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移动信息技术的无限演进

自1890年特思拉(Tesla)为无线通讯奠定了理论基础,被誉为无线电之父的马可尼(Marconi) 在1894年第一次将无线信号传输到两英里外,移动技术给人类社会带来极大的变革。当移动与互联网相结合后,移动信息技术成为信息通讯技术发展的主要驱动力。无线网络和各种不同类型的移动信息终端,为人们提供了广阔的移动交互的空间,并已经成为普及与流行的生活、工作方式。

移动信息技术的爆炸性增长,也推动了企业信息化技术的转型升级。在未来的服务业和新兴技术产业之中,会借助移动信息技术产生什么新的技术变革?物联网、移动终端、AR/VR技术在未来的移动信息时代,会有什么突破性的进展?移动的信息化还将如何进行演进?温故而知新,下面就让我们通过对移动信息技术发展历史的梳理,展望一下未来移动信息可能会为人们的生产、生活带来什么新的变化。

从模拟中走来 第一代移动通信系统(1G)

1976年美国摩托罗拉公司的工程师马丁·库珀首先将无线电应用于移动电话。同年,国际无线电大会批准了800/900 MHz频段用于移动电话的频率分配方案。在此之后一直到20世纪80年代中期,许多国家都开始建设基于频分复用技术(FDMA,Frequency Division Multiple Access)和模拟调制技术的第一代移动通信系统(1G,1st Generation)。

移动信息技术的无限演进

由于采用的是模拟技术,1G系统的容量十分有限。此外,安全性和干扰也存在较大的问题。1G系统的先天不足,使得它无法真正大规模普及和应用,价格更是非常昂贵,成为当时的一种奢侈品和财富的象征。与此同时,不同国家的各自为政也使得1G的技术标准各不相同,即只有“国家标准”,没有“国际标准”,国际漫游成为一个突出的问题。这些缺点都随着第二代移动通信系统的到来得到了很大的改善。

数字化的曙光 第二代移动通信系统(2G)

在九十年代,全球移动通信系统【GSM(Global System for Mobile Communication)】的出现,使得无线通讯的信令和语音信道完成了由模拟向数字的转变。

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与GSM采用的“时分多址(TDMA)技术”相对应还有一个“码分多址(CDMA)技术”。时分多址技术是让若干个地球通信站共同使用一个信道。但是占用的时间不同,所以相互之间不会干扰。但是信道的利用效率并不很高,无法容纳过多用户。码分多址是每个地球站都被分配有一个独特的“码序列”,通过不同编码将不同用户信息进行融离。因此在同一信道内,采用CDMA技术可以比时分多址方式容纳更多的用户。

数字化的转变,使得手机不在仅是通话设备,同时还具备的信息传输的能力。数字化的手机不但可以进行语音通讯,还具备了收发短消息的能力。但短消息的信息传输能力十分低下,最大70个汉字的传输能力仅相当于以太网中一个数据包所能容纳的数据量。

1993年,高通向业界证明了CDMA能够提供TCP/IP协议服务。自此,移动信息化的大幕开始正式拉开。

移动信息技术的无限演进

然而移动信息化技术发展的道路并非一帆风顺。无论是基于CDMA还是GSM的2G移动通信网络,最高传输速率仅为9.6kbit/s,实在难以满足数据业务的应用需求。

因此,高通在CDMA技术的基础上,发展出了最高传输速率为307.2Kbps的CDMA1X,而GSM也相应的推出了最高传输速率可以达到171.2Kbps的GPRS。

移动网络传输速率的提升,推出了新移动应用的产生。于是“彩信”出现了。由于现在应用中的移动网络传输性能还非常有限,只能满足些数据量不高的纯文本文档和分辨率极低的小尺寸图片的数据传输工作。“彩信”也只能局限于收发一些分辨率不高的图片和信息量并不太多的新闻类文字,比如“新闻早晚报”。

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随着移动电话的普及,用纸笔写信的信息传输方式逐淅开始被语音和短消息取代了。而新闻传播的报纸也开始被基于“彩信”的新闻早晚报所替换。

2G网络十分有限的网络传输带宽,自然无法满足移动信息化大潮下网络应用的需求。虽然提供一些简单的收发电子邮件和Web浏览应用,但使用的用户始终有限。因此,第三代移动通信系统(3G)很快就被提上了日程。

步入成熟 第三代移动通信系统(3G)

美国CDMA2000、中国TD-SCDMA、欧洲WCDMA,从这世界3G技术的三大主流标准中,我们已经可以看出,CDMA技术已经成为3G技术的根本原理。而执掌着CDMA技术的高通,也由一个“小公司”成长为了世界500强。

成长起来的高通,持续在3G技术领域发力。由技术许可获得的资金被更多的投入到了通信领域的新技术开发之中。现如今高通拥有约13万件专利,包括正在申请的专利及已经获得授权的专利。这些专利不仅涵盖蜂窝技术领域,同时也包括连接、成像、射频、电源、软件、安全和多媒体等领域。

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AGPS技术(辅助全球卫星定位系统)、手机摄像头、“飞行模式”、“锁屏”功能,以及早在苹果10年之前,高通已经在建议苹果将无线通讯功能放进苹果当时的掌上电脑之中……

在高通和其它众多通信企业的共同努力之下,3G移动网络的高带宽与智能手机的多种移动应用功能终于碰撞出了灿烂的火花。苹果与谷歌相继发布了IOS与安卓手机操作系统。各种适用于智能手机与平板电脑的APP应用也像雨后春笋般迅速出现。

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在移动应用飞速发展的同时,3G移动网络的传输速率开始变得捉襟见肘。CDMA 2000(EVDO RA)3.1Mbps、TD-SCDMA2.8Mbps、WCDMA14.4Mbps的下行速率很难满足越来越多图片、视频类应用的使用需求。在3G移动网络技术提出后不久,4G移动网络建设很快就被提上了日程。

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爆炸性发展 第四代移动通信系统(4G)

和3G技术利用同一无线网络提供语音和数据通讯不同,在第四代的移动通信网络中,是以IP为基础的核心网络架构,4G的语音信息也是通过数据的形式进行传输。换句话说,4G网络是一个全数据移动通讯网络。

目前的4G网络是以LTE技术为主。LTE(Long Term Evolution,长期演进)是由3GPP(The 3rd Generation Partnership Project,第三代合作伙伴计划)组织制定的UMTS(Universal Mobile Telecommunications System,通用移动通信系统)技术标准的长期演进,于2004年12月在3GPP多伦多会议上正式立项并启动。

LTE系统引入了OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交频分复用)和MIMO(Multi-Input & Multi-Output,多输入多输出)等关键技术,显著增加了频谱效率和数据传输速率(20M带宽2X2MIMO在64QAM情况下,理论下行最大传输速率为201Mbps,除去信令开销后大概为150Mbps,但根据实际组网以及终端能力限制,一般认为下行峰值速率为100Mbps,上行为50Mbps),并支持多种带宽分配:1.4MHz,3MHz,5MHz,10MHz,15MHz和20MHz等,且支持全球主流2G/3G频段和一些新增频段,因而频谱分配更加灵活,系统容量和覆盖也显著提升。

LTE系统网络架构更加扁平化简单化,减少了网络节点和系统复杂度,从而减小了系统时延,也降低了网络部署和维护成本。LTE系统支持与其他3GPP系统互操作。根据双工方式不同LTE系统分为FDD-LTE(Frequency Division Duplexing)和TDD-LTE (Time Division Duplexing),二者技术的主要区别在于空口的物理层上(像帧结构、时分设计、同步等)。FDD系统空口上下行采用成对的频段接收和发送数据,而TDD系统上下行则使用相同的频段在不同的时隙上传输。

移动信息技术的无限演进

如果说3G时代是移动通信系统功能发展期的话,在第四代移动通信时代,就是传输能力的爆发期。

通过下面这个LTE Cat(LTE网络传输速率等级)表格,我们可以看到LTE数据传输速率的爆炸性增长:

类型

下行/上行最大数据速率(最高上行调制方式)

对上行64QAM的支持UE,多天线接收/发送

Cat1

10.3/5.2 Mbps(16QAM)

2*1

Cat2

51.0/25.5 Mbps(16QAM)

2*2

Cat3

102.0/51.0 Mbps(16QAM)

2*2

Cat4

150.8/51.0 Mbps(16QAM)

2*2

Cat5

299.6/75.4 Mbps(16QAM)

4*4

Cat6

301.5/51.0 Mbps(16QAM)

4*2

Cat7

301.5/102.0 Mbps(16QAM)

4*2

……

2016年2月,高通发布了骁龙X16调制解调器,已经可以提供LTE Cat16的1Gbps网速;2017年1月,高通、Telstra、爱立信和NETGEAR已经在澳大利亚悉尼推出全球首个商用千兆级LTE网络及终端。

2017年2月,高通在千兆级LTE发展的基础上再一次加强自身优势,推出第二代千兆级LTE调制解调器——基于10纳米FinFET制程工艺打造的骁龙X20 LTE芯片组,能带来最高达1.2Gbps的LTE Cat18下载速度,与前代产品相比实现了20%的下载速度提升。

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4G移动网络带宽的提升,直接推动了面向消费者类(2C)的移动应用发展。企业业务开始向着移动信息化的方向进行转型。

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面向未来 第五代移动信息系统(5G)

未来的第五代移动信息系统可以做些什么?从高通在2017年国际消费电子展(CES 2017)上推出其最新的顶级移动平台——集成X16 LTE的高通骁龙835处理器的应用展示中可以看出端倪:

骁龙835旨在为顶级系列的消费与企业级终端提供下一代娱乐体验和联网云服务支持,这些终端包括智能手机、VR/AR头显设备、联网摄像头、平板电脑、移动PC以及其他终端。这些终端运行各种操作系统,包括Android和能够支持传统的Win32应用的Windows 10系统。

但是要想支撑这些新的移动应用形式,还需要利用5G来克服当前移动数据传输能力不足的问题:当前基于4G+的技术,支持LTE Cat16、甚至Cat18的调制解调器已经可以提供1 Gbps到1.2 Gbps的下载速率。但是在目前4G网络实际应用中,却还很难达到这样的下载速率。

这种情况,和当前无线传输的干路网络带宽不足有很大关系。打个比方:在一条高速公路上开车,车少的时候,哪个车发功机功率强劲,就可以跑得更快,但如果遇到春运,所有车都上了高速,再好的发动机也要一点点的磨着向前走。在国内具有海量的4G移动网络用户,而网络传输带宽毕竟有限。此时,即便基于4G和4G+的调制解调器可提供带宽再高,也难以满足海量用户的数据传输需求。

向5G的不断演进,最需要解决的就是这个“路”的问题。而解决的方法就是利用SDN技术的控制与转发分离——很多车在同一条路上跑,难免会产生拥塞。每辆车都会建立一条自己通向目的地的车道,干路传输的是控制这些“车辆”道路的信息时,行车的道路自然也会得到无限的拓展。

基于5G技术会产生什么全新的网络应用,目前还只是初现端倪。云计算、大数据、物联网、人工智能与5G相结合后,还会再碰撞出什么新的火花,目前还有待观察。但是延着移动通信系统发展的足迹,我们可以摸清一些未来移动网络发展的脉络——未来必然会有更加多样化的移动通信网络终端产品出现,将家电、汽车、道路、城市与人们的工作和生活更加紧密的连接到一起,移动信息时代也将向着无限的未来继续演进。

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