【導讀】實(shí)現千兆級LTE的關(guān)鍵技術(shù)是什么？千兆級LTE 4G網(wǎng)絡(luò )與毫米波5G網(wǎng)絡(luò )如何兼容協(xié)調？5G如何推動(dòng)智能硬件、物聯(lián)網(wǎng)和云計算的快速發(fā)展？本文從高通最新發(fā)布的千兆級LTE和5G 調制解調器芯片的剖析來(lái)一一回答這些問(wèn)題。
在今年香港4G/5G峰會(huì )上，澳洲無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商Telstra展示了全新的千兆級LTE網(wǎng)絡(luò )，這一測試網(wǎng)絡(luò )采用愛(ài)立信的網(wǎng)絡(luò )基站設備，以及NETGEAR的千兆級LTE移動(dòng)路由器。千兆級LTE設備采用的是Qualcomm驍龍X16調制解調器，可以實(shí)現“像光纖一樣(fiber-like)”的1Gbps下載速度，是邁向5G網(wǎng)絡(luò )移動(dòng)體驗的重要基石。
實(shí)現千兆級LTE的三種關(guān)鍵技術(shù)
千兆級LTE CAT-16速率是光纖級別的速率，這在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域算是一個(gè)新的突破。千兆級LTE是怎么實(shí)現的呢？實(shí)際上這是多種技術(shù)相互融合達到的，其中包括：
- 載波聚合
- 高階調制
- 更高階的MIMO
在這三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)中，載波聚合是最容易實(shí)現的，也是最早被采用的。在Telstra的千兆級LTE網(wǎng)絡(luò )場(chǎng)景中，Telstra有三個(gè)20MHz的授權頻段，通過(guò)射頻和基帶技術(shù)可以把這三個(gè)載波的頻段聚合起來(lái)。這也可以理解為將三個(gè)射頻信道變成一個(gè)更寬的信道，就是3×20MHz = 60MHz。每個(gè)載波有2個(gè)數據流，三載波條件下一共有6個(gè)數據流。一個(gè)數據流就是64-QAM，速度是75Mbps。75Mbps×6=450Mbps，所以三載波聚合可以得到450Mbps的帶寬。這是實(shí)現千兆級的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過(guò)三個(gè)載波聚合將速度提升到450Mbps。
第二個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是增強調制方式，通過(guò)提高收發(fā)器的復雜度，一個(gè)信號可以搬運更多的比特（bit）。采用256-QAM調制方式，一個(gè)信號可以承載8個(gè)bit，比以前64-QAM的一個(gè)信號承載6個(gè)bit提升了33%。一個(gè)數據流就從原來(lái)的75Mbps提升33%，變成了100Mbps。三載波聚合有6個(gè)數據流，加上256-QAM，一個(gè)數據流有100Mbps，所以現在達到600Mbps。
第三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是部署4x4 MIMO。在終端上部署更高階的MIMO，即通過(guò)更多的天線(xiàn)和收發(fā)鏈路來(lái)實(shí)現更多的數據流。還是以Telstra的網(wǎng)絡(luò )部署為例，它是在兩個(gè)載波上部署了4×4，剩下的一個(gè)載波還是2×2。使用4x4 MIMIO技術(shù)之后，一個(gè)載波上的數據流數量從2個(gè)變成4個(gè)，這種部署下的三載波總共有10個(gè)數據流。在使用256-QAM的條件下，一個(gè)數據流是100Mbps，所以100Mbps×10就到1Gbps。
總之，通過(guò)擴展載波，增加信道的數量；通過(guò)調制方式的復雜度增加，每一個(gè)傳輸信號搬運更多的比特；通過(guò)更多的天線(xiàn)，更多的接收令，更高階的MIMO形式，增加數據流的數量。綜合以上這些這些技術(shù)，我們就可以達到1Gbps的速率。
千兆級LTE的應用場(chǎng)景
千兆級LTE技術(shù)及其實(shí)現網(wǎng)絡(luò )可應用于多種用戶(hù)體驗場(chǎng)景和服務(wù)，比如沉浸式VR體驗，以及與本地存取速度相當的云存儲和云計算服務(wù)。如果要給未來(lái)的VR虛擬現實(shí)設備提供360度的視頻，即需要4K解析度和120幀每秒的刷新率，那么需要的數據率大概是103Mbps，即一秒鐘需要傳輸103M的數據。從LTE Cat.4到Cat.12，它們的平均速度是達不到這個(gè)要求的，而根據對驍龍X16 LTE調制解調器的實(shí)際仿真結果，它能夠達到114Mbps的速率，因此完全可以支持360度全景VR的需求。
第二個(gè)應用場(chǎng)景是云端存儲?，F在智能手機上的閃存可以存儲很多媒體內容文件，本地訪(fǎng)問(wèn)的速度大概是一秒可以存取116M的數據。但手機內存畢竟很有限，如果把多媒體內容文件存儲在云端，且通信管道足夠寬的話(huà)，采用驍龍X16 LTE調制解調器的千兆級LTE網(wǎng)絡(luò )設備就能提供和閃存一樣快的存取能力，訪(fǎng)問(wèn)云端存儲文件的速度與訪(fǎng)問(wèn)手機上內嵌的本地媒體文件的速率幾乎是一樣的，用戶(hù)已經(jīng)感知不到差別了。
邁向5G時(shí)代
5G網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展
自從2010年開(kāi)始部署4G網(wǎng)絡(luò )以來(lái)，全球無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )和智能手機市場(chǎng)得以迅速發(fā)展和增長(cháng)，有數據顯示截至2016年10月全球約有38億部聯(lián)網(wǎng)的智能設備。雖然4G LTE技術(shù)已經(jīng)達到千兆級，但5G網(wǎng)絡(luò )有更高的期望和要求，速度要達到20Gbps。未來(lái)幾年，4G和5G網(wǎng)絡(luò )肯定會(huì )重疊使用，而且還要有多模雙連接的工作模式，這跟過(guò)去5、6年3G/4G重疊交替的情形類(lèi)似。千兆級LTE的部署實(shí)際是為5G鋪路，它們相互補充和協(xié)同工作，給大家提供一個(gè)無(wú)縫的用戶(hù)體驗。
雖然5G使用的技術(shù)很多都是從4G演化過(guò)來(lái)，比如5G網(wǎng)絡(luò )使用的頻譜、毫米波以及多天線(xiàn)陣列，但5G不是4G的簡(jiǎn)單升級和提速。無(wú)論從技術(shù)實(shí)現還是應用場(chǎng)景，下一代5G網(wǎng)絡(luò )平臺都將帶動(dòng)新的市場(chǎng)發(fā)展，特別是沉浸式虛擬/增強現實(shí)VR/AR、可穿戴智能設備和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)，這將開(kāi)啟萬(wàn)物互聯(lián)的新時(shí)代。
5G毫米波網(wǎng)絡(luò )
我們知道5G網(wǎng)絡(luò )的頻段現在還在探討中，3GPP組織對于5G的各個(gè)層級，如終端接入網(wǎng)、核心網(wǎng)，還有如從物理層到鏈路層到應用層的規范，都還在制定中，因此還需要一段時(shí)間才能確定一個(gè)全球的5G標準。高通最近發(fā)布的X50 5G調制解調器是支持5G早期驗證和技術(shù)儲備的一款調制解調器芯片，針對幾個(gè)比較特定的用戶(hù)場(chǎng)景，比如Verizon的5G TF和Korea Telecom的5G-SIG規范，它們兩個(gè)都是使用28GHz的毫米波頻譜。
5G的一個(gè)載波是100MHz，X50可以使用8個(gè)100MHz的5G載波，聚合成800M的帶寬。這個(gè)帶寬可以提供下行5Gbps的速率，比1Gbps的千兆級LTE提升了5倍。據Qualcomm高級產(chǎn)品總監沈磊先生介紹，驍龍X50 5G調制解調器可以和毫米波收發(fā)器、電源管理以及集成了千兆LTE X16調制解調器的驍龍處理器一起協(xié)同工作。它既提供了4G或千兆級LTE，也提供了5G，可以實(shí)現雙連接、多模支持。
5G支持的6GHz以下低頻段，授權頻段最多到3.5GHz，非授權頻段大概到5GHz，這些頻段都比較低，所以相對來(lái)講帶寬比較受限，而且也比較離散。因此，業(yè)界開(kāi)始從2G、3G時(shí)代的6GHz頻段去探索毫米波的部署。從上面的頻譜分布圖可以看出，右側的頻譜還可以使用，越往右，隨著(zhù)頻段的提升，帶寬也變得越來(lái)越寬，傳輸的數據就越來(lái)越多，從而提升傳輸速率。5G現在有意向在24GHz到100GHz頻段中的幾個(gè)點(diǎn)實(shí)現部署，比如24GHz附近、60GHz附近、75GHz附近。這還需要國際電信聯(lián)盟和3GPP進(jìn)行大量協(xié)商和準備的工作，但是在毫米波上部署5G的可能性很大。
為了得到更高的帶寬，我們選擇使用更高頻率的毫米波，但毫米波頻段的傳輸性能比較差。如何解決毫米波的劣勢？答案恰恰也是在毫米波更高的頻率上。采用自適應波束成形和波束追蹤技術(shù)可以很好地補償、甚至抵消掉它的劣勢。通過(guò)使用高階MIMO和天線(xiàn)陣列，可以形成很窄的波束，天線(xiàn)不需要再全向發(fā)射，而是把有限的能量都集中在一條線(xiàn)上進(jìn)行傳輸，因此能量傳輸速率就可以得到明顯提升，補償快速衰減的頻譜特性。此外，毫米波也可以很好地穿越障礙物，擁有很好的非視距傳輸效果，因此整個(gè)行業(yè)的信心現在都在明顯增強。
5G網(wǎng)絡(luò )的應用
5G網(wǎng)絡(luò )主要有三大應用：
- 增強的無(wú)線(xiàn)寬帶連接：像光纖一樣快的速度，高達20Gbps，支持360度VR體驗；
- 支持海量IOT部署：窄帶LTE Cat M1/NB-1標準將支持物聯(lián)網(wǎng)對低功耗、低成本和廣泛覆蓋區域的要求；
- 高可靠性關(guān)鍵控制應用：支持安防、遠程醫療、汽車(chē)電子和無(wú)人機等不同行業(yè)場(chǎng)景對高可靠性和低延遲的要求。
預計到2025年，全球將有超過(guò)100億個(gè)聯(lián)網(wǎng)的智能設備及物聯(lián)網(wǎng)(IoT)節點(diǎn)，像光纖一樣快的5G網(wǎng)絡(luò )將為我們提供數千兆的即時(shí)訪(fǎng)問(wèn)速度，我們將真正進(jìn)入一個(gè)萬(wàn)物互聯(lián)的世界。
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