【導(dǎo)讀】實(shí)現(xiàn)千兆級(jí)LTE的關(guān)鍵技術(shù)是什么？千兆級(jí)LTE 4G網(wǎng)絡(luò)與毫米波5G網(wǎng)絡(luò)如何兼容協(xié)調(diào)？5G如何推動(dòng)智能硬件、物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的快速發(fā)展？本文從高通最新發(fā)布的千兆級(jí)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(huì)上，澳洲無線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商Telstra展示了全新的千兆級(jí)LTE網(wǎng)絡(luò)，這一測(cè)試網(wǎng)絡(luò)采用愛立信的網(wǎng)絡(luò)基站設(shè)備，以及NETGEAR的千兆級(jí)LTE移動(dòng)路由器。千兆級(jí)LTE設(shè)備采用的是Qualcomm驍龍X16調(diào)制解調(diào)器，可以實(shí)現(xiàn)“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(yàn)的重要基石。
實(shí)現(xiàn)千兆級(jí)LTE的三種關(guān)鍵技術(shù)
千兆級(jí)LTE CAT-16速率是光纖級(jí)別的速率，這在無線通信領(lǐng)域算是一個(gè)新的突破。千兆級(jí)LTE是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？實(shí)際上這是多種技術(shù)相互融合達(dá)到的，其中包括：
- 載波聚合
- 高階調(diào)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(xiàn)的，也是最早被采用的。在Telstra的千兆級(jí)LTE網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中，Telstra有三個(gè)20MHz的授權(quán)頻段，通過射頻和基帶技術(shù)可以把這三個(gè)載波的頻段聚合起來。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(shù)據(jù)流，三載波條件下一共有6個(gè)數(shù)據(jù)流。一個(gè)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(shí)現(xiàn)千兆級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過三個(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(qiáng)調(diào)制方式，通過提高收發(fā)器的復(fù)雜度，一個(gè)信號(hào)可以搬運(yùn)更多的比特（bit）。采用256-QAM調(diào)制方式，一個(gè)信號(hào)可以承載8個(gè)bit，比以前64-QAM的一個(gè)信號(hào)承載6個(gè)bit提升了33%。一個(gè)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(gè)數(shù)據(jù)流，加上256-QAM，一個(gè)數(shù)據(jù)流有100Mbps，所以現(xiàn)在達(dá)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，即通過更多的天線和收發(fā)鏈路來實(shí)現(xiàn)更多的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)流數(shù)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(shù)據(jù)流。在使用256-QAM的條件下，一個(gè)數(shù)據(jù)流是100Mbps，所以100Mbps×10就到1Gbps。
總之，通過擴(kuò)展載波，增加信道的數(shù)量；通過調(diào)制方式的復(fù)雜度增加，每一個(gè)傳輸信號(hào)搬運(yùn)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(shù)，我們就可以達(dá)到1Gbps的速率。
千兆級(jí)LTE的應(yīng)用場(chǎng)景
千兆級(jí)LTE技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可應(yīng)用于多種用戶體驗(yàn)場(chǎng)景和服務(wù)，比如沉浸式VR體驗(yàn)，以及與本地存取速度相當(dāng)?shù)脑拼鎯?chǔ)和云計(jì)算服務(wù)。如果要給未來的VR虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)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(dá)不到這個(gè)要求的，而根據(jù)對(duì)驍龍X16 LTE調(diào)制解調(diào)器的實(shí)際仿真結(jié)果，它能夠達(dá)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(yīng)用場(chǎng)景是云端存儲(chǔ)?，F(xiàn)在智能手機(jī)上的閃存可以存儲(chǔ)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(jī)內(nèi)存畢竟很有限，如果把多媒體內(nèi)容文件存儲(chǔ)在云端，且通信管道足夠?qū)挼脑挘捎抿旪圶16 LTE調(diào)制解調(diào)器的千兆級(jí)LTE網(wǎng)絡(luò)設(shè)備就能提供和閃存一樣快的存取能力，訪問云端存儲(chǔ)文件的速度與訪問手機(jī)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(shí)代
5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展
自從2010年開始部署4G網(wǎng)絡(luò)以來，全球無線通信網(wǎng)絡(luò)和智能手機(jī)市場(chǎng)得以迅速發(fā)展和增長(zhǎng)，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(shè)備。雖然4G LTE技術(shù)已經(jīng)達(dá)到千兆級(jí)，但5G網(wǎng)絡(luò)有更高的期望和要求，速度要達(dá)到20Gbps。未來幾年，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，這跟過去5、6年3G/4G重疊交替的情形類似。千兆級(jí)LTE的部署實(shí)際是為5G鋪路，它們相互補(bǔ)充和協(xié)同工作，給大家提供一個(gè)無縫的用戶體驗(yàn)。
雖然5G使用的技術(shù)很多都是從4G演化過來，比如5G網(wǎng)絡(luò)使用的頻譜、毫米波以及多天線陣列，但5G不是4G的簡(jiǎn)單升級(jí)和提速。無論從技術(shù)實(shí)現(xiàn)還是應(yīng)用場(chǎng)景，下一代5G網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)都將帶動(dòng)新的市場(chǎng)發(fā)展，特別是沉浸式虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)VR/AR、可穿戴智能設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)，這將開啟萬物互聯(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(xiàn)在還在探討中，3GPP組織對(duì)于5G的各個(gè)層級(jí)，如終端接入網(wǎng)、核心網(wǎng)，還有如從物理層到鏈路層到應(yīng)用層的規(guī)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(biāo)準(zhǔn)。高通最近發(fā)布的X50 5G調(diào)制解調(diào)器是支持5G早期驗(yàn)證和技術(shù)儲(chǔ)備的一款調(diào)制解調(diào)器芯片，針對(duì)幾個(gè)比較特定的用戶場(chǎng)景，比如Verizon的5G TF和Korea Telecom的5G-SIG規(guī)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(jí)LTE提升了5倍。據(jù)Qualcomm高級(jí)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(jí)LTE，也提供了5G，可以實(shí)現(xiàn)雙連接、多模支持。
5G支持的6GHz以下低頻段，授權(quán)頻段最多到3.5GHz，非授權(quán)頻段大概到5GHz，這些頻段都比較低，所以相對(duì)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(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(cè)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(gè)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)部署，比如24GHz附近、60GHz附近、75GHz附近。這還需要國(guó)際電信聯(lián)盟和3GPP進(jìn)行大量協(xié)商和準(zhǔn)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(shì)？答案恰恰也是在毫米波更高的頻率上。采用自適應(yīng)波束成形和波束追蹤技術(shù)可以很好地補(bǔ)償、甚至抵消掉它的劣勢(shì)。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(jìn)行傳輸，因此能量傳輸速率就可以得到明顯提升，補(bǔ)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(xiàn)在都在明顯增強(qiáng)。
5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用
5G網(wǎng)絡(luò)主要有三大應(yīng)用：
- 增強(qiáng)的無線寬帶連接：像光纖一樣快的速度，高達(dá)20Gbps，支持360度VR體驗(yàn)；
- 支持海量IOT部署：窄帶LTE Cat M1/NB-1標(biāo)準(zhǔn)將支持物聯(lián)網(wǎng)對(duì)低功耗、低成本和廣泛覆蓋區(qū)域的要求；
- 高可靠性關(guān)鍵控制應(yīng)用：支持安防、遠(yuǎn)程醫(yī)療、汽車電子和無人機(jī)等不同行業(yè)場(chǎng)景對(duì)高可靠性和低延遲的要求。
預(yù)計(jì)到2025年，全球?qū)⒂谐^100億個(gè)聯(lián)網(wǎng)的智能設(shè)備及物聯(lián)網(wǎng)(IoT)節(jié)點(diǎn)，像光纖一樣快的5G網(wǎng)絡(luò)將為我們提供數(shù)千兆的即時(shí)訪問速度，我們將真正進(jìn)入一個(gè)萬物互聯(lián)的世界。
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