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有线和无线通信技术的演进热点

2010-4-2 13:15 【中通网通信社】 作者：zhaipp



有线和无线通信技术的演进热点

作者: Louis E. Frenzel
Electronic Design

我们时时刻刻都在使用电子通讯设备，对此我们习以为常。我们用汽车收音机收听新闻，用手机交谈。我们使用电脑在网络上搜索我们想找的东西、收发电子邮件。当我们回家后，我们用MP3播放器听音乐、收看高清电视或在我们的电子阅读器上看最新畅销书。而这仅仅是个开始。 通信技术在不断进步，每年都会推出新产品。虽然无线业务特别火爆，有线领域仍然健康且不断增长。对有线/无线两种技术，我们都要求它们能提供更快的数据传输速度、低功耗且具有移动功能。幸运的是，该产业有能力满足这些要求。
    因为无线是时下的王者，所以它激发我们思考永远不会消失的有线通信的命运。在19世纪，通信就是以有线电报和电话为肇始的，自此以后，有线通信通过采用更快的短程铜缆以至更快的光缆得以进一步发展。虽然有线通信是成熟的，但它仍在不断进步完善。两种有线技术脱颖而出：以太网和光传送网(OTN)。

以太网蓬勃发展

以太网，这种无处不在的局域网(LAN)技术，已与我们相伴37年了。它与半导体和计算机技术同步发展，从基于同轴电缆的局域网逐步过渡到运营商级的光网络，其间历经多种变化和沿革。IEEE的802.3以太网标准组织一直在推出新变化、做出新改进。
以太网的核心仍然是10/100/1000Mbps CAT5e双绞线局域网，90%以上的所有个人电脑和其它类计算机的联网使用的都是该技术。我们现在有10Gbps以太网，它不仅有各种不同的光实现方法，还有基于铜介质的10Gbps以太网版本，在用于服务器和网络互联的数据中心中，正越来越多地使用10Gbps以太网。
其次是新兴的运营商级以太网的努力，它是通过提供服务质量(QoS)和管理元素将以太网转变成一个覆盖范围更宽广的城域网(MAN)和广域网(WAN)的技术实现的，服务质量和管理元素使以太网能以较低成本与传统的SONET/SDH网络竞争。另外，它还为我们展现出更多前景。
以太网联盟总裁Brad Booth介绍，下一个热点以太网演进涉及iWARP技术。iWARP指的是——互联网广域RDMA协议(Internet Wide Area RDMA Protocol)，而RDMA代表的又是——远程直接内存访问(Remote Direct Memory Access)。iWARP技术已出现几年了，但没太大进展。但现在iWARP是以太网工程工作组(IETF)拥有的一个标准，并得到了以太网联盟的推动。
iWARP是借助传输控制协议(TCP)或流量控制传输协议(SCTP)以减小使用互联网协议(IP)传输延迟的一种方法。 SCTP协议是一个传输层协议，根据应用场合，它可取代TCP或用户数据报协议(UDP)。延迟是标准以太网的一个问题，对采用10Gbps以太网的系统来说，尤其严重。
iWARP技术能在几乎无需操作系统的介入下，直接从一台电脑内存中读出数据并写入另一台电脑的内存，从而把数据传输延迟降到极低水平。它可以实现零拷贝(zero-copy)数据传输。零拷贝传输是使用直接内存访问(DMA)传送数据的一种方法，它把数据从电脑或发送端网络节点的内存中直接发送到接收端节点的内存，而无需收/发两端CPU的干预。
iWARP技术的实现需整合硬件和软件资源。它通常以TCP减负引擎(TOE)的方式驻留在网络接口卡(NIC)内，TOE把CPU从网络上这种事务性工作中解脱开来。该软件是一种开放源码软件栈，是由开放架构联盟开发并维护的。iWARP栈技术目前部署在Linux内，Windows Server 2008上也有。
数据中心已在使用10Gbps以太网，如果延迟问题得到解决，其应用将显著得到普及。借助iWARP技术，10Gbps以太网可以进一步扩展其在数据中心内的使用规模和范围，并将在建造服务器集群、高性能计算机(HPC)系统和超级计算机等应用中派上更大用场。它还可以更有力地与InfiniBand连接竞争，到目前为止，InfiniBand一直在数据中心和高性能计算机集群近距离连接中占主导地位。
此外，以太网联盟在力推融合以太网(Converged Ethernet)。这一努力演示了10Gbps以太网是如何能够提供可在一个融合网络内实现传输客户端资讯、存储和服务器应用通信等功能的高性能企业级数据中心基础设施的。
融合以太网使用iWARP技术进行处理器间的通信。此外，它支持光纤信道以太网(FCoE)和用于存储的因特网小型计算机系统接口(iSCSI)。它使用数据中心桥接协议或基于优先级的流量控制和改进的传送选项。另外，它使用SFP+直连电缆和光纤收发器以及10GbaseT以太网铜线。
    此外，IEEE的以太网工作组已接近完成802.3ba标准，新标准是为我们建构40Gbps和100Gbps光纤数据传输系统制定的。其目标是创建一个支持传统以太网帧格式的网络以及研制可支持40和100Gbps的新媒体接入控制器(MAC)层和物理层(PHY)。
我们可能会看到，以40Gbps的速率可分别在以下介质上传送如下远的距离。单模光纤(SMF)是10千米；光模3(OM3)多模光纤(MMF)是100米；铜电缆是7米；而底板上是1米多。 对100Gbps来说，可传送的距离分别是：单模光纤(SMF)40千米和10千米；光模3(OM3)多模光纤(MMF)是100米；铜电缆是7米。
    借助当今不断进步和负担得起的10Gbyte/s技术，采用4条10Gbps光纤或4条不同波长的10Gbps单模光纤数据流可相对容易地实现40Gbps速率。但100 Gbps水平要难得多。采用4个25Gbps流或10个10Gbps光纤流是考虑中的一些方法。我们拭目以待哪种技术会脱颖而出。IEEE计划在2010年6月完成对802.3ba的最终批准审核。
   若你奇怪谁需要这样的速度，再想一想。由于我们所使用网络的数据容量以几何级数增长，所以几乎所有的网络都渐渐工作在过载条件下。源于视频内容的无休止暴涨，互联网骨干网和互联网服务供应商要提供足够容量以满足要求就变得益发艰巨。无线系统面临的局面更棘手。
   只要出台标准，40Gbps和100Gbps系统就将得到追捧。而眼下40Gbps的SONET/ SDH系统已可用，这些老系统缺乏进一步提升速率的途径。借助更快的光纤，是该为光纤系统制定一个新的、更多地面向数据的协议的时候了。而这样一种协议——OTN业已就位。
光传送网
     OTN(光传送网)为我们带来了用于高速数据传输、正在逐步取代SONET/SDH和其它光学系统的新一代光纤网络。随着互联网和无线网络业务量的持续上升，需要具有更高速率、有能力适应多种不同协议和格式的新的传输系统。IP /以太网服务正逐步取代传统的基于SONET/SDH和PDH(准同步数字层级)的时域多路复用(TDM)服务，从而需要一个改善的传输系统。 OTN正是这样一个系统。
    OTN并不新。国际电联(ITU)在2001年就批准了该标准。但因当时的那次经济不景气，光学设备和服务受到影响，OTN的部署也被缓阻。自那以后，数据量增加了一个数量级，从而迫切需要一个新系统。ITU OTN(国际电联光传送网)就是为这一目的设计的。相关的国际电联标准是——G.709和G.872。
    OTN的目标是帮助把多种服务汇集成一个公共的传输服务以降低运营成本和所需的新资本支出。它提供了一个可实现100Gbps高速光通信服务且具有网络管理、性能监控、切换以及诸如Sonet/SDH那样的故障隔离的这样一种通用解决方案。
    网络运营商希望一种能兼容密集波分复用(DWDM)、并像Sonet/SDH那样能支持运营、管理、维护和供应(OAM＆P)的这样一个系统。同时，运营商希望能通过以太网、光纤通道、企业级系统连接(ESCON)、Sonet/SDH和传统的异步传输模式(ATM)以及帧中继等技术传输数据。
    OTN可从IP/以太网交换机和路由器那里携带完整的10Gbps以太网LAN PHY。基于该原因，OTN有时被称为数字包封技术。它可在一个包封内整合进不同协议的多个信号，可用一个波长传送该包封从而实现最高效能和最大成本效益。
    OTN可以三个基本数据速率输送数据。OTU1具有2.7Gbps线速率、可传送OC-48/ST-16同步Sonet/SDH信号。OTU2的线速率是10.7Gbps、所以可处理OC-192/STM-64或10Gbps以太网操作。OTU3的线速率是43Gbps，因此将支持OC-768/STM-256或其它40bps协议。OTU4将涵盖未来的100Gbps以太网。
    前向纠错(FEC)能力是增加的一个重要特性。OTN采用的是Reed-Solomon RS算法。它增加了约5dB的编码增益，显著改善了误码率(BER)。其结果是提升了链路预算并降低了链路噪声，从而使每个链路节点的间隔达20千米。
    OTN是未来的光骨干网。采用该技术的条件业已具备，随着互联网和无线通信业务量的不断扩大，预计这一进程将加速。运营商等不起未来的100Gbps标准，它们在迅速转向40Gbps版本。因此，随着OTN和40Gbps系统的兴起，将会对DWDM光网络进行新投入。
   Applied Micro(前AMCC公司)和PMC-Sierra已经在研制OTN芯片。Applied Micro的Yahara成帧器/映射器/PHY芯片包括前向纠错电路。为长途和城域光网络设计的OTN芯片与该公司的Rubicon和Pemaquid芯片一道工作，这两款芯片也用于实现OTN设备。
   PMC-Sierra的META 20G器件可以在运营商以太网交换机和路由器设备内支持OTN。在一款芯片上，它支持运营商级以太网IP、光传送网和SONET/SDH。该公司的HyPHY 20G器件支持基于光传送网城域基础设施的高带宽数据、视频和语音服务的融合(图1)。

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2010-4-2 13:15

WiMAX拔得4G技术头筹

尽管还不景气，但在2009年，无线技术还是在许多方面取得了长足进展且前景光明。其它领域的发展，特别是下一代技术的进步已消弭了蜂窝领域缓慢增长的不利。
    第四代(4G)无线一般认为包括用于宽带的WiMAX和用于蜂窝的长期演进(LTE)技术。 WiMAX技术业已存在一段时间且一直在发展，而LTE仍羽翼未丰、蓄势待发。2010年底，将会完成LTE的首个部署，但要到2011年以后才可能看到LTE的批量部署和使用。
    同时，作为宽带无线接入技术，WiMAX在持续取得进步。 WiMAX是一种为无线城域网设计的无线数据通信系统。它可分别为定点站和移动站提供远达30英里(50公里)和3至10英里(5至15公里)的宽带无线接入(BWA)服务。根据服务供应商和距离的不同，数据传输率可在低端的约1Mbps到高端的20Mbps间变化。
    虽然Wi-Fi/802.11无线局域网(WLAN)可能更快，但在大多数情况下，其传输距离只有100到300英尺(30至100米)。 WiMAX可在农村地区提供DSL那样的服务。它也广泛用于Wi-Fi热点回程链路、流量监控以及视频监控系统。另外，它还是美国政府正计划着的、将在即将实行的乡村宽带刺激计划中得以广泛使用的一种候选技术。
    IEEE 802.16标准定义了WiMax。WiMAX论坛提供了测试制造商所生产设备的兼容性所需的方法。该行业组织还促进了该技术的发展和商业化。Clearwire公司的无线高速互联网服务是WiMAX定点宽带应用的一个很好例子。
    Yankee Group称，尽管受经济下滑和资金延期到位的影响，Clearwire公司在2009年还是拥有了约390万用户。研究人员还预计，到2015年，将达9230万用户。ABI Research估计，到2009年底，约有200万WiMAX移动用户。
    WiMAX显示出它是一种类似Wi-Fi那样的嵌入式无线技术。现在，在40多款笔记本电脑和上网本中采用了该技术。英特尔即将推出的用于笔记本电脑的WiMAX芯片组预计将得到广泛应用以提供WiMAX网络的全球漫游。借助嵌入式WiMAX技术，可以接入几英里以外的基站，而不再是只能位于几百英尺内的Wi-Fi接入点。最早在今年晚些时候，也许就能用到WiMAX手机。
    总体而言，WiMAX前景非常光明。WiMAX论坛介绍，在全球145个国家，有超过500个WiMAX部署。WiMAX应用还将继续增长。据预计，WiMax将是美国政府宽带刺激计划的主要参与者。据估计，超过1000万的美国农民没有高速互联网连接，“高速”指的是数据速率超过768kbps。预计WiMAX起码会满足部分需求。 www.wimax.com是了解WiMax信息的好去处。
成熟的WI-FI仍生机勃勃
    IEEE最终批准802.11n标准，是2009年Wi-Fi的一个重要里程碑。当然，这并没有阻止所有芯片和设备供应商继续提供工作得很好的前标准“草案n”产品。但随着最终标准的就位，Wi-Fi芯片和产品有望继续增长。
   Wi-Fi联盟(WFA)宣布了其旨在测试和认证设备间兼容性和互操作性的认证n计划。 Wi-Fi联盟在传统的草案n测试项目上又增加了四个新测试程序。新增的测试内容包括：对最多三个同时传输的空间流的测试；对提高传输效率的数据包集结的测试；对提高可靠性的多天线编码方法——空时分组码(STBC)支持的测试；对工作在2.4GHz频带、40MHz带宽系统的信道共存措施的测试。
    ABI Research估计，2011年Wi-Fi芯片组的出货量将超过10亿片。Wi-Fi仍将是最主流的无线协议之一。在单流(非MIMO)产品和应用中，802.11n芯片组现已开始取代802.11g芯片。
    此外，诸如智能手机、游戏机、便携式媒体播放器、电视机和照相机等更多产品将继续整合进Wi-Fi功能。博通(Broadcom)仍然是Wi-Fi芯片的领导者，但Atheros、英特尔、Marvell和Ralink继续为争夺市场占有率而战。此外，高通和Quantenna在最近以其4X4 MIMO 11n芯片组加入战局。
    我们可以期待，从来年开始，Wi-Fi将提供更高速度和更宽广的覆盖范围。借助11n标准，在更多的需要比11g标准所能提供的最高54Mbps速率更快的产品中将采用MIMO技术。根据不同的MIMO配置，我们可以实现从100到600Mbps速率。 MIMO也将大大扩展Wi-Fi的通信距离。在适当条件下的某些应用中，Wi-Fi与WiMAX有一争。
    两个802.11工作组正在研究数据速率大于1Gbps的Wi-Fi标准。802.11ac工作组正进行工作在6GHz以下系统的标准的研究，该标准可提供1Gbps速率。802.11ad工作组正在进行用于60GHz免申请开放频段标准的研究。802.11ad预计将用在家庭网络、用于视频传输。采用波束成形技术，在短距离内，其数据速率可达2.5Gbps。我们在近期尚看不到有关这些新标准的太多信息，但我们会及时提供所有更新和发布消息。
    我们看看其它那些逐步提升功能的标准。例如，802.11s有望为网状网Wi-Fi节点提供一种方法。802.11w将更安全。 802.11u将提供与诸如蜂窝网等其它非802.11网络连接的一种方式。即将出台的802.11v将改进Wi-Fi管理。 802.11k将增加射频资源管理能力，它能使客户端射频和接入点具有相互认知能力。
    此外，802.11z将允许支持Wi-Fi的设备绕过接入点直接进行点对点连接。即将出台的802.11y将在新的美国微波空间(3650到3700 MHz)实现Wi-Fi。此外，有一个工作中的空闲频段标准(802.11af)。让我们在来年关注这些标准，这些标准将在以后几年内实施。

智能手机拉动市场

尽管经济衰退在持续，从整体看，去年对无线来说是个好年。具体说，去年可说是智能手机年。但也出现了许多其它的无线产品、服务和技术。
    随着越来越多的消费者接受智能手机以及它们提供的令人惊异的功能，那我们就来看看各种智能手机。在设计方面，或许我们应该着手为电源管理危机做准备了。随处可见的大量应用真正有助于推动这一市场的发展。此外，我们期望会有新的手机厂商入局。人人都想挤进这个10多亿美元的手机市场。甚至戴尔和中兴现已或即将推出新产品，特别是针对巨大且不断增长的中国市场(图2)。

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2010-4-2 13:15

    智能手机多年来一直是市场规模最小的手机品类，只有少数产品真正在市场出售。其中包括某些RIM黑莓、诺基亚的手机、Palm的产品和苹果的iPhone。但今年，我们看到了众多新产品，而智能手机销售也明显火爆。新型号包括苹果的3G和3GS、RIM的黑莓Storm2和Bold、Palm的Pre和Pixi、摩托罗拉的Cliq和Droid(图3)，以及三星和LG基于Android操作系统的多款产品。

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2010-4-2 13:15

    很高兴看到摩托罗拉和Palm的回归。摩托罗拉的Droid和Palm的Pre看起来是这个竞争激烈市场的伟大产品。另外，我们希望诺基亚凭借其N97和N900重新走上正轨(图4)。给所有这些新智能手机锦上添花的是大应用，我们将有一个重要的增长领域、一个很有趣的未来。下一步重要的工作重心似乎是使手机提供更好的上网体验。新浏览器、新用户界面和重新剪裁的网页大小都在开发中。

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2010-4-2 13:15

    Elektrobit公司的无线方案执行副总裁Ari Virtanen认为，个人电脑希望成为智能手机，而智能手机希望具有个人电脑功能。两者都在向对方靠拢，但前景远非明朗。诺基亚的高端旗舰产品N900，既是款手机又是互联网平板电脑(图5)。它有一个800×600触摸屏和一个完整QWERTY键盘及32Gbyte内存。它还有5百万像素相机、Wi-Fi和蓝牙。N900是向我们一般可称之为移动互联网设备(MID)靠拢的另一个渐进运动的第一个举动。

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2010-4-2 13:15

上网本承继了该趋势，它整合了办公工具和通讯功能。上网可能是它们眼下最大的应用。2010年，我们将看到更多的上网本，它们的大量出现，意味着Wi-Fi和3G网络业务的大量增多。在手机方面，一些消费者希望在智能手机上见到办公应用。处理能力当然具备，但屏幕尺寸和键盘将限制都可以做些什么。但谁又知道？N900是在这一方向上迈出的一步。
    Virtnen还带来了另一个有趣现象，即手机操作系统的普及，包括：苹果、谷歌Android、RIM、微软的Windows Mobile、Palm和Linux的其它几个版本。就总装机量看，Symbian仍领袖群雄，这要感谢诺基亚；但诺基亚在其N900系列手机中采用的是其新的基于Linux的操作系统——Maemo5。
    Symbian靠边站了吗？亦或Maemo只是更合适的选择？诺基亚最近宣布了其对Symbian的承诺，我们可以预期不久的将来，Symbian会有一些更新和改进。此外，最近，全球第二大手机厂商三星，推出了自己的bada操作系统。
    这意味着每家手机公司都希望自己控制所使用的操作系统，以便引导和掌控即将出现的许多应用的走向。开放式操作系统的理念非常诱人。但就拿Android说，开发商会将其用于除了它所开发的手机外、应用无法用于其它任一部手机的应用新导向中吗？苹果和其它使用受控操作系统的公司也许是正确的。手机制造商和运营商都想控制应用的发展趋势，但目前尚不清楚谁是赢家。
   最后，根据Parks Associates的最新研究，在2009年受访的超过30％的7千万美国宽带家庭用户中，到年底将至少拥有一部智能手机。此外，40％的受访者表示，他们会为能用手机上网所带来的便利买单。随着对移动友好的社区网络和导航服务越来越受欢迎，非文本移动数据服务将继续引领2010年的行业发展。现在，因特网和电子邮件服务的锋芒已盖过了诸如移动电视和音乐等移动服务的势头。

LTE的部署

    LTE是蜂窝通信行业的4G方案。发展在继续，我们可以预期LTE的未来，但眼下不会有大变化。虽然试验在继续，但预计在欧洲的某些地区甚至可能在美国会提供LTE服务。LTE手机几乎见不到，且大家都猜测LTE手机的电池寿命会有多长。采用LTE将是个渐进过程，但一些运营商试图领先一步。 Verizon将可能率先在美国提供服务，在日本的也许是NTT DoCoMo公司。ABI Research表示，预计在2011年和2012年，LTE的部署会增加。
    在此期间的一年左右的时间里，经营者将继续建设其3G网络并加大投资。 在美国，Verizon公司可能以其CDMA网络保持领先，但AT＆T在为主要市场增加HSPA网络方面一直很活跃。AT＆T将持续其目前的战略，而Verizon将在采用LTE方面拔得头筹。庞大的基础设施投资迟缓了LTE的使用。但不要忘记，除所有这些全新的LTE设备外，运营商还必须支持传统的电话技术。
    在运营的基础设施方面，存在一些有趣挑战。ADI公司的Jon Hall 认为有如下几个鲜明趋势。一个是基站在向多载波通用无线平台方向发展。为支持LTE的运行且同时保持与现有电话和技术的向后互操作性，多载波能力必不可少。这意味着很宽的带宽。135 MHz带宽水平是一个目标。在所有这些严格的要求外，还有对降低成本、减小尺寸以及最重要的降低能耗等要求的压力。
    ADI以其丰富的数据转换器产品线来满足这些需求。数模转换器(DAC)的速度已足够快可实现直接输出发射器，其中：基带信号发送到DAC生成最后射频信号，且无需进一步变频。但尚没有满足要求的模数转换器(ADC)。下变频仍是必要的一步，但因ADC提供采样速率和带宽，眼下已可进行直接转换且接口频率也越来越高，所以使多载波接收成为现实。
    未来基站的其它目标包括绿色环保和回程链路维护。大多运营商在着眼降低基站功耗，他们正在朝更环保基础设施的方向努力，这可能需要多年时间。运营商也在加大努力以规避制约着3G和4G无线数据服务特别是激增了的视频的回程链路瓶颈。

其它动态

    毫微微蜂窝基站(femtocell)已出现有年，但采用的很少、实际用户更少。运营商们仍在测试毫微微蜂窝基站，有许多毫微微蜂窝基站的参考设计。主要问题似乎与技术和市场营销两者都有关。
    例如，运营商如何保证家用毫微微蜂窝基站彼此不会互相干扰、也不会与其宿主宏基站相互干扰？另外，消费者会真的为家中更舒适的服务买单吗？分析人士业已大幅降低了他们的预期。真有实际需要吗？亦或只是一种技术在寻找可能的市场？
    同时，机器对机器(M2M)蜂窝项目在2009年取得长足进展、预计会有显著增长。随着AT＆T和Verizo等大运营商的介入，2010年也应是个好年景。 随着在Amazon Kindle和其它电子阅读器内整合进手机功能，嵌入式手机也已启航。预期会出现类似的产品和相关服务。
    移动电视也在发展壮大。源于Qualcomm的Me-diaFLO努力，更多运营商开始提供广播电视服务。随着越来越多的手机加装电视接收功能，该产业链会呈现出更多机会。
    内置地图和定位查找软件的手持GPS接收器一直在美国很受追捧。Garmin、Tom Tom和其它一些公司的业绩一直骄人，都保持着两三位数的增长势头。但市场研究公司iSuppli表示，与2008年相比，2009年的市场表现不尽如人意，并预言：未来的个人导航装置(PND)的销售将不会大起大落，在2013年将约为4120万部。PND会消逝吗？这不太可能，但来自内置在车辆和嵌入式GPS内导航系统的竞争以及手机内导航软件的蚕食，PND的增长已明显放缓。
    此外，在2009年6月停止模拟电视信号的发送后，我们得到了空闲频谱。这意味着可为新的免申请无线项目提供许多兆赫带宽的频谱。目前为止，我们只看到为使农村宽带接入速度更快的一些示范项目，但这些项目工作良好，我们期望会看到更多此类项目。今年，我们应该看到一些具有创新功能的新产品。