千兆级LTE的技术突破助力拉开5G时代序幕

实现千兆级LTE的关键技术是什么？千兆级LTE 4G网络与毫米波5G网络如何兼容协调？5G如何推动智能硬件、物联网和云计算的快速发展？本文从高通最新发布的千兆级LTE和5G 调制解调器芯片的剖析来一一回答这些问题。

在今年香港4G/5G峰会上，澳洲无线网络运营商Telstra展示了全新的千兆级LTE网络，这一测试网络采用爱立信的网络基站设备，以及NETGEAR的千兆级LTE移动路由器。千兆级LTE设备采用的是Qualcomm骁龙X16调制解调器，可以实现“像光纤一样(fiber-like)”的1Gbps下载速度，是迈向5G网络移动体验的重要基石。

实现千兆级LTE的三种关键技术

千兆级LTE CAT-16速率是光纤级别的速率，这在无线通信领域算是一个新的突破。千兆级LTE是怎么实现的呢？实际上这是多种技术相互融合达到的，其中包括：

• 载波聚合
• 高阶调制
• 更高阶的MIMO

在这三个关键技术中，载波聚合是最容易实现的，也是最早被采用的。在Telstra的千兆级LTE网络场景中，Telstra有三个20MHz的授权频段，通过射频和基带技术可以把这三个载波的频段聚合起来。这也可以理解为将三个射频信道变成一个更宽的信道，就是3×20MHz = 60MHz。每个载波有2个数据流，三载波条件下一共有6个数据流。一个数据流就是64-QAM，速度是75Mbps。75Mbps×6=450Mbps，所以三载波聚合可以得到450Mbps的带宽。这是实现千兆级的关键技术之一，通过三个载波聚合将速度提升到450Mbps。

第二个关键技术是增强调制方式，通过提高收发器的复杂度，一个信号可以搬运更多的比特（bit）。采用256-QAM调制方式，一个信号可以承载8个bit，比以前64-QAM的一个信号承载6个bit提升了33%。一个数据流就从原来的75Mbps提升33%，变成了100Mbps。三载波聚合有6个数据流，加上256-QAM，一个数据流有100Mbps，所以现在达到600Mbps。

第三个关键技术是部署4x4 MIMO。在终端上部署更高阶的MIMO，即通过更多的天线和收发链路来实现更多的数据流。还是以Telstra的网络部署为例，它是在两个载波上部署了4×4，剩下的一个载波还是2×2。使用4x4 MIMIO技术之后，一个载波上的数据流数量从2个变成4个，这种部署下的三载波总共有10个数据流。在使用256-QAM的条件下，一个数据流是100Mbps，所以100Mbps×10就到1Gbps。

总之，通过扩展载波，增加信道的数量；通过调制方式的复杂度增加，每一个传输信号搬运更多的比特；通过更多的天线，更多的接收令，更高阶的MIMO形式，增加数据流的数量。综合以上这些这些技术，我们就可以达到1Gbps的速率。

千兆级LTE的应用场景

千兆级LTE技术及其实现网络可应用于多种用户体验场景和服务，比如沉浸式VR体验，以及与本地存取速度相当的云存储和云计算服务。如果要给未来的VR虚拟现实设备提供360度的视频，即需要4K解析度和120帧每秒的刷新率，那么需要的数据率大概是103Mbps，即一秒钟需要传输103M的数据。从LTE Cat.4到Cat.12，它们的平均速度是达不到这个要求的，而根据对骁龙X16 LTE调制解调器的实际仿真结果，它能够达到114Mbps的速率，因此完全可以支持360度全景VR的需求。

第二个应用场景是云端存储。现在智能手机上的闪存可以存储很多媒体内容文件，本地访问的速度大概是一秒可以存取116M的数据。但手机内存毕竟很有限，如果把多媒体内容文件存储在云端，且通信管道足够宽的话，采用骁龙X16 LTE调制解调器的千兆级LTE网络设备就能提供和闪存一样快的存取能力，访问云端存储文件的速度与访问手机上内嵌的本地媒体文件的速率几乎是一样的，用户已经感知不到差别了。

迈向5G时代

5G网络的发展

自从2010年开始部署4G网络以来，全球无线通信网络和智能手机市场得以迅速发展和增长，有数据显示截至2016年10月全球约有38亿部联网的智能设备。虽然4G LTE技术已经达到千兆级，但5G网络有更高的期望和要求，速度要达到20Gbps。未来几年，4G和5G网络肯定会重叠使用，而且还要有多模双连接的工作模式，这跟过去5、6年3G/4G重叠交替的情形类似。千兆级LTE的部署实际是为5G铺路，它们相互补充和协同工作，给大家提供一个无缝的用户体验。

虽然5G使用的技术很多都是从4G演化过来，比如5G网络使用的频谱、毫米波以及多天线阵列，但5G不是4G的简单升级和提速。无论从技术实现还是应用场景，下一代5G网络平台都将带动新的市场发展，特别是沉浸式虚拟/增强现实VR/AR、可穿戴智能设备和物联网(IoT)，这将开启万物互联的新时代。

5G毫米波网络

我们知道5G网络的频段现在还在探讨中，3GPP组织对于5G的各个层级，如终端接入网、核心网，还有如从物理层到链路层到应用层的规范，都还在制定中，因此还需要一段时间才能确定一个全球的5G标准。高通最近发布的X50 5G调制解调器是支持5G早期验证和技术储备的一款调制解调器芯片，针对几个比较特定的用户场景，比如Verizon的5G TF和Korea Telecom的5G-SIG规范，它们两个都是使用28GHz的毫米波频谱。

5G的一个载波是100MHz，X50可以使用8个100MHz的5G载波，聚合成800M的带宽。这个带宽可以提供下行5Gbps的速率，比1Gbps的千兆级LTE提升了5倍。据Qualcomm高级产品总监沈磊先生介绍，骁龙X50 5G调制解调器可以和毫米波收发器、电源管理以及集成了千兆LTE X16调制解调器的骁龙处理器一起协同工作。它既提供了4G或千兆级LTE，也提供了5G，可以实现双连接、多模支持。

5G支持的6GHz以下低频段，授权频段最多到3.5GHz，非授权频段大概到5GHz，这些频段都比较低，所以相对来讲带宽比较受限，而且也比较离散。因此，业界开始从2G、3G时代的6GHz频段去探索毫米波的部署。从上面的频谱分布图可以看出，右侧的频谱还可以使用，越往右，随着频段的提升，带宽也变得越来越宽，传输的数据就越来越多，从而提升传输速率。5G现在有意向在24GHz到100GHz频段中的几个点实现部署，比如24GHz附近、60GHz附近、75GHz附近。这还需要国际电信联盟和3GPP进行大量协商和准备的工作，但是在毫米波上部署5G的可能性很大。

为了得到更高的带宽，我们选择使用更高频率的毫米波，但毫米波频段的传输性能比较差。如何解决毫米波的劣势？答案恰恰也是在毫米波更高的频率上。采用自适应波束成形和波束追踪技术可以很好地补偿、甚至抵消掉它的劣势。通过使用高阶MIMO和天线阵列，可以形成很窄的波束，天线不需要再全向发射，而是把有限的能量都集中在一条线上进行传输，因此能量传输速率就可以得到明显提升，补偿快速衰减的频谱特性。此外，毫米波也可以很好地穿越障碍物，拥有很好的非视距传输效果，因此整个行业的信心现在都在明显增强。

5G网络的应用

5G网络主要有三大应用：

1. 增强的无线宽带连接：像光纤一样快的速度，高达20Gbps，支持360度VR体验；
2. 支持海量IOT部署：窄带LTE Cat M1/NB-1标准将支持物联网对低功耗、低成本和广泛覆盖区域的要求；
3. 高可靠性关键控制应用：支持安防、远程医疗、汽车电子和无人机等不同行业场景对高可靠性和低延迟的要求。