吞吐量和鏈路范圍。兩股不同的信息流將使用兩個單獨的天線或相同天線的兩個不同極化，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數的增加）。在通過兩個天線傳輸相同信息流的情況下，相同的技術也可用于提高鏈路可靠性，創建可以應對衰減或其他類型干擾的分集路徑。

　　遠程射頻拉遠技術的部署

　　第一代網絡的架構是將基站放在機房內，因而是被置于一個受到保護的環境中。遠程射頻拉遠技術RRH的發展是其中一項重大的技術進步，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，但靠近實際的基站天線安裝更有助于減少系統的損耗，而且提高信號強度成為可能。但為此需要付出的代價是：由于天線總是位于站點的最高點，鑒于現場嚴苛的環境以及站點維護和在塔頂進行維修的費用，靠近安裝的RRH本身會帶來新的風險。此外，為了承受更重的重量及風阻，可能還需要對許多站點進行重新設計。這可能會導致租賃費等某些運營費用的增加。

　　目前業內出現的一個發展趨勢是：將RRH和基站天線集成至統一的物理實體。這一距離上的優勢可以減少損耗，產生更高的效率，顯著節省電力、空間并降低風阻。然而，盡管部署更靈活的綜合性解決方案具有潛在的收益，但他們的維護要求通常也更為復雜。萬一發生硬件故障，就更有可能發生時間更長的網絡停機。例如，如果某集成式天線中的無線電設備失靈，運營商就必須先從塔架上拆下整個組件，然后才能進行維修。而在傳統塔架上，運營商無需處理天線，只要把無線電設備拆走并進行維修即可。

　　站點獲取和小基站

　　從移動網絡開始發展至今，站點獲取一直是運營商們面對的一個主要問題。考慮到城市環境以及發射塔能夠提供的空間比較有限，這一問題有可能還要持續下去。“小基站”已經成為業內頻繁使用、但卻也經常被誤解的一個術語。它的基本原則很簡單。但顯而易見的是，網絡容量需求將超出當前的架構限制，而且需要采取新方法。僅僅添加更多蜂窩的做法已經達到了飽和狀態，因此需要新創意。因此，我們預計今后蜂窩站點的組件將出現更小、集成水平更高的趨勢，以便部署更能創收的設備。

　　提高信噪比——香農定律Shannon

　　從移動網絡的所有技術發展可以看出，可能保持恒定不變的因素只有一個——提高信噪比SNR，較高的信噪比可以確保提供穩健的數據服務。過去十年來，這一比率的重要性日益增加，全球范圍內對移動數據的偏好也沒有減弱的跡象。

　　香農定律描述了任何系統實現其最大理論容量可能受到的限制，其原因在于系統存在噪聲或干擾。今天3G、LTE和LTEAdvanced網絡使用的最新無線電技術被成為“噪聲受限系統”，如果說射頻路徑沒有噪聲限制的話，它們就可以實現最大容量。

　　實際上，這一考量確實非常重要，來自市場研究公司RysavyResearch的彼得·瑞塞維PeterRysavy早在2005年首批在其公開發表的其中一篇技術論文中，就對此進行了很好的總結：“未來技術進步的焦點應放在改善系統性能方面，此類改善工作應能夠改進系統中的精密信噪比，或實現其最大化。””[vi]在這一點上，運營商必須專注于通過新技術、精雕細琢的傳輸方式以及網絡優化等手段，確保射頻路徑擁有高性噪比。我們可以確信的一件事是，對于移動網絡來說，今后的市場將更復雜，空域也會更擁擠；下一代或今后的網絡如果想取得成功，穩健且經過精心設計的基礎設施的作用將至為重要。


來源：CCTIME飛象網 作 者：Morgan Kurk,康普無線網絡高級副總裁

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