科普：千兆级LTE技术深度解析

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2016年2月，高通公司发布了Snapdragon x16千兆lte调制解调器，开启了移动互联网上的千兆lte时代。今年年初，澳大利亚将世界上第一个千兆位lte网络正式商业化，标志着这项技术已经进入实用阶段。随着全球运营商加快测试和部署千兆位lte网络，我们将很快迎来新一代移动互联网技术在全球的普及。

什么是千兆位lte？

图1:从长期演进到千兆位长期演进

要理解千兆位lte技术，我们首先应该熟悉lte技术的概念。长期演进的全称是Lte，由3gpp(第三代合作伙伴计划，第三代合作伙伴计划)组织和制定，与UMTS(通用移动通信系统)相关。通用移动通信系统技术标准的长期演进方案，也称为4g(第四代)技术，是3g技术的继承者。与3g通信技术相比，4g的最大进步是数据传输带宽从10mbps大幅提高到100mbps。4g网络在全球的广泛普及极大地推动了移动互联网产业的发展。

随着4g网络建设的完成，通信行业已经将注意力转向新一代通信技术，以进一步提高网络带宽，减少网络延迟，扩大服务范围。在这种需求下，4g lte标准的主要贡献者高通公司率先推广了千兆位lte标准，也就是lte a-pro。

与4g lte相比，千兆位lte是前者的技术升级，后者仍然属于4g通信技术的范畴，但它也是通向5g(第五代移动通信)技术的基石。千兆位lte的最大特点是通信带宽从100mbps提高到1gbps甚至更高，达到了高速光纤宽带的水平。

快10倍！如何在千兆lte中实现gbps超高带宽作为lte技术的升级方案，运营商迁移到千兆lte网络的工作并不多，而实用技术的关键是在用户端升级调制解调器技术。高通公司于2016年发布的Snapdragon x16 lte调制解调器是业界第一款支持千兆位lte技术的调制解调器，也是第一款商用千兆位调制解调器。2017年初发布的Snapdragon 835移动平台集成了Snapdragon x16 lte调制解调器，这标志着千兆lte技术正式在用户端投入实际使用。

接下来，以Snapdragon x16 lte调制解调器为例，介绍了千兆位lte技术的关键特性和实现原理，即先进的载波聚合、高阶调制、先进的mimo、增强的频带接入和超低延迟。

1.高级载波聚合

图2:高级载波聚合-最高5个20mhz载波

载波是通信网络中用于传输数据的频谱资源。例如，基站和终端使用700-710mhz频带来传输数据，这是10mhz载波。显然，传输数据的频谱越宽，带宽就越高。

然而，可用于长距离通信的频谱资源是有限的。加上抗干扰能力、功耗等因素，可用于网络通信的频谱并不多且分散。在4g网络中，常用的载波频谱宽度只有20mhz，短期内很难大幅增加。

为了实现更高的数据传输带宽，高通公司创新性地引入了载波聚合的概念。所谓的载波聚合是一种使用多个分散的载波同时传输数据的方案，因此总频谱宽度大大增加，从而带宽显著增加。在千兆位lte标准中，最多五个20mhz载波可同时用于数据下行链路，总带宽最高可达100mhz。

Snapdragon x16 lte调制解调器支持四个载波聚合传输，而今年发布的Snapdragon x20 lte调制解调器支持五个载波聚合。载波聚合不仅大大提高了数据传输的效率，而且显著增强了数据传输的稳定性。即使一个或两个载波受到干扰，也不会造成传输中断或带宽减少，用户体验会更好。此外，载波聚合充分利用了分散的频谱资源，不需要运营商进行大规模的技术升级(不需要扩展每个载波的带宽)，这也降低了千兆lte网络的部署成本。

然而，载波聚合技术的实现存在一些困难。当数据在多个载波上传输时，调制解调器需要很高的处理速度来实时分发数据包，保证数据流均匀地分布到每个载波上；当载波有干扰且有效带宽降低时，调制解调器需要快速响应以降低该载波的负载；当不同载波的数据传输到调制解调器时，调制解调器应该准确地组合数据以避免错误；当多个载波同时工作时，对调制解调器的功耗和抗干扰能力的压力更大。

高通公司在开发千兆位lte调制解调器时为解决上述问题付出了巨大努力。Snapdragon x16 lte调制解调器是基于先进的14nm技术制造的，其核心数据处理性能远远优于其他产品，抗干扰性能也很优越。因此，Snapdragon x16 lte调制解调器在实现4载波聚合的同时，具有更低的功耗、更好的稳定性和出色的性能。

2.高阶调制

图3:高阶调制-从64qam到256qam

千兆位lte的第二个关键技术是256-qam。Qam，称为正交幅度调制，是一种通过对数据传输的载波进行幅度调制来扩展带宽的方法。在传输之前，数据被分解成多个通道，经过qam处理后，同时通过载波发送出去，从而增加了传输带宽。

4g lte标准使用的qam规范是64-qam。64是2的6次方，因此64-qam发送的信号每次都有6位。高通公司在Gigabit lte标准中将qam扩展到256-qam，这意味着它一次发送8位数据，与64-qam相比，有效带宽增加了1/3。

更精细的qam调制也要求调制解调器具有更高的操作速度和抗干扰能力。因此，高通公司大大提高了Snapdragon x16 lte调制解调器的核心性能，并引入了更可靠的误码处理机制，使256-qam的可靠性和稳定性与64-qam相当。先进的制造技术还使得Snapdragon x16 lte调制解调器不会因为更复杂的调制和解调任务而消耗更多功率。

3.高级mimo

图4:高级多输入多输出-4到8个天线同时发射和接收

多输入多输出，即多信道发送/接收，是指在数据的发送端和接收端使用多个天线，同时发送数据以使带宽翻倍的方式。

在4g lte技术中，mimo的规格限制为2x2，即两个天线发送和接收数据。千兆位lte标准支持高达8x8的mimo。目前，Snapdragon x16 lte调制解调器支持两个载波上的4x4mimo传输，即四个天线同时接收数据。

多输入多输出的技术难点在于不同天线之间的相互干扰以及分割数据的处理和聚合。Snapdragon x16 lte调制解调器使用全新的高通wtr5975射频收发器，可以用一个芯片同时处理四个天线的数据传输和接收，从而最大限度地降低不同天线的数据干扰概率。同时，Snapdragon x16 lte调制解调器强大的核心处理性能使得多天线的数据分发和聚合变得非常容易，并且充分利用了多天线的带宽优势。

4.增强频带接入

图5:增强的频带接入-多个频带的无缝切换

增强频带接入是高通公司在千兆位lte技术方面的另一项重要创新。众所周知，4g lte标准分为fdd和tdd，许多运营商将同时部署tdd和fdd网络。此外，还有许多频段(如2.4g/5g，通常用于wifi连接)也可用于lte传输。通过增强频带接入，Gigabit lte网络可以使用fdd和tdd与其他频带同时传输数据，或者在不同频带之间无缝切换以提高性能和稳定性。

例如，某一区域的tdd网络信号良好，此时终端接入tdd标准的网络；当终端移动到室内时，室内5ghz频段的连接条件较好，因此终端可以无缝切换到该频段，以保证传输速度和稳定性，并且在此过程中用户不会注意到。在增强型频段的支持下，运营商可以在不同的环境下部署最合适的网络接入频段，充分利用不同频段各自的优势，降低网络建设和运营成本。

小龙x16 lte调制解调器是第一个应用增强型频段接入的调制解调器产品。Snapdragon x20 lte调制解调器是今年早些时候发布的全球首款1.2gbps调制解调器，继承了这一特性。下一篇文章将分析更多关于增强型频段接入和运营商网络部署的细节。

5.超低延迟

图6:超低延迟

此外，千兆位lte标准已经努力减少数据传输延迟。通过改进lte的数据传输结构和缩短每个传输链路的信号处理周期，千兆位lte的传输延迟可以比4g lte降低一个数量级。

图7:超低延迟的实现

高通在调制解调器方面的改进也进一步缩短了传输延迟。得益于更高的处理速度、优化的软件架构、高度集成的芯片设计以及先进技术带来的低功耗和低干扰，Snapdragon x16和x20 lte调制解调器在数据延迟方面取得了显著进步。传输延迟显著缩短后，用户的通话、游戏和视频直播等体验将更加流畅和自然，许多需要实时响应的工业设备也可以使用移动互联网进行远程控制和交互。

千兆位不是终点，而是一个新的开始。借助各种新的技术创新，Snapdragon x16 lte调制解调器可以实现多达10个数据流，每个数据流可以以100mbps的速度并行传输，下载速度可以达到1gbps。然而，Snapdragon x16 lte调制解调器并不是Gigabit lte的终点:今年年初，高通公司发布了全球首款1.2 bps调制解调器Snapdragon x20 lte调制解调器，它通过五个载波聚合将下载速度提高到1.2 bps，代表了当前lte技术的巅峰。

事实上，千兆位lte技术是5g技术的基石，今天高通公司已经在为5g做准备。业界首款5g标准调制解调器Snapdragon x50将于今年下半年上市，其客户终端产品将于明年上市。它将在2018年韩国平昌冬奥会上首次正式使用5g技术。小龙x50 lte调制解调器将支持8个载波，采用自适应波速整形和波速跟踪的mimo天线技术，峰值下载速度可达5gbps，下载5gb大小的电影仅需8秒钟。

图8: 5 G技术展望

从Snapdragon x16到x50，高通帮助运营商和用户从4g lte无缝过渡到5g技术，并将于2019年首次推出5g。对于高通公司、运营商和用户来说，千兆带宽只是下一波移动互联网的开始。让我们期待在此基础上未来移动互联网将会产生什么样的创新和变化。

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