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从1G到5G 通讯产业变迁史回顾

2017-01-11 10:04:44 来源:

际标准说穿了是一种政治操作的过程,背后涉及庞大的利益;若欲占有一席之地,在技术开发的初期就必须参与很多国际标准组织,比如3GPP、3GPP2便是各国与厂商为求利益分羹而出现的组织。

然而技术发展的速度飞快,在通讯业尤其可怖,企业所赖以维生的专利可能眨眼间便天翻地覆。若一个通信标准想要长久维持,就必须持续在这项核心技术深耕、之后的通讯标准也得是该核心技术的延伸,比如WCDMA随后演进出Release 99、3.5G的HSDPA、3.75G的HSUPA,基本上CDMA的技术框架没有改变。而高通CDMA后续演进出的1x EV-DO,于2001年被接受为3G技术标准之一。

从1G到5G,不能错过的通信标准变迁史回顾

高通领军人有出版通讯圣经《通讯工程原理》的Irwin Jacobs、与Viterbi演算法开发者Andrew Viterbi,创办人身为通讯学术界巨擘、企业又握有大量的专利,本来照这样发展下去CDMA或许有可能一路称霸到4G,可惜事与愿违。半途中有一号人物,杀进市场将一切计画打乱,这个逆袭者叫Intel。

Intel的逆袭– WiMax

还记得我们提过电信业者竞标4G频谱的情形吗? 1980年代以前,美国所有的无线设备都得经过频谱授权;后来美国通讯委员会(FCC)将标准放宽,仅限于发射功率较大、容易产生信号干扰的无线装置需经过频谱授权,其他低发发射功率的设备可以使用未授权频谱。而FCC后来释出的未授权频谱中,就包括了现在最主要的Wi-Fi频段:2.4GHz和5.8GHz,都是未用于通讯的频段。

这些频段早期无人重视、直到 电机电子计算机协会(IEEE)开始进行短程无线传输的研究。WiFi设备在IEEE的规定下发射功率不能超过100 mW,实际的发射功率可能也就在60到70 mW。

为了能让各家厂商能根据同一个标准制作出兼容的设备、让通讯器材能有互通性,1999年,IEEE分别推出了“802.11b”与“802.11a”两种WiFi标准、分别使用2.4GHz和5GHz的频段,彼此规格不相容。

2003年,IEEE藉由无线通讯界的展频技术── 正交频分复用(OFDM),推出了802.11b的改进版“802.11g”使传输速度从原先的11Mbps提升至54Mbps。现在我们使用的WiFi规格主要为“802.11n”,与802.11a、802.11b、802.11g皆可相容,且藉由 多重输入多重输出(MIMO) 技术,使传输速度及距离都有所提升、速度甚至可达600Mbps。

这边来介绍一下OFDM与MIMO这两个不仅在电脑188金宝搏亚洲登录欢迎您 业、随后也在通讯业引起轩然大波的关键技术。

OFDM –解决多重路径干扰、频谱效率更高、可结合MIMO

讯号从传送端发射、经由传输通道到达接收端的传送过程中,会遭遇到各种不同的阻隔物,使得电磁波产生穿透、反射、折射、散射以及绕射等作用;当讯号到达接收端时,原本一个讯号将变成多个不同路径的入射讯号,每一个入射讯号到达时的时间、强度、角度等均不相同。讯号经过不同的路径抵达接收端后,接收端收到的讯号通常已与原始讯号不同,这种现象称之为 多重路径干扰。在都会区或住宅区因为高楼林立、有着许多物体妨碍,因此比起空况的郊区或公园,会受到较严重的多重路径干扰。

为了避免多重路径干扰,通讯专家们统计出一个频宽范围,确定讯号传输时只要在此频宽范围内,波形便不会失真;这个频宽范围称为“同调频宽”。当传输速率越高时、同调频宽也会越小,意味着越容易受到多重路径干扰。如何在维持高速率传输(同调频宽小)的条件下、对抗多重路径干扰的问题呢?

OFDM的方法相当聪明,它将原本的一段大频宽的信号切割成多个小频宽再分别传输,这样就算同调频宽变小也不会有影响。

还记得我们在通讯业的基本名词介绍中提到,所谓的“载波”意指把人声等低频讯号转成高频率的电磁波,等传递到远方另一支通讯设备时,再由电磁波转回人声的方法。OFDM 技术将无线通信传输信号分割成了多个子载波进行传输,每个子载波仅仅携带了很小一部分的资料负载,有效解决了多重路径干扰。

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不仅能将一段频宽切割成小频宽再传输出去,OFDM所需的总频宽也较小。“频谱效率”指每单位频宽具有多少数据传输率(bps),也就是说如何让每单位频宽的电磁波能传送更多的0 和1 数位讯号。OFDM允许各个子载波部分交叠,使频谱的利用效率更高、让资料传输量更大。

除此之外,OFDM更能支援MIMO技术。MIMO (Multiple-Input Multiple-Output)意思是多输入多输出,使用多组发射天线与多组接收天线的系统。藉由让通道使用不同的训练讯号,由于每组发射器所使用的训练讯号都不一样,可轻易辨认每个讯号的来源。

相对于SISO (Single-Input Single-Output, 单一输入和单一输出)只能使用一组发射天线和一组接收天线,MIMO能在不需要增加频宽、或总发送功率耗损(transmit power expenditure)的情况下,大幅地增加系统的资料吞吐量及传送距离。

有了MIMO-OFDM两者技术的结合,WiFi取得了极大的成功;随着版图不断扩大,IT业的巨头开始觊觎起其他的无线通讯技术的市场大饼,比如行动通讯的3G与4G。

WiFi标准是IEEE 802.11,IT巨头进军通讯业的标准是802.16 ,称作“WiMax”。2005年,Intel和Nokia、Motorola共同宣布采用并发展802.16标准,进行行动装置、网路设备的互通性测试。

有Intel领头的WiMax来势汹汹,通讯产业这边却是起家欢乐几家愁。OFDM说起来也不是新技术,早在1960年

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