無線技術的未來--3G及4G

無線技術正開始從以傳輸話音業務為主逐漸向基于寬帶無線網絡，可同時傳輸話音、影像、數據等多種業務。而且將更多的功能集成于一身的方向發展。那么，展望無線技術的未來，3G是否得以誕生，會不會從2G直接過渡到4G呢？

15年前移動電話還是一種昂貴奢侈品。而今天移動電話常常作為開拓市場和促銷產品的免費贈品了。移動電話在成為語音通信的主流媒體之后，正隨時準備承擔新的挑戰，向移動用戶傳送高速數據、視頻信號、多媒體信息以及語音信號。在各個行業中日益增長的移動勞動大軍促進了這一基本需要。據統計，在美國平均有15%的勞動大軍可歸之為移動的一類(至少20%的時間是在辦公室外工作的）。解決此挑戰所需的技術通稱之為第三代移動電話(3G）。

從消費觀點來看，需要更大語音容量以可靠地接納更多的電話呼叫、通過增加計費的使用分鐘（MOU)以產生更多的收益、高速數據服務(移動384kb/s,固定2Mb/s）以滿足日益增長的移動用戶群體的需要。企業局域網接入、無線Internet接入和全球漫游，所有這些都已經驅動現有2G網絡達到極限。所提出的3G技術將支持這些需要，任何3G技術的主要要求應包括：

語音質量可與公用交換電話網絡(PSTN)相比擬;對于乘機動車輛在大范圍快速運行的用戶,數據速率為144kb/s；對于站立不動或者在小范圍慢速移動的行人，數據速率為384kb/s；逐步達到支持2.048Mb/s運行的辦公室應用；支持數據包交換和電路交換兩者的數據服務；適用于大多數因特網通信高度非對稱特性的無線接口，其下行鏈路較之上行鏈路具有大得多的帶寬；使現行頻譜有更高效的利用率；支持種類繁多的移動設備(如電話、手機、PDA等）；可靈活引入新服務和新技術。

對開發3G的另一個重要動力是由于移動Internet激增所造成的對移動接入能力的要求。在美國和歐洲這兩個地區，研究表明移動電話的擁有者都希望成為Internet的用戶。鑒于目前75%訪問Internet的用戶都是在常規基礎上進行的，這表明具有接受移動數據服務的巨大潛力。理想上，3G應當隨時隨地提供無縫的個人通信服務。

從供應商的觀點來看，對移動數據的需求在某種程度上也可以說是由供應方面促成的。無論是傳統的網絡運營商還是網絡設備供應商，這兩方面人士都在開發移動接入以解決他們各自面臨的問題，讓公眾滿意并提供Internet對移動電話用戶的接入。

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(RTT)提交給國際電信聯盟(ITU）。在所有這些技術中除了數字增強無繩通信(DECT)和通用無線通信(UWC-136)外全部采用碼分多址(CDMA)作為發送接口，而DECT和UWC-136則是純粹時分多址(TDMA)協議。不同RTT的支持者們為把這些技術融合為統一的標準將會遇到極大的麻煩。這些技術已經集結在三種主要的現有2G標準周圍：TIA/EIA-136和GSM(皆基于TDMA的系統)以及IS95(基于CDMA的系統)。由于移動無線電的發展成果都關會影響到三種標準的融合，每一種RTT都可能或多或少地包含在最終標準中的融合技術內。

未來的發展途徑很多，而且是千變萬化的，某些只追隨單項2G技術，而其它的則嘗試包含多種技術。

寬帶CDMA(W-CDMA) 作為一種最有希望的新技術途徑，3G是將寬帶CDMA發送接口與GSM固定網絡相結合而成。該網絡支持漫游，并在多于110個國家中，特別是在歐洲成為優選。

W-CDMA 協議基于歐洲電信標準學會(ETSI)的UMTS。此協議稱為UMTS地面無線接入(UTRA），它描述兩種操作模式：頻分多路(FDD)和時分多路(TDD）。在第一種模式中，每一物理通道指定一個唯一的頻率／代碼。每一位要求能處理高數據速率服務的用戶可指定多個物理通道。上行通道相應于一特定的載波頻率、一擴展代碼和一相關相位(O或者π／2弧度），這意味著它可以容納多路信息流。

在所指定的擴展代碼中有一個10ms的幀結構，每個10ms幀劃分為16 個周期為625ms的時隙，每個時隙相應于一功率控制周期（每秒鐘有1600次功率控制調節）。

FDD模式中下行幀結構與上行是相同的，在其中用戶和通信信息在625ms的時隙內進行時間多路復用。在上行和下行方向的擴展代碼都具有從4改變到256的擴展因子，其中擴展因子反比于所需的數據速率。在一下行通道中發送的位速率超過最大允許值時，可以應用相同的擴展因子建立起幾路并行的連接。

TDD模式具有一個由16個時隙組成的10ms幀結構，每個時隙625ms長。在10ms的幀內可以設置多個交換點以容納非對稱的上行和下行電路。每個625ms的時隙以其自身獨特的代碼來擴展。每個時隙內可容納兩個或更多的625ms猝發信號，它們之間由其自身擴展的代碼相區別。

CDMA2000技術的提交是為了保證在美國和韓國廣泛應用的IS95系統的利益。所提出的系統發揮了當前2G CDMA系統的全部功能以接受某些3G的特點。事實上，當前的CDMAOne系統可以看成充分發展的3G CDMA 2000系統的窄帶版本。

UWC136技術，今天移動世界中70%采用GSM技術。UWC136是一種純粹TDMA 標準并完全不包含CDMA成分的建議，它提供了在窄至1MHz的頻帶內應用先進特點的性能。UMC136之重要還因為它代表一條先進移動電話系統（AMPS)和2G IS136技術的創新路徑。除了GSM外，世界上AMPS手機比任何其它手機都要多。此3G技術可提供較其2G產品更高的數據速率，支持非對稱的上行和下行通道以及對可供選擇數據包的支持。重要的是去理解這些技術將在何處、何時和如何開發應用。

為了理解3G無線網絡的設計、實施和維護中的各種挑戰，必須熟悉無線網絡的壽命周期。

無線數據應用已經由不同的標準文本加以定義。對每一主要發送接口提出單獨的移植戰略使事情進一步復雜化。當注意到細節時很容易忘記基本原則。其真諦在于，即使所采用的技術十分復雜，工程師們的目的仍應保持不變：無線數據網絡的設計必須提供用戶要求的覆蓋面、質量和容量。設計工程師需要有靈活的方法對任何數據應用設計出模型以回答下列問題：

需要應用多少基站來支持特定的無線應用？應在何處部署資源？無線應用如何影響語音通信的服務質量(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終端可將猝發速率限制為43kb/s。平均吞吐量甚至會更低，所發表的商業服務估計值僅為28～43kb/s。EDGE比GPRS更進一步，將數據速率的最大理論值提高為384kb/s，盡管其平均數據速率可能低于128kb/s。這表示對GPRS的重大改進，使其適合于某些高帶寬的商務應用。但是，較高的數據速率增加了調制的復雜性，從而減少了信號范圍并大大增加了投資。

對于像CDMA2000和W-CDMA這樣的3G技術，允許其猝發速率的理論值高達2Mb/s，能夠支持如移動視頻會議等多媒體應用。然而，2Mb/s的數據速率只是在同一個建筑物的范圍內才是可能的，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無線技術就將與無線局域網(WLAN)技術相匹敵。

無線數據思想代表當前移動通信向高數據速率應用和全球化接入概念發展。此概念提供了Internet會話、視頻電話、電子郵件、文件傳送、視頻會議及許多其它應用：固定、低移動性和移動無線接入。的確，供應商已經在大力吹噓其手機的豐富功能，這使得工程師們急于去開發能支持這些應用而又能保持語音能力和質量的產品。

當運營商安排數據網絡覆蓋在現有的語音網絡上時，他們將會注意到帶有高數據速率的混合型手機的出現，勢必會使整個網絡中的基本噪聲電平升高，從而出現覆蓋缺口。

對典型移動數據包應用的QoS需要是各種各樣的(例如考慮實時多媒體、Internet瀏覽和電子郵件）。對不同類別QoS的支持可以在各部分中加以說明，這是十分重要的。

當前無線網絡上絕大多數通信流量是以語音為基礎的。大多數無線運營商提供有限的低吞吐率數據服務，而且用途相對小。因此，運營商只是根據對單獨語音傳輸所提出的需要設計他們當前的網絡。

對無線數據服務的需求預期是很高而迫切的。高需求將迫使運營商在設計其網絡時要考慮數據傳送。迫切需要則造成在涉及數據有關協議時難免使用對當前系統進行修補的方法。

為了在無線網絡上提供高數據速率服務，運營商需要提供附加的網絡投資，對于3G此項投資是相當大的。需要仔細規劃各方面增加的要求，在資源有限的條件下運營商必須在其現存網絡中找出額外的容量。由于干擾會直接影響數據傳輸速率，運營商應采用嚴格的干擾管理以控制數據服務的質量。應用復雜的RF設計工具和自動的頻率設計工具，運營商能夠從現存網絡中擠出更多的容量而不必急于大量投資于基礎設施的改進。

網絡運營商在發展3G網絡時應以下列三條作為基本出發點：

首先，用戶要求新的服務去提高其企業的生產率，以及新的應用以改善其市場競爭能力；

其次，新的服務需要新的網絡。傳統的電話網絡費時100年才達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年里通信公司花費了超過了一萬億美元去支持語音通信量穩健而緩慢的增長，人們期望在下一個十年里至少花費同樣多的資金去支持下一代語音和數據服務的需求；

最后，通信公司應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，進入通信新世界。

從80年代后期所謂“便攜式”的無線電話（要放在提包內的裝有粗大天線和笨重電池的設備）到今天我們能方便地插在衣服上的無線電話，我們已經經歷了很長的一段路程。回顧早先時候，我們曾經十分滿足于借助那樣龐大而笨重的設備在一個有限的通話范圍內與友人進行交談。今天，比較起來已成為在此數字時代中必不可少的電子器件也變得如此細小以至幾乎看不見了。只有電話上斷續的叮口當聲或者傳呼機的唧唧聲才表現出一個人是連接著無線網絡。而且，即使這些可聽見的指示也會變成無聲。

但是，便攜式無線器件的最佳性能尚未出臺。你能否想像，當你攜帶連接至網上能向你不斷更新關于訂座和旅行狀況的對話程序的第4代(4G)無線終端乘坐飛機、汽車或者火車旅行的情景嗎？同時，它又能在你通過入住登記柜臺時從你的旅行帳戶中扣去費用，并在你登上飛機、租用汽車和進入火車時進行安全檢查。或者可以想像，當你徒步穿過熱帶森林時，將4G無線圖形終端電話用作你的現場向導，準確指出危險動物和有毒植物的位置。又或者你正在與商務客戶的電視會議通話中，當你正在位于加勒比海中間的游輪甲板上講話時，你是否想從你家中的服務器轉發來文件？

基于以上論點。采用4G無線系統，你能夠隨時隨地與任何人聯系，訪問任何信息并以任何貨幣進行交易。

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，十分明顯，無線電話可能已經令我們中的某些人感到失望了。已經整整七年了，我們一直等待著能將語音與多媒體和聲頻應用結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數據速率可能不足以處理多媒體在質量、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能夠使用3G電話。可惜，從一個國家到另一個國家其無線標準的極大變化可能使得你的電話在穿過外國邊界時變得毫無用處。

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，為了使蜂窩式數據速率的能力從384Kb／s擴大到20Mb／s，工業界正在對軟件無線電、寬帶收發器和功率放大器進行實驗。而且，當我們把一種示范的正交頻分復用(OFDM)技術應用于下載聲頻和視頻數據流時，已經產生了令人鼓舞的結果。將所有這些先進的無線網絡設計都用來與DSP核心技術中的進展結合在一起，就會使我們把3G無縫地轉移到4G的能力指數般地增加。

許多主要的DSP供應商正在發展新的DSP結構，并在三個大家關注的領域中突破半導體物理的壁壘：高性能、代碼量及效率、功耗。DSP器件的時鐘速度將大于3GHz從而很快接近每秒進行幾百億次的運算。

究竟為什么要求這些性能水平呢？推動力乃是對高數據速率協議的處理和篩選、多媒體的視頻和語音處理，以及多重通道和安全性的網絡功能等。如果我們將注意力保持在此發展方向上，4G的數據率達到10兆位／秒將是有把握的事情。

軟件將越來越成為4G無線系統發展的推動器。因此，代碼量及效率直接關系到器件的成本和及時推出市場的收益。顯而易見，3G系統所需要的代碼量將十倍于今天2G系統的典型使用量。如果摩爾定律生效，則我們能夠設想4G系統將需要100倍于今天系統的代碼量以容納自適應及可伸縮的收發器系統，多重調制方案及無線頻率，以及許多必須各自對語音、視頻、數據和安全性進行同時處理的通道。能做所有這些工作而只消耗盡可能少的功率，又不犧牲性能和質量，這將允許無線終端能連續使用數天而無須充電。

但是由于這些技術進展沒有哪一種是憑空產生的，無線網絡的實際改進需要非常實在的資金投入。困難的任務在于確定有多少工業資源應當用到下列三個方面：

(1)將當前的3G技術推向市場;

(2)對能跨越至4G網絡的研究開發注入資金;

(3)開發4G技術所需的基本設施和工藝過程。

均衡這三方面的財務需求應既不妨礙當前的競爭而又能同時安排一家公司從事未來的開發，這就需要能做出至關重要的戰術和戰略決策。按照適當的規劃，集中各方面組織者的力量把語音、多媒體、聲頻、數據和全球定位技術融合為一便攜式電子器件，它的可能應用將產生巨大的財務回報。■