【導讀】實現千兆級LTE的關鍵技術是什么？千兆級LTE 4G網絡與毫米波5G網絡如何兼容協調？5G如何推動智能硬件、物聯網和云計算的快速發展？本文從高通最新發布的千兆級LTE和5G 調制解調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，澳洲無線網絡運營商Telstra展示了全新的千兆級LTE網絡，這一測試網絡采用愛立信的網絡基站設備，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調制解調器，可以實現“像光纖一樣(fiber-like)”的1Gbps下載速度，是邁向5G網絡移動體驗的重要基石。
實現千兆級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的，也是最早被采用的。在Telstra的千兆級LTE網絡場景中，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個數據流，三載波條件下一共有6個數據流。一個數據流就是64-QAM，速度是75Mbps。75Mbps×6=450Mbps，所以三載波聚合可以得到450Mbps的帶寬。這是實現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制方式，通過提高收發器的復雜度，一個信號可以搬運更多的比特（bit）。采用256-QAM調制方式，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%。一個數據流就從原來的75Mbps提升33%，變成了100Mbps。三載波聚合有6個數據流，加上256-QAM，一個數據流有100Mbps，所以現在達到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鏈路來實現更多的數據流。還是以Telstra的網絡部署為例，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，一個載波上的數據流數量從2個變成4個，這種部署下的三載波總共有10個數據流。在使用256-QAM的條件下，一個數據流是100Mbps，所以100Mbps×10就到1Gbps。
總之，通過擴展載波，增加信道的數量；通過調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，增加數據流的數量。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技術及其實現網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的云存儲和云計算服務。如果要給未來的VR虛擬現實設備提供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要求的，而根據對驍龍X16 LTE調制解調器的實際仿真結果，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。現在智能手機上的閃存可以存儲很多媒體內容文件，本地訪問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，采用驍龍X16 LTE調制解調器的千兆級LTE網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嵌的本地媒體文件的速率幾乎是一樣的，用戶已經感知不到差別了。
邁向5G時代
5G網絡的發展
自從2010年開始部署4G網絡以來，全球無線通信網絡和智能手機市場得以迅速發展和增長，有數據顯示截至2016年10月全球約有38億部聯網的智能設備。雖然4G LTE技術已經達到千兆級，但5G網絡有更高的期望和要求，速度要達到20Gbps。未來幾年，4G和5G網絡肯定會重疊使用，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。無論從技術實現還是應用場景，下一代5G網絡平臺都將帶動新的市場發展，特別是沉浸式虛擬/增強現實VR/AR、可穿戴智能設備和物聯網(IoT)，這將開啟萬物互聯的新時代。
5G毫米波網絡
我們知道5G網絡的頻段現在還在探討中，3GPP組織對于5G的各個層級，如終端接入網、核心網，還有如從物理層到鏈路層到應用層的規范，都還在制定中，因此還需要一段時間才能確定一個全球的5G標準。高通最近發布的X50 5G調制解調器是支持5G早期驗證和技術儲備的一款調制解調器芯片，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Qualcomm高級產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同工作。它既提供了4G或千兆級LTE，也提供了5G，可以實現雙連接、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，所以相對來講帶寬比較受限，而且也比較離散。因此，業界開始從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，傳輸的數據就越來越多，從而提升傳輸速率。5G現在有意向在24GHz到100GHz頻段中的幾個點實現部署，比如24GHz附近、60GHz附近、75GHz附近。這還需要國際電信聯盟和3GPP進行大量協商和準備的工作，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，因此整個行業的信心現在都在明顯增強。
5G網絡的應用
5G網絡主要有三大應用：
- 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標準將支持物聯網對低功耗、低成本和廣泛覆蓋區域的要求；
- 高可靠性關鍵控制應用：支持安防、遠程醫療、汽車電子和無人機等不同行業場景對高可靠性和低延遲的要求。
預計到2025年，全球將有超過100億個聯網的智能設備及物聯網(IoT)節點，像光纖一樣快的5G網絡將為我們提供數千兆的即時訪問速度，我們將真正進入一個萬物互聯的世界。
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