【導讀】實現(xiàn)千兆級LTE的關鍵技術是什么？千兆級LTE 4G網(wǎng)絡與毫米波5G網(wǎng)絡如何兼容協(xié)調(diào)？5G如何推動智能硬件、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(diào)制解調(diào)器芯片的剖析來一一回答這些問題。
在今年香港4G/5G峰會上，澳洲無線網(wǎng)絡運營商Telstra展示了全新的千兆級LTE網(wǎng)絡，這一測試網(wǎng)絡采用愛立信的網(wǎng)絡基站設備，以及NETGEAR的千兆級LTE移動路由器。千兆級LTE設備采用的是Qualcomm驍龍X16調(diào)制解調(diào)器，可以實現(xiàn)“像光纖一樣(fiber-like)”的1Gbps下載速度，是邁向5G網(wǎng)絡移動體驗的重要基石。
實現(xiàn)千兆級LTE的三種關鍵技術
千兆級LTE CAT-16速率是光纖級別的速率，這在無線通信領域算是一個新的突破。千兆級LTE是怎么實現(xiàn)的呢？實際上這是多種技術相互融合達到的，其中包括：
- 載波聚合
- 高階調(diào)制
- 更高階的MIMO
在這三個關鍵技術中，載波聚合是最容易實現(xiàn)的，也是最早被采用的。在Telstra的千兆級LTE網(wǎng)絡場景中，Telstra有三個20MHz的授權頻段，通過射頻和基帶技術可以把這三個載波的頻段聚合起來。這也可以理解為將三個射頻信道變成一個更寬的信道，就是3×20MHz = 60MHz。每個載波有2個數(shù)據(jù)流，三載波條件下一共有6個數(shù)據(jù)流。一個數(shù)據(jù)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。這是實現(xiàn)千兆級的關鍵技術之一，通過三個載波聚合將速度提升到450Mbps。
第二個關鍵技術是增強調(diào)制方式，通過提高收發(fā)器的復雜度，一個信號可以搬運更多的比特（bit）。采用256-QAM調(diào)制方式，一個信號可以承載8個bit，比以前64-QAM的一個信號承載6個bit提升了33%。一個數(shù)據(jù)流就從原來的75Mbps提升33%，變成了100Mbps。三載波聚合有6個數(shù)據(jù)流，加上256-QAM，一個數(shù)據(jù)流有100Mbps，所以現(xiàn)在達到600Mbps。
第三個關鍵技術是部署4x4 MIMO。在終端上部署更高階的MIMO，即通過更多的天線和收發(fā)鏈路來實現(xiàn)更多的數(shù)據(jù)流。還是以Telstra的網(wǎng)絡部署為例，它是在兩個載波上部署了4×4，剩下的一個載波還是2×2。使用4x4 MIMIO技術之后，一個載波上的數(shù)據(jù)流數(shù)量從2個變成4個，這種部署下的三載波總共有10個數(shù)據(jù)流。在使用256-QAM的條件下，一個數(shù)據(jù)流是100Mbps，所以100Mbps×10就到1Gbps。
總之，通過擴展載波，增加信道的數(shù)量；通過調(diào)制方式的復雜度增加，每一個傳輸信號搬運更多的比特；通過更多的天線，更多的接收令，更高階的MIMO形式，增加數(shù)據(jù)流的數(shù)量。綜合以上這些這些技術，我們就可以達到1Gbps的速率。
千兆級LTE的應用場景
千兆級LTE技術及其實現(xiàn)網(wǎng)絡可應用于多種用戶體驗場景和服務，比如沉浸式VR體驗，以及與本地存取速度相當?shù)脑拼鎯驮朴嬎惴?。如果要給未來的VR虛擬現(xiàn)實設備提供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(shù)據(jù)率大概是103Mbps，即一秒鐘需要傳輸103M的數(shù)據(jù)。從LTE Cat.4到Cat.12，它們的平均速度是達不到這個要求的，而根據(jù)對驍龍X16 LTE調(diào)制解調(diào)器的實際仿真結果，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。
第二個應用場景是云端存儲。現(xiàn)在智能手機上的閃存可以存儲很多媒體內(nèi)容文件，本地訪問的速度大概是一秒可以存取116M的數(shù)據(jù)。但手機內(nèi)存畢竟很有限，如果把多媒體內(nèi)容文件存儲在云端，且通信管道足夠?qū)挼脑?，采用驍龍X16 LTE調(diào)制解調(diào)器的千兆級LTE網(wǎng)絡設備就能提供和閃存一樣快的存取能力，訪問云端存儲文件的速度與訪問手機上內(nèi)嵌的本地媒體文件的速率幾乎是一樣的，用戶已經(jīng)感知不到差別了。
邁向5G時代
5G網(wǎng)絡的發(fā)展
自從2010年開始部署4G網(wǎng)絡以來，全球無線通信網(wǎng)絡和智能手機市場得以迅速發(fā)展和增長，有數(shù)據(jù)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技術已經(jīng)達到千兆級，但5G網(wǎng)絡有更高的期望和要求，速度要達到20Gbps。未來幾年，4G和5G網(wǎng)絡肯定會重疊使用，而且還要有多模雙連接的工作模式，這跟過去5、6年3G/4G重疊交替的情形類似。千兆級LTE的部署實際是為5G鋪路，它們相互補充和協(xié)同工作，給大家提供一個無縫的用戶體驗。
雖然5G使用的技術很多都是從4G演化過來，比如5G網(wǎng)絡使用的頻譜、毫米波以及多天線陣列，但5G不是4G的簡單升級和提速。無論從技術實現(xiàn)還是應用場景，下一代5G網(wǎng)絡平臺都將帶動新的市場發(fā)展，特別是沉浸式虛擬/增強現(xiàn)實VR/AR、可穿戴智能設備和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)，這將開啟萬物互聯(lián)的新時代。
5G毫米波網(wǎng)絡
我們知道5G網(wǎng)絡的頻段現(xiàn)在還在探討中，3GPP組織對于5G的各個層級，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(guī)范，都還在制定中，因此還需要一段時間才能確定一個全球的5G標準。高通最近發(fā)布的X50 5G調(diào)制解調(diào)器是支持5G早期驗證和技術儲備的一款調(diào)制解調(diào)器芯片，針對幾個比較特定的用戶場景，比如Verizon的5G TF和Korea Telecom的5G-SIG規(guī)范，它們兩個都是使用28GHz的毫米波頻譜。
5G的一個載波是100MHz，X50可以使用8個100MHz的5G載波，聚合成800M的帶寬。這個帶寬可以提供下行5Gbps的速率，比1Gbps的千兆級LTE提升了5倍。據(jù)Qualcomm高級產(chǎn)品總監(jiān)沈磊先生介紹，驍龍X50 5G調(diào)制解調(diào)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(diào)制解調(diào)器的驍龍?zhí)幚砥饕黄饏f(xié)同工作。它既提供了4G或千兆級LTE，也提供了5G，可以實現(xiàn)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，所以相對來講帶寬比較受限，而且也比較離散。因此，業(yè)界開始從2G、3G時代的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，隨著頻段的提升，帶寬也變得越來越寬，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就越來越多，從而提升傳輸速率。5G現(xiàn)在有意向在24GHz到100GHz頻段中的幾個點實現(xiàn)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可以很好地補償、甚至抵消掉它的劣勢。通過使用高階MIMO和天線陣列，可以形成很窄的波束，天線不需要再全向發(fā)射，而是把有限的能量都集中在一條線上進行傳輸，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，因此整個行業(yè)的信心現(xiàn)在都在明顯增強。
5G網(wǎng)絡的應用
5G網(wǎng)絡主要有三大應用：
- 增強的無線寬帶連接：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(qū)域的要求；
- 高可靠性關鍵控制應用：支持安防、遠程醫(yī)療、汽車電子和無人機等不同行業(yè)場景對高可靠性和低延遲的要求。
預計到2025年，全球?qū)⒂谐^100億個聯(lián)網(wǎng)的智能設備及物聯(lián)網(wǎng)(IoT)節(jié)點，像光纖一樣快的5G網(wǎng)絡將為我們提供數(shù)千兆的即時訪問速度，我們將真正進入一個萬物互聯(lián)的世界。
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