2016年2月，美國(guó)高通公司發(fā)布了驍龍X16千兆級(jí)LTE調(diào)制解調(diào)器，拉開(kāi)了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)千兆級(jí)LTE時(shí)代的序幕。今年初，澳大利亞正式商用全球第一張千兆級(jí)LTE網(wǎng)絡(luò)，標(biāo)志著這一技術(shù)步入實(shí)用階段。隨著各國(guó)運(yùn)營(yíng)商紛紛加快千兆級(jí)LTE網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試和部署進(jìn)程，很快我們就會(huì)在全球迎來(lái)新一代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及。
什么是千兆級(jí)LTE？
圖1：從LTE到千兆級(jí)LTE的演進(jìn)歷程
要了解千兆級(jí)LTE技術(shù)，首先我們要熟悉一下LTE技術(shù)的概念。LTE，全稱長(zhǎng)期演進(jìn)（Long Time Evolution），是由3GPP（The 3rd Generation Patnership Project，第三代合作伙伴計(jì)劃）組織制定的，關(guān)于UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，通用移動(dòng)通信系統(tǒng)）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)期進(jìn)化方案，又稱4G（4th Generation，第四代移動(dòng)通信）技術(shù)，是3G技術(shù)的后繼者。與3G通信技術(shù)相比，4G的最大進(jìn)化就是數(shù)據(jù)傳輸帶寬大幅提升，由10Mbps級(jí)別提升到了100Mbps級(jí)別。4G網(wǎng)絡(luò)在全球的廣泛普及，|極大推動(dòng)了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展。
隨著4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)基本完畢，通信行業(yè)又將目光轉(zhuǎn)向了新一代通信技術(shù)，以進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)帶寬、降低網(wǎng)絡(luò)延遲、擴(kuò)大服務(wù)范圍。在這樣的需求下，4G LTE標(biāo)準(zhǔn)的主要貢獻(xiàn)者美國(guó)高通公司，又主導(dǎo)推動(dòng)了千兆級(jí)LTE標(biāo)準(zhǔn)，又稱LTE A-Pro。
與4G LTE相比，千兆級(jí)LTE是前者的技術(shù)升級(jí)，仍屬于4G通信技術(shù)的范疇，但也是通向5G（第五代移動(dòng)通信）技術(shù)的基石。千兆級(jí)LTE的最大特性，就是通信帶寬從100Mbps提升到了1Gbps甚至更高，達(dá)到了高速光纖寬帶的水平。
速度提升10倍！千兆級(jí)LTE如何實(shí)現(xiàn)Gbps超高帶寬
作為L(zhǎng)TE技術(shù)的升級(jí)方案，運(yùn)營(yíng)商遷移到千兆級(jí)LTE網(wǎng)絡(luò)需要做的工作不是太多，技術(shù)實(shí)用化的關(guān)鍵是用戶端的調(diào)制解調(diào)器技術(shù)升級(jí)。高通公司在2016年發(fā)布的驍龍X16 LTE調(diào)制解調(diào)器是業(yè)內(nèi)第一顆支持千兆級(jí)LTE技術(shù)的調(diào)制解調(diào)器，同樣也是首款商用的千兆級(jí)調(diào)制解調(diào)器。2017年初發(fā)布的驍龍835移動(dòng)平臺(tái)就集成了驍龍X16 LTE調(diào)制解調(diào)器，標(biāo)志著千兆級(jí)LTE技術(shù)在用戶端正式實(shí)用化。
接下來(lái)，我們就以驍龍X16 LTE調(diào)制解調(diào)器為例，介紹千兆級(jí)LTE技術(shù)的關(guān)鍵特性和實(shí)現(xiàn)原理，它們分別是高級(jí)載波聚合、高階調(diào)制、高級(jí)MIMO、增強(qiáng)頻段接入和超低延遲。
1、高級(jí)載波聚合
圖2：高級(jí)載波聚合——最多5個(gè)20MHZ載波
所謂載波，就是通信網(wǎng)絡(luò)中用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)的頻譜資源。例如，基站與終端使用一個(gè)700-710MHZ的頻段來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，這就是一個(gè)10MHZ的載波。顯然，傳輸數(shù)據(jù)的頻譜越寬，帶寬也就越高。
但是可用于長(zhǎng)距離通信的頻譜資源是有限的，加上抗干擾能力、功耗發(fā)熱等因素，網(wǎng)絡(luò)通信可用的頻譜并不多，且較為分散。在4G網(wǎng)絡(luò)中，常用的載波頻譜寬度只有20MHZ，這一數(shù)字短期是很難大幅提升的。
為了實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，高通公司創(chuàng)新地引入了載波聚合這一概念。所謂載波聚合，就是同時(shí)利用多個(gè)分散的載波傳輸數(shù)據(jù)，使得總頻譜寬度大幅提升，從而顯著提升帶寬的方案。在千兆級(jí)LTE標(biāo)準(zhǔn)中，最多可以同時(shí)使用5個(gè)20MHZ的載波進(jìn)行數(shù)據(jù)下傳，總帶寬最高100MHZ。
驍龍X16 LTE調(diào)制解調(diào)器支持4個(gè)載波聚合傳輸，而今年發(fā)布的驍龍X20 LTE調(diào)制解調(diào)器則更是支持5個(gè)載波聚合。載波聚合不僅大幅提升了數(shù)據(jù)傳輸效率，還明顯增強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆�(wěn)定性。多個(gè)載波即便有一兩個(gè)受到干擾也不會(huì)導(dǎo)致傳輸中斷或帶寬明顯下降，用戶體驗(yàn)更出色。此外，載波聚合充分利用了碎片化的頻譜資源，無(wú)需運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行大規(guī)模技術(shù)升級(jí)（不用去擴(kuò)大每個(gè)載波的帶寬），也降低了千兆級(jí)LTE網(wǎng)絡(luò)的部署成本。
然而，載波聚合技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來(lái)也有一些困難。將數(shù)據(jù)分散在多個(gè)載波上傳輸，調(diào)制解調(diào)器就需要很高的處理速度來(lái)實(shí)時(shí)分配數(shù)據(jù)包，確保數(shù)據(jù)流平均分配到每個(gè)載波上；當(dāng)某個(gè)載波出現(xiàn)干擾，有效帶寬降低時(shí)，調(diào)制解調(diào)器還需要迅速響應(yīng)，減少這一載波的負(fù)載；不同載波的數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸{(diào)制解調(diào)器端時(shí)，調(diào)制解調(diào)器要精確地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，避免出錯(cuò)；多個(gè)載波同時(shí)工作，對(duì)調(diào)制解調(diào)器的功耗、抗干擾能力的壓力也要大得多。
高通在研發(fā)千兆級(jí)LTE調(diào)制解調(diào)器時(shí)，付出了大量努力來(lái)解決上述問(wèn)題。驍龍X16 LTE調(diào)制解調(diào)器基于先進(jìn)的14nm工藝制造，核心數(shù)據(jù)處理性能遠(yuǎn)超其它產(chǎn)品，抗干擾性能也更勝一籌。結(jié)果，實(shí)現(xiàn)4載波聚合的同時(shí)，驍龍X16 LTE調(diào)制解調(diào)器的功耗水平更低，穩(wěn)定性更好，表現(xiàn)非常出色。
2、高階調(diào)制
圖3：高階調(diào)制——從64QAM到256QAM
千兆級(jí)LTE的第二大關(guān)鍵技術(shù)是256-QAM。QAM全稱正交振幅調(diào)制，是將傳輸數(shù)據(jù)的載波進(jìn)行信號(hào)調(diào)幅以擴(kuò)展帶寬的方式。數(shù)據(jù)在傳送前被分解為多路，經(jīng)過(guò)QAM處理后同時(shí)由載波發(fā)送出去，從而提升傳輸帶寬。
4G LTE標(biāo)準(zhǔn)使用的QAM規(guī)格是64-QAM。64是2的6次冪，所以64-QAM每次發(fā)送的信號(hào)有6bit。高通在千兆級(jí)LTE標(biāo)準(zhǔn)中將QAM擴(kuò)展到了256-QAM，也就是每次發(fā)送8bit的數(shù)據(jù)，有效帶寬比64-QAM提升1/3。
更精細(xì)的QAM調(diào)制也需要調(diào)制解調(diào)器有更高水平的運(yùn)算速度與抗干擾能力。為此，高通大幅提升了驍龍X16 LTE調(diào)制解調(diào)器的核心性能，并引入了更加可靠的誤碼處理機(jī)制，使256-QAM的可靠性、穩(wěn)定性達(dá)到了與64-QAM相當(dāng)?shù)乃�。而先進(jìn)的制造工藝也讓驍龍X16 LTE調(diào)制解調(diào)器不會(huì)因更復(fù)雜的調(diào)制解調(diào)任務(wù)而消耗更多的電力。
3、高級(jí)MIMO
圖4：高級(jí)MIMO——4到8路天線同時(shí)收發(fā)
MIMO，亦即多路發(fā)射/接受，是指在數(shù)據(jù)的發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)天線，同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)以成倍提升帶寬的方式。
在4G LTE技術(shù)中，MIMO的規(guī)格被限制在了2x2，也就是2路天線收發(fā)數(shù)據(jù)。千兆級(jí)LTE標(biāo)準(zhǔn)最高支持8x8的MIMO。而驍龍X16 LTE調(diào)制解調(diào)器目前支持在兩個(gè)載波上實(shí)現(xiàn)4x4MIMO的傳輸，也就是用四根天線同時(shí)接收數(shù)據(jù)。
MIMO的技術(shù)難點(diǎn)在于不同天線之間的互相干擾，以及對(duì)分流數(shù)據(jù)的處理和聚合。驍龍X16 LTE調(diào)制解調(diào)器使用了全新的高通WTR5975 RF收發(fā)器，使用一顆芯片就可同時(shí)處理四路天線的數(shù)據(jù)收發(fā)工作，最大程度降低了不同天線數(shù)據(jù)干擾的幾率。同時(shí)，驍龍X16 LTE調(diào)制解調(diào)器強(qiáng)大的核心處理性能讓多路天線的數(shù)據(jù)分發(fā)、聚合工作也變得非常輕松，充分利用了多天線的帶寬優(yōu)勢(shì)。
4、增強(qiáng)頻段接入
圖5：增強(qiáng)頻段接入——多種頻段無(wú)縫切換
增強(qiáng)頻段接入是高通在千兆級(jí)LTE技術(shù)上的又一重要?jiǎng)?chuàng)新。眾所周知，4G LTE標(biāo)準(zhǔn)分為FDD和TDD兩大分支，很多運(yùn)營(yíng)商都會(huì)同時(shí)部署TDD和FDD網(wǎng)絡(luò)。此外，還有很多頻段（如2.4G/5G，常用于WiFi連接）也可以在LTE傳輸中加以利用。通過(guò)增強(qiáng)頻段接入，千兆級(jí)LTE網(wǎng)絡(luò)可以同時(shí)利用FDD、TDD與其他頻段進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，或者在不同頻段間無(wú)縫切換，提升性能和穩(wěn)定性。
例如，某地區(qū)的TDD網(wǎng)絡(luò)信號(hào)較好，此時(shí)終端以TDD標(biāo)準(zhǔn)接入網(wǎng)絡(luò)；終端移動(dòng)到室內(nèi)時(shí)，室內(nèi)的5GHZ頻段連接條件更佳，則終端就可以無(wú)縫切換到這一頻段以保證傳輸速度和穩(wěn)定性，過(guò)程中用戶完全不會(huì)察覺(jué)。在增強(qiáng)頻段的支持下，運(yùn)營(yíng)商可以在不同環(huán)境中部署最合適的網(wǎng)絡(luò)接入頻段，充分利用不同頻段的各自優(yōu)勢(shì)，降低網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本。
驍龍X16 LTE調(diào)制解調(diào)器是最先應(yīng)用增強(qiáng)頻段接入的調(diào)制解調(diào)器產(chǎn)品。今年早前發(fā)布的全球首款1.2Gbps調(diào)制解調(diào)器——驍龍X20 LTE 調(diào)制解調(diào)器繼承了這一特性。關(guān)于增強(qiáng)頻段接入與運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)部署的更多細(xì)節(jié)將在下一篇文章中具體分析。
5、超低延遲
圖6：超低延遲
此外，千兆級(jí)LTE標(biāo)準(zhǔn)還在降低數(shù)據(jù)傳輸延遲方面做出了努力。通過(guò)改進(jìn)LTE的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)，縮短各個(gè)傳輸環(huán)節(jié)中的信號(hào)處理周期，千兆級(jí)LTE的傳輸延遲可以比4G LTE降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。
圖7：超低延遲的實(shí)現(xiàn)
高通在調(diào)制解調(diào)器中的改進(jìn)也使傳輸延遲進(jìn)一步縮短。得益于更高的處理速度、優(yōu)化的軟件架構(gòu)、高度集成的芯片設(shè)計(jì)與先進(jìn)工藝帶來(lái)的低功耗、低干擾特性，驍龍X16和X20 LTE調(diào)制解調(diào)器在數(shù)據(jù)延遲方面有了明顯進(jìn)步。傳輸延遲顯著縮短之后，用戶的通話、游戲、直播視頻等體驗(yàn)就會(huì)更加流暢自然，很多需要實(shí)時(shí)響應(yīng)的工業(yè)設(shè)備也可以使用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和交互了。
千兆不是終點(diǎn)，只是新的開(kāi)始
在多種全新技術(shù)創(chuàng)新的幫助下，驍龍X16 LTE調(diào)制解調(diào)器得以實(shí)現(xiàn)最多10個(gè)數(shù)據(jù)流，每個(gè)數(shù)據(jù)流100Mbps的并行傳輸，下載速度最高可達(dá)1Gbps。然而，驍龍X16 LTE調(diào)制解調(diào)器并不是千兆級(jí)LTE的終點(diǎn)：今年初，高通發(fā)布了全球首款1.2Gbps調(diào)制解調(diào)器——驍龍X20 LTE 調(diào)制解調(diào)器，通過(guò)5路載波聚合使下載速度提升到了1.2Gbps，代表了當(dāng)前LTE技術(shù)的頂峰。
事實(shí)上，千兆級(jí)LTE技術(shù)是5G技術(shù)的基石，而今天的高通已經(jīng)在為5G做準(zhǔn)備了。業(yè)界第一顆5G標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制解調(diào)器，驍龍X50將于今年下半年出樣片，明年推出客戶終端產(chǎn)品，并在2018年韓國(guó)平昌冬奧會(huì)正式首次使用5G技術(shù)。驍龍X50 LTE調(diào)制解調(diào)器將支持8載波，采用自適應(yīng)波速成型和波速追蹤的MIMO天線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)最高5Gbps的峰值下載速度，只需8秒中即可下載5GB大小的電影。
圖8：5G技術(shù)展望
從驍龍X16到X50，高通公司幫助運(yùn)營(yíng)商和用戶無(wú)縫從4G LTE過(guò)渡到5G技術(shù)，并將在2019年首次上馬5G。無(wú)論對(duì)高通公司，還是對(duì)運(yùn)營(yíng)商和用戶而言，千兆帶寬都只是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)下一波浪潮的開(kāi)始。未來(lái)的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)將在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生怎樣的革新與變化，讓我們一起期待。
