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5G背后的激流暗涌

2019年6月3日 15:23  硬核财经  

1987年,广东为了与港澳实现移动通信接轨,率先建设了模拟移动电话系统。广东邮电局从国外引进了一百台“大哥大”手机,在广州六运会上开通并正式商用。

那个时代,中国做不了移动通信系统,固网设备也全靠进口,分别来自7个国家和8种制式的机型,形成了“七国八制“的格局。

这一年,43岁的任正非在深圳的一间简易房里创办了华为,做电话交换机(PBX)的销售代理,只能赚点小钱;从MIT辞职的犹太人教授欧文·雅各布创办高通也才两年,在一家比萨店的楼上租了一间办公室,他们主推的CDMA技术无人问津,日子同样过得紧张。

这时世界电信巨头有十几家之多,像美国的摩托罗拉、朗讯,欧洲的诺基亚、爱立信、阿尔卡特,加拿大的北方电讯,日本的富士通、NEC等。当时没人能够想到,后起之秀高通和华为将在5G之争中扮演主角。

1973年,摩托罗拉工程师马丁·库珀发明了世界上第一台移动电话。但是移动电话制造出来了,要如何规划网络?AT&T公司的贝尔实验室给出了答案,那就是蜂窝网络。

在蜂窝网络中,每一个地理范围都有多个基站,这些基站以蜂窝的形状排列,并受一个移动电话交换机的控制。

在这个区域内任何地点,移动电话都可经由无线信道和交换机接入公共交换电话网(PSTN),同时,在两个或多个移动交换机之间,只要制式相同,还可以进行自动和半自动转接,从而扩大移动电话的活动范围。

蜂窝网络

蜂窝网络

1978年,贝尔实验室基于蜂窝网络概念研制成功了先进移动电话系统(AMPS,Advanced Mobile Phone System),这就是第一代移动通信系统(1G)。5年后,这套系统在芝加哥正式投入商用。

积极跟进1G的还有日本、北欧、德国、法国、意大利、加拿大等国,他们建设了各自的移动通信网络。

1985年,英国建设了频段在900MHz的全接入通信系统(TACS,Total Access Communications System),它实际上是美国AMPS的修改版本,主要是频段、频道间隔、频偏、信令速率不同,其他完全一致。

1G时代的王者非摩托罗拉莫属,它不仅垄断了移动电话市。一故茿MPS系统的设备供应商。

马丁·库珀和摩托罗拉移动电话

马丁·库珀和摩托罗拉移动电话

摩托罗拉在全球攻城略地,也意味着第一代移动通信标准把持在美国人手里,全球超过70个国家应用AMPS标准,英国的TACS标准也在近30个国家和地区使用,其中就包括中国。

但是1G系统先天不足,由于采用落后的模拟和频分复用(FDMA)技术,存在容量有限、系统太多、系统不兼容、通话质量差、易被窃听、设备昂贵、无法全球漫游等众多缺点。

从1G发展到2G,为了提高通话质量,业界提出用数字通信替代模拟通信,提升容量主要有两种解决方案,时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA),当时欧洲和美国几乎所有的电信巨头都选择了TDMA,只有刚成立的高通在坚持CDMA。

1G所采用的FDMA技术,一个用户在通话时占用一个信道。TDMA则可实现在单个信道内服务多个用户的能力,它将无线信道分成8个时隙,供8个用户得轮流使用,从而提升了容量。

各国在TDMA上达成共识,接下来就要讨论标准,这时欧洲各国吸取了1G时代各自为政的失败教训,1982年欧盟联合成立了GSM负责通信标准的研究,爱立信、诺基亚、西门子和阿尔卡特等电信巨头都加入了进来。

最初GSM是法语移动专家组的缩写,后来这一缩写含义被改为全球移动通信系统(Global System for Mobile communications),以此彰显欧洲人将GSM标准推广到全球的雄心。

在欧洲已经统一标准之时,美国业界开展了CDMA和TDMA的技术之争,讨论究竟哪一种技术更有优势,结果这两种技术分别被不同的运营商采用,一个国家搞出了三个标准。

当时美国有众多模拟AMPS的存量用户,所以并没有采用欧洲的GSM网络,AT&T只是在AMPS中应用了TMDA技术,每个信道的容量从1提升到了3,但与GSM仍有不小差距。

1989年CDMA就被证明能够支持10倍以上的AMPS系统的容量,但是CDMA系统标准成熟得晚,1994年才开始商用,此时欧洲主要国家的GSM渗透率已达80%,国际化程度非常高。

1995年,中国移动采用GSM技术建设了2G网络。中国联通随后也采用了GSM技术。

时任邮电部部长吴基传打通了中国第一个GSM电话

时任邮电部部长吴基传打通了中国第一个GSM电话

自1991年爱立信和诺基亚在欧洲大陆上架设了第一个GSM网络。短短十年内,全世界有162个国家建成了GSM网络,市场占有率高达75%。2G时代的美欧之争以欧洲的胜利告终。

欧洲的爱立信和诺基亚成为最大的受益者,在2G时代飞速发展成为全球领先的通信设备商和手机厂商。摩托罗拉因为在模拟手机上的固执以及铱星计划的破产,开始走向衰落,1997年在手机市场被诺基亚拉下神坛。

80年代初,麻省理工学院的犹太人教授欧文·雅各布翻出了尘封已久的CDMA技术。

CDMA并非一项全新的技术,其前身是好莱坞艳星海蒂·拉玛尔在1941年发明的“跳频技术”,一种扩大通讯容量并保密信息的方式。她为这项技术申请了专利,并将它无偿送给美国政府,希望对二战有所帮助。但是它并没有引起美国政府的重视,最终这项专利过期。

直到冷战时期,美国军方才将CDMA技术应用到军事通信上,以确保信息传输时不被苏联所窃取。

雅各布与CDMA的渊源就从这时候开始了,他和犹太人科学家安德鲁·维特比创办的通信公司Linkabit,负责承接这笔订单,为美国军方和航太局开发卫星通信和无线通信技术。

高通创始人

高通创始人

1980年,雅各布和维特比将Linkabit卖给同属通讯领域的M/A-COM公司,然后于1985年创办了高通(Qualcomm),意即高品质的通信(Quality Communications)。

不得不提的是,维特比在1967年发明维特比算法,用于在数字通信链路中解卷积以消除噪音。它使卷积码广泛用于信息和通信行业,不论GSM还是CDMA标准,亦或是3G、4G的信道编码技术采用的都是卷积码。

不过由于CDMA技术起步较晚,当时所有人的目光都集中在TDMA技术上,押宝给TDMA,在研发方面投入巨资,欧洲早早确立了GSM标准,美国电信工业协会也认可TDMA为第二代移动通信技术。

为了证明CDMA比GSM好用,高通可谓是煞费苦心,它花了数年时间进行实地实验、驱动测试以及行业演示,高通不仅要做标准,还要做芯片,还要做设备,还要做手机。

不得不说,高通确实是个狠角色,在CDMA上孤注一掷,当所有人的注意力还在TMDA上时,高通围绕着功率控制、同频复用、软切换等技术构建了专利墙,几乎申请了与CDMA应用所有的相关专利。

高通专利墙

高通专利墙

因为高通实现了CDMA的专利垄断,它的专利授权费自然不低,同时,高通还把CDMA的演算法嵌入集成芯片。其最大特点为整合信号的发送与接收、电源管理和数模转换等于单一芯片之上,即SoC芯片。

高通强制规定,使用高通SoC的手机厂商,在缴纳巨额授权费后,还必须缴纳相当于手机价格5%-10%的钱作为专利费,这在后来被称作“高通税”,也是后来高通被叫作“专利流氓”的根源。

但在当时高通的专利费根本没地方收,美国的运营商都不愿意采用尚未成熟的CDMA技术,更何况是在GSM上投入大量资源的欧洲,不过高通的前瞻性确实让人佩服。

1989年,高通向旧金山太平洋电话公司成功演示了CDMA技术的可行性。理论上,在使用相同频率资源的情况下,CDMA移动网比模拟网容量大20倍,实际使用中比模拟网大10倍,比GSM要大4-5倍。

CDMA优势明显

CDMA优势明显

这标志着高通的CDMA技术开始走向成熟,但距离真正的商业化尚有一段距离,当时美国的所有运营商都不愿做第一个吃螃蟹的人,高通只能在海外找小白鼠。

1994年,高通与摩托罗拉合作在香港建立起全球第一个CDMA网,但效果和服务质量都太差,全球其他运营商对CDMA失去信心,设备厂商也对CDMA技术半信半疑。

高通真正的机会实际上在韩国,1990年11月,高通和电子通信研究院(ETRI)签署有关CDMA技术转移协定。高通答应把每年在韩国收取专利费的20%交给韩国电子通信研究院、协助其研究,韩国政府也宣布CDMA为韩国唯一的2G移动通信标准,并全力支持韩国三星、LG等投入CDMA技术的商用化。

1996年11月,韩国的CDMA用户达到一百万,第一次向市场证明CDMA正式商用的可能性,让美国一些运营商及设备厂商对CDMA技术开始恢复信心,也让韩国厂商在CDMA市场上初露头角。

这之后,美国的朗讯、摩托罗拉,加拿大的北方电讯都成了高通的拥趸,CDMA在北美登堂入室,运营商Verizon是CDMA的最大支持者,1996年建成了美国第一个CDMA网络。CDMA终于成为与GSM分庭抗礼的2G移动通信标准,美国、加拿大、日本、韩国都是CDMA阵营。

美国还试图将CDMA推广到中国来,美国政府极力向中国推销,要求中国引进高通的CDMA技术。据原国家计委副主任张国宝回忆,“美国政府向中国施加了不小的压力,理由是说中国与美国之间有贸易逆差,要求中国买美国的技术。”

当时中国移动主要负责GSM网络,于是国家决定由中国联通承接从高通公司引进CDMA技术。

联通与高通签约现场

联通与高通签约现场

信产部让中国联通与高通谈专利授权,谈了很久很久,直到2001年才谈妥如何向高通“交税”的事情。几个月后,中国联通投资240亿元的CDMA移动通信网一期工程正式建成并在全国运营,这是高通第一次打入中国市场。

当时高通的CDMA技术已经从IS95(2G)演进到了1x(2.5G),而联通采用的是IS95技术,中兴作为唯一能够提供IS95设备的中国公司,赚了个盆满钵满。华为因为关闭了IS95,全力赌1x,结果在基站上输了个精光。

中国的3G牌照是在2009年发放的,但是在前十年欧洲就迫不及待迈向3G时代了,当时欧洲人坚定地认为:2G已经这么成功,3G也一定能成功!

90年代,随着全球手机用户快速增长,GSM网络容量有限的缺点不断被暴露,在网络用户过载时,就不得不构建更多的网络设施。在此背景下,必须要对通信技术进行升级,但在当时尚无一种技术被证明优于CDMA。

为了绕开高通的专利地雷,1998年,爱立信、诺基亚、阿尔卡特联合欧洲各国厂商成立了一个叫3GPP的组织,商讨应对措施。

当时3GPP搞了一个叫UMTS的3G标准,采用WCDMA技术,就是宽带CDMA的意思,等于说底层技术还是CDMA,依然绕不开高通的专利,专利费是交定了,只是多少的问题。

WCDMA核心技术

WCDMA核心技术

 1999年开始,欧洲国家基于WCDMA标准,发了不少3G牌照,单单英国通过拍卖5张3G执照而获得近225亿英镑收入。

WCDMA不断扩张自己的版图,这是高通不能容忍的,于是拉着美国一帮通信界大佬和国外的几个小弟成立了3GPP2,就是要和3GPP唱对台戏,高通主推的3G标准是CDMA2000。

这时候中国也想在3G上有一定的话语权,一是“七国八制”的历史教训,二是中兴、华为、巨龙、大唐这几家通讯设备商发展起来了,时任信产部部长吴基传将这四家并称为“巨大中华”。

其实一开始中国是支持WCDMA的,不过欧洲人觉得你用我的技术可以,但不可以多嘴,中国专家一开口就吃到了闭门羹。天无绝人之路,中国找到了一个突破口:TDD技术。

实际上,世界无线电通信大会(WRC)给3G分配的频率本身就有FDD(频分双工)和TDD(时分双工)两种。

欧洲的WCDMA就是基于FDD技术的,在相同频率相同功率的条件下,FDD比TDD能提供更好的覆盖,欧洲地广人。梢陨俳ㄒ恍┗荆∏。中国人口稠密,基站本来就建得多,所以不存在省钱的问题。

更重要的是,国外厂商关注TDD比较少,中国在TDD领域提自己的标准,成功的希望要大一些。

TDD在后来也被证明更适合中国人的使用习惯,FDD的上行和下行频率需要对称,而手机上网主要用的是下行频率,采用TDD技术可以将频率多分给下行,避免流量的浪费。

FDD和TDD比较

FDD和TDD比较

1998年6月,以大唐电信为主的研发团队提出了中国自己的TD-SCDMA标准。2000年5月,在国家信息产业部、中国移动和中国联通等运营商的强硬表态支持下,国际电信联盟(ITU)正式宣布将中国提交的TD-SCDMA,与欧洲主导的WCDMA、美国主导的CDMA2000并列为三大3G标准。

但在2000年下半年,IT泡沫破灭。前期投入巨大的3G项目无法暂停,沃达丰、法国电信、T-MOBILE等运营商背负了巨大的财务压力。当时法国电信陷入巨幅亏损,搞了严格的KPI和末尾淘汰,不少人因为业绩压力自杀了。

而高通的CDMA2000标准出来得晚一些,美国还没来得及在IT泡沫破灭之前发3G牌照,阴差阳错躲过一劫,直到2004年才开始大规模开展3G业务。

华为在3G上也是受尽折磨。实际上华为做移动通信已经非常晚了,1998年才启动GSM研发,不过发展速度很快,一年半之后就中标第一个GSM商用项目,当时趁着东南亚金融危机的影响,华为凭借比竞争对手低30%的价格,拿下了东南亚的大片市场。

当时中国与美国欧都已经制定了各自的3G标准,在GSM上赚到钱的华为对3G充满信心,投入大量人员和资金攻克3G技术。华为采取了三头下注的策略,对三个3G标准都进行了技术研发投入,给公司造成了很大的资金压力,华为迫切希望政府尽快发放3G牌照,哪个标准都行。

但是中国政府迟迟没有发放3G牌照,任正非带领孙亚芳一行人到北京拜访国家计委和信产部,请求尽快发放3G牌照,理由是现有的2G频率资源已经使用殆。匦刖】旆⒎3G牌照以满足手机用户迅速增加的需要。很可惜,当时国家计委和信产部的领导都没有同意。

两部委的领导认为,与其他两个3G标准相比,中国的TD-SCDMA是最薄弱的一个,没有芯片,没有手机,没有基站,没有仪器仪表,一切都要从基础做起。如果当时发放3G牌照,无疑将是WCDMA和CDMA2000的天下。

时任信产部副部长奚国华

时任信产部副部长奚国华

欧洲和中国是华为3G的主要目标市。笔敝泄挥信普崭悴涣耍分匏淙挥辛伺普眨侨鄙僦斩瞬啡门分薜3G推进缓慢。对当时的人们来说,3G多出来的网速根本用不上,打电话和发短信,GSM足够了。

唯一上量的业务,是用3G数据卡做便携机上网,数据卡因而销售火爆。当时华为改进了数据卡,在欧洲大受欢迎。但是卖数据卡赚的钱,和3G研发投入相比仍是杯水车薪,2008年任正非还动了卖掉终端业务的念头,只是金融危机突然来袭未能成行。

对高通来说,更多的是郁闷。尽管所有3G的技术,无论是WCDMA、CDMA2000还是TD-SCDMA都是基于CDMA技术,高通都可以收钱。但是那几年全球3G市场并没有做起来,收不到什么钱,而高通还要养着上千名律师。

3G时代的美国乱成了一锅粥。IT巨头Intel眼红高通在所有3G标准中都能收钱,于是拉着IBM、摩托罗拉、北方电讯,以及北美的一些运营商,搞了个WiMAX标准,相当于加强版的WiFi,从局域网扩大到城域网。

随着WiMAX实力壮大,ITU终于接纳它为第四个3G通信标准,北美的设备商、运营商都在WiMAX上投入了大量资金,北方电讯甚至将传统3G业务卖给阿尔卡特,全部资源砸向WiMAX。

在美国国内,CMDA和WiMAX就这样打起来了。但是CDMA成熟的产业链不是WiMAX能比的,当时要啥啥没有,网络设施跟不上,芯片供应跟不上,产业链发展严重不足,WiMAX的使用体验非常差。

WiMAX阵营开始瓦解,很快Intel解散WiMAX部门。最惨的要属北方电讯,当时分拆出售的摩托罗拉早已日薄西山,WiMAX只是它的最后一搏,北电不一样,明明可以坚持CDMA,却要在WiMAX上孤注一掷,最后落得破产的下场。

2007年之前,3G建设推进缓慢,而被欧美认为是落后技术的GSM在中国和其他发展中国家焕发了生机。

台湾联发科在2006年推出一套面向GSM手机的Turnkey(交钥匙)解决方案,他们将手机芯片和手机软件平台预先整合到一起,有了这套解交钥匙方案,任何厂商只要装上屏幕和电池,就可以生产手机。很快,山寨手机从华强北开始风靡到全国,为GSM打下了大片江山。

深圳华强北手机市场

深圳华强北手机市场

华为也在GSM上获得了巨大机遇,当年欧洲电信设备商集中精力搞WCDMA,中兴在大规模推广CDMA,这让华为在移动通信覆盖较低的亚非拉地区大展拳脚,用多年未变的老基站占领了不少市场。

见此形势,余承东当即把“UMTS和GSM行销部“的名字改成了“GSM和UMTS行销部”,调转枪头拼命卖GSM。海外GSM市场的成功布局,让华为成为那些发展最快的电信设备商,将同城竞争对手中兴远远抛在身后。

时间来到2007年,这一年发生的两件大事,重塑了全球电信行业格局。

第一件大事是金融危机的爆发,西方电信设备商遭遇当头棒喝,大幅亏损的朗讯卖身阿尔卡特,诺基亚和西门子的电信部门合并,加上北电破产、摩托罗拉分拆出售,那一年华为、中兴什么也没干,排名就上升好几位。

随着后来诺基亚收购阿尔卡特-朗讯,市场上就只剩下华为、爱立信、诺基亚、中兴、三星五家主要设备商,没有一家是美国的。

第二件大事是iPhone的横空出世,史蒂夫·乔布斯用IOS系统和iPhone手机这样的完美组合重新定义了智能手机。几乎在同一时间,Google发布了安卓系统,高通发布了第一代骁龙芯片。

世界上第一部iPhone

世界上第一部iPhone

iPhone的出现,首先重塑了终端市场的格局,把持全球手机市场十六年之久的诺基亚被拉下神坛,就在旦夕之间,曾经的手机大国日本彻底退出了终端市。庑┛杖倍荚谌蘸蟊恢泄趟畈。

而iPhone更深远的意义则在于,APP Store带动了移动互联网业务井喷,创业者用APP创造了丰富的内容和业务,人们对网速提升的需求一下子被引爆。经历了命途多舛的7年后,3G终于找到了它的归宿。

目光回到大洋彼岸的中国,中国移动在TD-SCDMA上的努力,为日后中国在移动通信标准制定时有更大的话语权,打下了坚实的基础。

2009年1月,工信部同时向三大运营商发放3G牌照,中国联通是WCDMA牌照,中国电信是CDMA2000牌照,实力最雄厚的中国移动拿到的是最不成熟的TD-SCDMA。

实际上,当年提出TD-SCDMA标准后,信产部就有意让实力最强的中国移动负责建设TD-SCDMA。这一过程中,中国移动经营上遇到很多困难,内部一些人也对应用TD-SCDMA技术产生动摇。

即使在拿到3G牌照后,中国移动依然心里打鼓,全球建设TD-SCDMA的只此一家,压力可想而知。但是没办法,只能硬着头皮上,眼睁睁看着不少优质客户都流失到了联通和电信。

不过站在国家大义的角度看,中国移动强推TD-SCDMA是值得的,2G时代中国移动比较依赖国外设备商,而从TD开始,中国企业渐渐成为了中国移动的主流供应商,展讯等芯片公司也成长了起来。

TD-SCDMA基站

TD-SCDMA基站

更重要的是,我们让西方人明白了一件事,如果在标准制定中不增加中国的话语权,中国完全有能力自己搞一个标准出来,到时候极有可能失去中国市场。因此,欧洲在制定4G标准时极力拉拢中国加入。

欧洲的4G标准是2004年12月在3GPP多伦多会议上正式立项并启动的,取名为LTE(Long Term Evolution,长期演进),顾名思义是UMTS技术标准的长期演进。引入OFDM和多天线MIMO等技术。

当时3G发展并不好,欧洲着急搞4G标准主要是受到了WiMAX的刺激。

WiMAX用的就是WiFi技术,2003年IEEE引入正交频分复用技术(OFDM),WiFi传输速度从原先的11Mbps提升至54Mbps。后来Intel搞WiMAX就用了OFDM技术,这个技术不但能有效消除多径干扰,复杂度也比CDMA小了很多,相较于CDMA更有优势。

OFDM并不是什么新技术,早在60年代贝尔实验室发明OFDM后,技术框架在80年代便已建立完成。但是中国与美国欧在制定3G标准时,OFDM的硬件还不成熟,便排除在3G标准之外。

如果Intel和 IT大厂没有在WiFi上将OFDM技术发扬光大,电信业没有一家会注意到早期不被重视的OFDM。由于WiMAX的关系,OFDM才又重新进入电信业和学术界的视野中。

所以欧洲在制定LTE标准时也采用了OFDM技术,若能有效将4G传输速率提升,又能绕过高通的CDMA专利地雷,是再好不过了。当然也看到了OFDM的发展前景,2005年就耗资六亿美元,战略性收购了专门研发OFDM技术的Flarion公司。

中国的积极性也很高,2005年6月在法国召开的3GPP会议上,大唐联合国内厂家,提出了基于OFDM的TDD演进模式的方案,同年11月,3GPP工作组会议通过了中国针对TD-SCDMA后续演进的LTE TDD技术提案。

LTE核心技术

LTE核心技术

随着中国的加入,LTE阵营如虎添翼,天平很快就倒向了欧洲这边。高通在2007年提出的CDMA2000的演进升级版本UMB(CDMA+OFDM+MIMO),由于没人支持而迅速式微,隔年高通就把UMB停掉、宣布加入3GPP的LTE阵营了。

2010年,Intel在WiMAX失败后,宣布将支持LTE技术,自此LTE标准一统江湖,虽然同时存在FDD和TDD两种方案,但实际上差别非常小。

2013年12月,工信部向三大运营商同时发放TD-LTE牌照,中国移动在TD上有先发优势,因此成了最大赢家,仅2014年就建设了50万个基站,逐渐形成了覆盖全国的TD-LTE网络。

华为在2012年中国移动TD-LTE招标中获得约25%的份额,仍是中国移动的第一大合作伙伴,这为华为在2013年营业收入超过爱立信打下了坚实的基础。

从3G到4G的过程中,最郁闷的就是美国了,摩托罗拉、朗讯、北电一下子全没了,就剩下了高通。4G时代,高通的专利封锁线也被毁掉了,不仅没竞争过老对手欧洲,而且眼睁睁地看着中国的崛起,美国人急需在5G时代扳回一城。

4G时代LTE一统江湖,3GPP2逐渐被边缘化,3GPP开始完全主导5G标准,中国与美国欧都要按照3GPP的要求来搞。

3GPP定的5G标准是峰值速率高达20Gbps,用户面时延要低至0.5ms(URLLC),峰值速率是LTE的20倍,时延是LTE的1/10。其中最难实现的是低时延,目前业界对于5G的攻克主要体现在速率上。

实现更高的速率主要有两种方法,其一是增加频谱利用率,其二是增加频谱带宽。

在2G到4G的发展过程中,从TDMA(时分多址)到CDMA(码分多址)再到OFDMA(正交频分多址),均增加了信道容量。但是到了5G,用的还是OFDM技术,所以容量的提升要大大增加频宽。

4G时代,中国移动TD-LTE的最高频率为2635MHz,频宽为130MHz,相比之下,3GPP将5G的频段分成了两个范围:FR1为450MHz-6000MHz,FR2为24250MHz-52600MHz,这显然不是一个量级的。

三大运营商频率分布

三大运营商频率分布

 5G频率如此之高,速率自然能够得到大幅度提升,但是根据“光速=波长×频率”公式,频率越高,波长就越短,5G波长可以短至毫米级,也就是我们说的毫米波,覆盖范围会比4G小得多。

再来说增加频谱利用率,主要通过信道编码技术来实现,这是“信息论之父”克劳德·香农在1948年提出的,同时他还提出了著名的香农极限,即在给定带宽上以一定质量可靠地传输信息的最大速率,信道编码技术可以实现无限接近但不能超过这一速率。

几十年来,信道编码技术经过几代人的努力,已经越来越接近香农极限。1991年法国人发明的Turbo码被认为是第一个接近香农极限的编码方案,1999年3GPP采用Turbo码作为3G UMTS系统的信道编码。

这时候,另一种信道编码技术LDPC码进入了学术界的视野,它是MIT的Robert Gallager在1962年的博士毕业论文中提出的。但是由于计算能力的不足,缺乏可行的译码算法,长时间被人们所忽略。

到了1996年,有研究表明,采用LDPC长码可以达到Turbo码的性能,随后学术界对LDPC投入了大量的关注,对编码矩阵构造、译码算法优化等关键技术展开研究。其中,高通公司对LDPC的发展有着不小的贡献。

近二十年来,LDPC码被广泛应用于深空探测,卫星和地面数字电视、WiFi、以及 HDD、SSD存储系统等,当年WiMAX也采用了LDPC码。

其实2006年在确立4G标准时,就有人提出了编码应该用LDPC码取代Turbo码,但是通信标准从来就不是技术之争,Turbo码是欧洲人提出的,在欧洲主导的4G标准中当然只能用Turbo码。

前两年在制定5G标准时,欧洲(主要是法电、爱立信)主张5G还用Turbo码。但在5G时代,Turbo解码复杂的缺点就暴露了出来,所以要选择解码速度快延时低的方案,降低对硬件要求,LDPC被认为是一个好的选择。

本来LDPC是5G编码的唯一选择,高通也可以借此扬眉吐气了,但是美国人没有想到的是,华为搞出了Polar码,被认为是迄今唯一能够达到香农极限的编码方法。

华为的Polar码在2007年由Erdal Arikan教授提出,这位土耳其人是Gallager在MIT的学生。Polar码兼具较低的编码和译码复杂度,其所能达到的纠错性能超过目前广泛使用的Turbo码、LDPC码。

Gallager(左)和Arikan(右)

Gallager(左)和Arikan(右)

 2009年,Arikan教授关于Polar码的论文在IEEE正式发表,开始引起通信领域的关注。那一年,华为开始5G研究,他们发现了Polar码有作为优秀信道编码技术的潜力。

从2010年开始,华为做了非常多的试验和试用研究,华为在2013年11月6日宣布将在2018年前投资6亿美元对5G的技术进行研发与创新,截至目前,华为5G基本专利数量占世界27%左右,排第一位。

其实中国与美国欧在编码上提出各自的方案,说白了就是专利之争,欧洲在Turbo码上专利最多,所以无论如何也要保住Turbo码,但是由于技术缺陷已经没什么竞争力。而高通和华为,虽然在LDPC码和Polar码都有技术积累,但是高通LDPC码专利更多,华为反之,所以支持哪个方案不难做出决定。

在这样的背景下,2016年3GPP召开了三次觉得5G编码的会议,中国与美国欧提出了各自的方案,果然Turbo码因为反对的人最多而最先被淘汰。在Turbo码彻底没戏后,欧洲公司开始站队LDPC码,原因是他们有更多的LDPC码专利,5G标准之争从中国与美国欧三国杀演变成了中国和美欧的对峙。

在3GPP的RAN1#86会议上,关于5G eMMB场景该采用何种数据信道编码方案,LDPC阵营和Polar阵营争的不可开交。

华为阵营vs高通阵营

华为阵营vs高通阵营高通阵营提出LDPC作为编码唯一方案,华为阵营提出Polar作为编码唯一方案,而欧洲提出的是LDPC+Turbo组合方案,实际上天平已经倒向LDPC了。高通和华为阵营互不妥协,这次会议什么也没讨论出来,只能择日再议。

几个月后,由中兴牵头提出了一个折中方案, 以数据信道数据块大小分为长码块和短码块,其中数据信道长码块用LDPC码,数据信道短码块用Polar码。这样一来,就已经注定了LDPC在长码上的胜利。

然后2016年11月RAN1#87会议讨论了数据信道的短码和控制信道编码用LDPC还是Polar,之前支持Turbo的欧洲阵营转头支持了LDPC,因此在数据信道短码上LDPC再下一城。

但是考虑到华为的强硬态度,高通阵营提议控制信道用Polar码的建议,经过激烈的争论,华为阵营同意短码用LDPC,控制信道用Polar码。自此,在5G eMBB场景上,Polar码和LDPC码二分天下。

5G的编码方案

5G的编码方案然而5G之争才刚刚开始,在5G的三大场景中只确定了eMBB场景的编码方案,URLLC、mMTC场景的标准仍待确定,最终鹿死谁手依然不好说。所以美国对中国的警惕一直没有放松,从1G到4G,美国、欧洲的利益从未如此统一过,面对强大的对手,美国、欧洲终于在5G时代站到了一起。

2018年2月,在巴塞罗那MWC上,华为面向全球正式发布首款5G商用芯片——巴龙5G01和5G商用终端——华为5G CPE。

这次高调亮相,彻底警醒了超级大国,美国向来对华为紧闭大门,而在去年,美国又开始要求澳大利亚、新西兰、德国、意大利、英国在内的盟友禁止购买华为的电信设备。

其中,澳大利亚和新西兰已经明确表态拒绝华为参与本国5G项目,英国电信(BT)也将华为排除在竞标供应5G核心网合同的名单之外,要知道欧洲可是华为的传统市场。

在这一系列的施压后,2018年华为在移动通信基础设施的全球份额上被爱立信反超,欧洲的5G项目几乎都被爱立信拿下。

爱立信反超华为

爱立信反超华为

但是今非昔比,华为的运营商业务保持稳定的同时,以手机为主的消费者业务开始扛起大旗,2018年华为消费者业务增长45%达到3489亿元,成为第一大业务,这在十年前是不可想象的。

于是,美国又瞄准华为的手机业务,高通、ARM、谷歌等重要供应商均表示中止与华为的合作,将在芯片和操作系统层面对华为造成打击。

但是华为的强大不得不令人佩服,在欧美阵营中没有一家公司有华为这样完整的产业链,高通做底层技术,华为能做,高通、英特尔做手机芯片,华为也做,爱立信、诺基亚做电信设备,华为又做,苹果、三星做终端,华为还做,苹果、谷歌做操作系统,华为继续做。

可惜华为毕竟只是一家企业,美国政府一句“安全问题”就可以让华为丧失大片市场。但是,5G不是华为、中兴一家两家企业的事,其实从2016年的那次标准之争开始,中国企业已经形成一股合力。

目前在5G标准立项并且通过的企业中,中国移动10项、华为8项、中兴2项、中国联通1项,中国合计21项,而美国的高通+Intel只有9项,除中国外的所有国家合计29项,中国已经占到40%以上。

电信设备商中兴和华为占到全球市场40%的份额,基站数量中国有绝对优势,三大运营商的4G基站超过350万个,总基站数超过640万个,而美国4G基站数不超过30万个,全世界加起来都没有中国多。

而且中国有强大的内销能力,占了全球近一半市。懦庵泄慕峁褪鞘ナ澜缟献畲蟮5G市场。更何况不管是哪个阵营,都有大量专利掌握在对方手中,相信没有人再愿意看到3G时代的混乱局面。

编 辑:王洪艳
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