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从移动网络的进化,看高通如何赋能5G

半导体行业观察 ·2017-11-06 09:11·半导体行业观察
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从过去十年智能手机和移动互联网产业的发展可以看,整个世界的消费、服务和娱乐方式在无线移动网络的一代代演变中被彻底改变。按照高通工程技术副总裁范明熙博士的观点,这一切都是技术进化的必然结果。


他表示,每一代移动技术的演进都会伴随着两个趋势:第一,更高的速率或更高的容量。它能够将更多的用户连接进网络,或者可以带来不同数量级的无线连接速率的增加;第二,每一代无线通信技术都能够开创新的领域和新的行业。


现在,我们正站立在5G的新风口。世界将会怎样转变?我们又将面临怎样的新机遇?需要怎样的技术支持?日前作者在与高通工程技术副总裁范明熙与的一场交谈后,获得了一些答案。


高通工程技术副总裁


从1G到4G,世界是怎样被改变的

范明熙博士表示,从时间概念上讲,无线通信行业基本上在每十年会进行一次更新换代。这就指导着技术从1G、2G、3G演变到现在4G,推动连接质量和连接速度的提高和覆盖范围的扩展,人与人的连接也基本都实现了。而“造成”这些结果的原因在于:我们在做技术研发的时候,往往会试图将技术研发的成果最大化,以使研发成果能够影响更多的人。范明熙博士强调。从他的亲身经历描述中,我们看到了过去几十年的网络进化全景图:


据介绍,第一代网络是模拟技术,模拟技术虽然可以用来打语音电话,但是通话质量不高,这是由于在模拟技术下每个基站可以接进的用户数量十分有限,并且是用电磁波来分离用户。现在回看,这种通信效果是不被接受,但当时的创新带来的震撼,是无法描述的。而曾经的移动设备巨头摩托罗拉就是从这个时代开始奠定自己的位置。


到了第二代无线通信技术,我们就可以把电磁波的信号转换成数字信号,而数字处理的优势在于我们可以用电脑处理数字的方式来处理语音,所以第二代无线通信技术使得容量相较之前有了很大提升。


正是由于我们可以通过电脑传输数据和语音,第二代通信技术在用户容量上也有了很大提升,达到了第一代的4-10倍,比如说用CDMA技术可使用户容量提升10倍,同时也可以实现简单数字及短讯息等数据的传输,甚至可以实现上网,但是其速率不高,最多到每秒153K或300K的传输速率。


在这个时代,正是移动设备大批量爆发的年代,人与人的连接开始初具规模。无论是使用GSM网络或者CDMA网络,全球各地的人都可以通过一个手机好吗每时每刻连接到对方,最重要一点是,当时一百几十K的网络开始展现出其巨大的潜力。


3G时代的降临,则意味着数字移动网络进入了一个新的阶段。


这时候移动网络速度从k级上升到M级别(第一代3G的峰值速率是2.4Mb/s,而后又达到了3M/s、5M/s、10M/s左右),移动互联网正式爆发。


范博士指出,这些都是在技术的演进中实现的。他表示,从EVDO(CDMA2000 1xEV-DO,是CDMA2000 1x演进(3G)的一条路径的一个阶段)开始,到UMTS(Universal Mobile Telecommunications System,通用移动通信系统,UMTS是一个完整的3G移动通信技术标准)和HSPA(High-Speed Packet Access,高速分组接入),我们在速率传输时加入了如Hybrid-ARQ(混合自动重传请求)、CQI(Channel Quality Indicator信道质量指示)等技术,一步步提升了3G的速率。


而依赖于集成电路的发展,芯片处理速度的提升,使得第四代移动通信带宽从前一代的1.25M提升到了10M,这个提升让4G的峰值速率便从几兆上升到百兆。从范博士的介绍中我们得知,第一代LTE的峰值速率是150M 2×2 MIMO,300M  4×4MIMO,峰值速率又提高了。


“由于峰值速率提高了,平均速率也有了提升,我们在小区的边缘都可以达到几兆甚至十几兆的平均速率。于是在4G时代,一个关键应用就产生了——移动视频。国外的数据显示,手机端65%-70%的数据量产自于移动视频,所以移动视频是4G时代一个非常重要的标志”,范明熙博士强调。


在这个演变过程中,成立于1985的高通在数字通信网络的发展中功不可没。按照范明熙博士所说,这主要源自于技术人员的一种单纯的想法。他表示:“我们在做技术研发的时候,往往会试图将技术研发的成果最大化,以使研发成果能够影响更多的人”。面对即将到了的5G,高通也做好了准备。


5G:划时代的移动网络从新定义应用

总结1G到4G的移动网络宗旨,那就是更好的连接人和人,到了5G时代,要做的就是连接万物。范明熙博士表示,进入了5G时代,由于毫米波、MIMO、载波聚合的引入,移动网络速度将会进入到Gbps时代,这时候给应用带来的创新支持是以前所不敢想象的。而具体的应用场景主要体现在以下几个方面:


首先是增强移动宽带带来的转变。


新的5G带来的不亚于有线光纤的速度,让终端开发者可以大胆开发新型的终端设备。例如VR等极具沉浸感体验的产品。在高速无线网络的支持下,这种体验带来的颠覆性感受是前所未有的。当然这只是其中的一个方面,更多的场景需要开发者来创新实现


其次是关键业务型服务,无人驾驶汽车就是这个类别的典型应用。


无人驾驶汽车是近年来最火热的话题之一,但有些读者不明白,装满了摄像头,激光雷达和各种传感器的汽车是怎样确保安全的。根据范明熙博士所说,这与5G也是密不可分的。


他表示,配置有传感器、激光雷达等设备的电动汽车之所以会出车祸,是因为当它在行驶时,车上的摄像头、激光雷达没能对对面驶来的白色轿车做出快速的反应,于是发生了事故。今天我们的智能驾驶技术只发展到了第三层级(Level-3),而真正完全实现自由的智能驾驶则需要达到第五层级(Level-5),并且在发展过程中也需要无线通信技术的辅助,比如,如果在刚才的场景中,另一辆车能够及时的发出显示即将发生碰撞的信号那么就可以避免事故的发生。而这个信号与普通需要时间处理的信号所不同的是,它需要毫秒级的时延,以便车子可以在瞬间进行情况处理。5G的空口设计可以提供毫秒级的时延,所以5G的架构会比今天4G的更加可靠。


再次是万物互联,也就是将所有的物体都连接到一起,这同样也是5G的专长所在。


从范博士的介绍中我们得知,万物互联的挑战体现在两个方面,第一是在终端方面,终端不仅要低成本,在低成本之外还需要非常理想的待机时间,我们期望的是一旦装置安装成功,就可以几年内不需要更换电池,所以待机时间是很大的挑战。第二个挑战是网络的容量,如果网络里有上亿或上百万、上千万的小装置收发信号,那么就可能造成网络容量不够,所以需要更宽的带宽。


通过5G技术,传一个比特的信号时间会比LTE短很多,在LTE技术下可能需要8-10毫秒,而5G只需要1毫秒,这就使得设备开关时间大大缩短。而设备待机时间跟开关时间关系密切,开关的时间越短、工作周期越短,待机时间就越长,所以5G可以为设备带来更长的待机时间。


第二在容量方面,在今天的LTE技术下,如果接入大量物联网设备,可能会碰到的瓶颈在于物联网设备都要在网络中占用一定的固定资源,因为LTE使用的是OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,正交频分多址),每一个用户进入网络的时候都要占用固定的频谱和时间资源,频谱和时间资源一旦用完,新的技术就接不进来。而在5G里,当不同的用户接进物联网的频谱资源时,虽然会占据相应的时间和空间,但是它还会有自己的特定码,不同的用户可以通过不同的码复用同一个频率和时间资源。此项技术不是在3GPP的第一代R15标准中,而是在R16,甚至在R17才能实现。


除此以外,我们现在所追逐的人工智能,也离不开5G的支持。


现在的人工智能训练基本都是在云端完成,端数据采集后需要到云端去匹配、训练、更新,再往回传送,这样的情况下会对用户体验产生一定的影响。


在5G之后,连接会变得非常畅通。因此,无论是在云端还是终端进行处理,这都不再是一个技术瓶颈,而可以将它作为商业模式来考虑。如此一来,提供的服务也将更加顺畅。这就是5G在人工智能方面非常关键的因素:连接间的反馈时间缩短、质量提高、速率变快。


由此看来,5G是未来科技社会发展的关键。


高通如何赋能5G?

而为了更好地迎接5G时代的到来,高通一早就开始投入,布局其中。这首先体现在技术方面,因为这是基础。按照范明熙博士介绍,高通投入的技术包括以下几个方面:


第一,OFDM。OFDM就是基于4G LTE。在5G中,我们所讲的可扩展的OFDM参数,指我们如何将LTE的OFDM参数通过增加样本进行改进,使得样本量变高。而我们为什么要这么做呢?因为5G的带宽变宽。今天LTE的带宽约为20兆,LTE的每一个子载波是15KHz,所以FFT是2048个样本,这意味着在很短的70微秒里面要处理2048个样本。如果未来带宽扩展到100兆,子载波处理量会增加5倍,终端的处理量会大大加大。所以,我们认为在带宽变宽以后,我们可以相应地拓宽OFDM符号采集的样本数,使得样本量不那么高,降低复杂程度。


第二,多用户大规模MIMO。它已在LTE中应用。但随着5G带宽变宽,天线数量增多,如何进行空口架构设计以缩短MIMO的反馈时间十分关键。MIMO里有一个关键的技术,当有信号传出后,如何得知信道的质量,信道如何反馈给不同用户相应的数据,这十分重要。5G技术下时延变短,所以实时性增强,而如何缩短时延是高通非常核心的技术。


第三,LDPC信道编码。5G技术为何要改变信道编码,为何不延用LTE的Turbo编码?道理很简单,当Turbo编码的峰值速率达到一定程度,运算时延会变长,功耗会增加,而LDPC的好处在于可以低复杂度和低功耗地处理很大的包。如何使5G的高速速率低功耗、低复杂度地实现在终端,这是一大核心、而高通最强的方面就在于将这一核心算法变成现实。


很早以前,业界曾经关注干扰抵消技术,这一技术在学术界谈论了十几年,曾有很多的方案出现,而最后是高通将干扰抵消技术运用到产品中并符合功耗标准。对于工程师来说,这一编码在设计的实现和功耗上是最好的平衡(tradeoff),是最好的性能与复杂度的互换,同时它非常成熟。


LDPC编码Wi-Fi研发时就已经出现,它已经被研发、运用了很多年。在业界有这样一个共识,这些技术一部分做控制,一部分做数据,但是我们做独立TDD的子帧,这跟大规模MIMO有关,能够把时延降低,所以当NR进入新空口的时候,不需要新立一个频点。


总而言之,5G的关键技术在于以下几点:低复杂度、可扩展OFDM参数;良好的子帧设计,使大规模的MIMO低时延有效;加入先进的LDPC信道编码,实现处理大数据包时保持低功

耗。


有了这么好的技术,如何将其更好地推向客户就成为落地技术的关键。


根据范明熙博士介绍,5G首先要面向的应用就是智能手机,而在过去的十年里,智能手机OEM厂商已经光从欧美转移到了中国大陆,因此如何做好做好对大陆客户的服务,对高通来说尤其重要。


在去年五月,高通在深圳设立了一个创新中心。中心在深化推动本地创新和提供卓越客户服务方面发挥了重大作用。他们表示,中心不仅致力于助力中国领先的设备和终端制造厂商满足国内需要,同时也大力支持中国厂商进一步拓展海外市场,帮助其在海外市场取得骄人成绩。高通方面表示,未来将加深与中国方面的合作,将更多的技术分享给全世界消费者,这种合作共赢方式与高通一贯以来的经营模式密不可分。


Qualcomm技术许可业务(QTL)高级副总裁兼总经理John Han表示,高通一直以来都在推动技术的创新普及,他们不是一个产品型的公司,或者说不是一家仅限于做产品的公司。更准确地说,高通是一家专注于技术研发和分享的公司。John Han强调。通过数十年投入了数百亿的研发,高通将其技术与世界共享,推动移动世界发展到今日。


排除争议,共同创造美好未来

虽然大家都承认高通对移动网络的贡献不可磨灭,但围绕着高通的这种技术授权模式,存在非常的多争议,甚至引发各地和苹果对高通的起诉和制裁。关于这个问题,John Han强调,知识产权持有者的权利和技术实施方权益的平衡,应该更多地看到长期整个生态系统技术培育的过程。而高通则完全遵循FRAND原则(即公平、合理、无歧视原则),把技术授权给任何一个想使用这一技术的人。高通的想法是通过专利授权部门,将高通研发出来的创新技术进行广泛分享与授权,支撑行业的发展,并打造一个公平竞争的移动通信市场。


Qualcomm技术许可业务(QTL)高级副总裁兼总经理John Han


不同于某些公司每次只提供一项专利授权,高通采用的方式是将专利组合许可打包给某一家使用方,未来5年,这样的许可将会覆盖在这五年期间所有的高通专利,无须在5年之内重复谈判技术许可的问题。


除了以上授权方式外,高通还有整机许可这种方式。


John Han表示,高通的专利从广度和深度上来讲确实是其他厂商无法匹敌的。高通认为整机许可的做法更加公平合理,即在某一个时间点上做一次性的许可,而不是与手机零配件供应商,比如说做GPU、PMIC、NFC、Wi-Fi、天线、电源、屏幕等零部件供应商分别进行谈判。这是因为,这样做的交易成本对于手机制造商和终端消费者而言,都将是非常高昂的。所以,我们采取了整机技术许可的授权模式。


此外,也正是因为整机许可的模式,对于手机制造商而言,在芯片组的选择上就变得十分自由,他们可以选择使用高通的芯片组,也可以选用其他厂商的芯片组。John Han强调。


在国内,围绕着高通这些授权模式的收费有很多的争议。


John Han透露,根据中国国家发改委的决定对外公布的高通在中国的许可条款。对于为在中国使用而销售品牌设备的Qualcomm3G和4G必要中国专利的许可,Qualcomm将会对3G设备(包括3G/4G多模设备)收取5%的许可费,对包括3模LTE-TDD在内的4G设备如不实施CDMA或WCDMA则收取3.5%的许可费,在上述每种情况中许可费基数为设备净售价的65%。他还特意地对这个净售价做了一个深入解析:


设备净售价的一个方面是我们设定了设备最高值的“天花板”,如果销售价格超过了我们规定的最高价,我们不会对超出的部分进行收费,而只收“天花板”价格以下的部分。另外,有一些在手机定价中的成本与手机本身使用的技术成本无关,比如包装费、运输费、保险费用等等;当我们和这些设备商协商的时候,我们会将这些额外的费用从设备价格中减掉。通过这些做法,我们和产业界相关的参与方几乎都签署了技术许可,目前已授权的公司数量达到345家,通过高通技术许可生产的设备超过100亿台。


并不是每一个企业都能重新造轮子,站在高通巨人的肩膀之上,产业链厂商会快速步进5G时代,让我们静候这一天的到来。


文/半导体行业观察 李寿鹏


今天是《半导体行业观察》为您分享的第1448期内容,欢迎关注。

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