在移动通信领域,高通一直走在业界的前列。在日前于深圳高通创新中心举行的媒体沙龙上,高通无线半导体技术有限公司上海分公司产品市场总监沈磊不仅详细介绍了其在上个月公布的全球首款5G调制解调器骁龙X50和今年2月份推出的千兆级LTE调制解调器骁龙X16,还透露了其面向物联网的LTE布局。从千兆级LTE技术到5G再到面向物联网的LTE布局,高通究竟在下一盘怎样的棋?

千兆级 LTE调制解调器骁龙X16是怎样炼成的?

前不久,NETGEAR推出的全球首款千兆级LTE移动终端——移动路由器MR1100,以及由爱立信支持的Telstra全新千兆级LTE网络,就是基于骁龙X16调制解调器和Qualcomm® Wi-Fi解决方案。 LTE5Gimage001 “千兆级速率是光纤级别的速率,这在无线领域可以说是一个很高的标杆。”高通无线半导体技术有限公司上海分公司产品市场总监沈磊表示,千兆级速率实际上是多种技术相互融合而达到的,这其中应用到的几个主要技术包括载波聚合、高阶调制和更高阶的MIMO。 LTE5Gimage003 千兆级LTE的基础,首先是载波聚合,载波至少要20MHz的带宽。“以前GSM是200KHz,WCDMA和HSPA+是5MHz,而到了LTE最少是一个载波20MHz。”沈磊称,在这个基础上,LTE的调制方式也比2G和3G有了一个升级。下行初始的调制方式是64-QAM,一个无线信号可以传输6个bit。另外LTE从最初的Cat.4往上的标准,都需要MIMO。门槛是2x2MIMO,这指的是在接收端要有两个天线,有两个接收的射频通路。简言之,相当于有两个数据流。

相对高阶调制和更高阶的MIMO,载波聚合是最容易实现,也是最早被采用的。沈磊以Telstra的场景为例称, Telstra有三个授权频段,每个频段都是20MHz,它可以通过射频和基带技术,把这三个载波或这三个频段聚合起来,即把三个射频信道变成一个更宽的信道,就是3×20MHz,实际上就是60MHz。每个载波就有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。这是实现千兆级的技术之一,通过三个载波聚合将速度可提升到450Mbps。

其次是增强调制方式,下行链路256-QAM。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)。256-QAM是一个信号可以承载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%,就变成了100Mbps。三载波聚合有6个流,通过256-QAM一个数据流上有100Mbps,所以变成是100Mbps×6,可以达到600Mbps。”沈磊解释称,这是通过三载波聚合,加上256-QAM之后,可以到达这样一个水平。 LTE5Gimage005 三是部署4x4MIMO。这意味着在终端上部署更高阶的MIMO,更多的天线,更多的收发链路,更多的数据流。沈磊依然以Telstra的部署为例解释称,它是在两个载波上部署了4×4MIMIO,剩下的一个载波还是2×2MIMIO。使用4x4MIMIO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,就是4+4+2,10个数据流。在256-QAM的条件下,一个数据流是100Mbps,所以100Mbps×10就到1Gbps。 LTE5Gimage007 “通过以上这三个主要的技术,我们可以达到1Gbps。”沈磊说,之所以三个载波不全部用4x4MIMIO,这是一个系统复杂程度的权衡结果。现阶段,业界能支持最好的技术,最多能够做到10个数据流。虽然后面还会演进,但是到X16这个modem,做到10个数据流已经是它的极限了。“不过,Qualcomm已经在计划后续的产品。数据流肯定会不断增加,未来会做到12个数据流,甚至15个数据流。”

实际上,现在做4x4MIMO技术,还有几个难关需要攻克。沈磊举例称,LTE的基准点是需要两个天线,也就是最少2x2MIMO。而现在手机越来越薄,但电池、应用处理器、相机模组等越来越大,留给天线的空间已越来越小,而且手机的技术外壳会妨碍天线性能,天线的性能实际在下降,2x2MIMO在研发上已经有一定的挑战。如果做4x4MIMO,要四个链路,四套天线,难度更大。不过,沈磊同时也指出,一些全球领先的厂家现在已经攻克了轻薄的手机里面做四个天线的技术,如面向北美T-Mobile的三星Galaxy S7/S7 EDGE就是4x4MIMO,还有Sony Xperia XZ,它们都是基于骁龙820处理器。中国也有很多厂家在这方面发力,相信未来不久,大量的厂家都可以爬过这个难关。

“Qualcomm的骁龙X16调制解调器非常灵活,不过它的能力最多就是做四载波聚合,最多是10个数据流,这在业界已是最高的能力,也是目前速度最快的无线连接。”沈磊称,事实上,做到1Gbps之后,每个运营商可根据自己频段的资产情况,对载波灵活部署。可以700MHz一个,900MHz一个,1.8GHz一个。可以有一部分载波是TDD的,有一部分载波是FDD,可以混合地聚合在一起。此外,得益于对LAA和LTE-U的支持,减少了所需授权频谱的数量——可减少至40 MHz或更少——将显著增加全球可部署千兆级LTE速率网络的运营商数量。

据介绍,在Qualcomm刚刚发布的骁龙835处理器中就集成了骁龙X16 LTE调制解调器。

沈磊表示,得益于骁龙X16 LTE调制解调器千兆级的LTE速度,用户将能够享受到其突破性功能带来的优势,如360度虚拟现实内容的实时传送、全新的影音娱乐体验(快速缓存超高保真音乐和电影)、即时APP应用(无需下载安装即可享用)、更快更无缝的云端应用与服务的访问。同时也将使得云存储或将拥有媲美本地闪存的读取速度。“从2G到3G到4G的发展过程当中,每一次无线通讯带宽速率上去之后,很快后面的应用和服务都会跟上,相信数据速率达到1G之上,运营商各方面的部署和服务完成,应用和服务开发者会有非常多的创意,让大家体会到全新移动宽带的体验。”

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首款5G调制解调器X50面世 意在加速5G全球标准5G- NR制定

除了千兆级LTE调制解调器,沈磊也详细介绍了Qualcomm在香港的4G/5G峰会上发布了5G调制解调器——X50 。这也是是业界首款5G modem产品。 LTE5Gimage011 骁龙™X50旨在支持OEM厂商打造下一代蜂窝终端,并协助运营商开展早期5G试验和部署。沈磊指出,5G的频段现在还在探讨中,3GPP组织对于整个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,还在制定当中。因此还需要一段时间才能看到一个全球标准出现。“那么,X50 5G调制解调器的出现,主要是针对在3GPP标准出现之前运营商的前期部署,比如Verizon的5G TF和Korea Telecom的5G-SIG规范,它们都是28GHz的毫米波。” LTE5Gimage013 骁龙X50 5G调制解调器最初将支持在28GHz频段毫米波(mmWave)频谱的运行。它采用支持自适应波束成形和波束追踪技术的多输入多输出(MIMO)天线技术,在非视距(NLOS)环境中实现稳定、持续的移动宽带通信。通过支持800MHz带宽,骁龙X50 5G调制解调器旨在支持最高达每秒5千兆比特的峰值下载速度。这比1Gbps的千兆级LTE提升了5倍。

此外,X50支持双连接的多模4G/5G。“骁龙X50 5G调制解调器能够与集成千兆级LTE调制解调器的Qualcomm®骁龙™处理器搭配,并通过双连接(dual-connectivity)紧密协调配合,可用于4G/5G多模移动宽带和固定无线宽带终端。” LTE5Gimage015 沈磊进一步解释称,实现千兆级LTE的其中一个很重要的技术就是载波聚合,这在5G上体现的更明显。5G支持的6GHz以下低频段,授权频段最多到3.5G,非授权频段大概到5GHz,这些频段都比较低,所以带宽相对比较受限,且比较离散。每个运营商、每个国家和地区使用的频段也各不相同。这是因为在从2G到3G的发展过程中,很多频段都被占用了,还有很多拿出来做一些其他的应用,因此,在能够找到的频段中,各个国家使用的各不相同,同时也比较离散。

在6GHz以下频段,骁龙X16 LTE调制解调器可以根据不同情况灵活地将四个载波聚合在一起,不管载波是在授权频段还是在非授权频段,它都可以聚合在一起。在4G 时代,它最多聚合四个载波,最多10个数据流。到5G时代,以骁龙X50调制解调器为例,它支持28GHz的高频段,频段高了之后,带宽也会明显增加。那么到毫米波这个频段,它将会是几百兆、甚至千兆级的带宽。“带宽越宽,单位时间可以搬运的数据就越多。骁龙X50 5G调制解调器在28GHz频段上运行,它可以在这个频段上聚合八个载波,每个载波支持100MHz带宽,那就是800MHz带宽,从而实现数据传输能力的明显提升,数据传输速率从千兆级一直到5Gbps,这是最主要的因素。”

为什么要从2G、3G时代的6GHz频段,去探索毫米波的部署?沈磊称这是因为还有更高的频谱可以使用。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。“毫米波是波长在毫米数量级的电磁波,现在宽泛定义频率在24GHz以上就可以叫毫米波。5G现在有意向在24GHz到100GHz频段中的好几个点实现部署,比如24GHz附近、60GHz附近、75GHz附近,当然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是很大的可能之一。”沈磊认为,“5G可以使用毫米波,但并不一定非要使用毫米波。5G是追求增强型移动宽带、海量物联网部署和关键业务型服务的低时延。” LTE5Gimage017 沈磊表示,增强型移动宽带需要更高带宽、更高数据传输速率,因此它使用毫米波的可能性是比较大的。他指出,5G也可以在6GHz以下频段运行,传统的2G/3G的频谱用来做5G也是完全有可能的。“以前2G/3G没有使用毫米波的原因是毫米波的传输性能劣于低频段。在开放空间传输数据时,氧分子对它的吸收会比低频谱明显,所以毫米波频谱衰减的比较快。另外,这个频谱穿过/绕过障碍物的能力比较差。为了得到更高的数据传输速率,我们必须要有更高的带宽,为了得到更高的带宽,我们选择使用毫米波,因此对于如何抵消掉毫米波的劣势,答案恰恰也是在毫米波更高的频率上。”沈磊说,通过使用自适应波束成形和波束追踪技术便可以很好地补偿、甚至抵消掉它的劣势。实际上,毫米波波长意味着更小的天线,但需要集成更多天线共同工作。“多个天线的优势就是它可以形成一个天线阵列,每个天线会发出自己的振幅和相位。如果我们能比较聪明地控制这些天线,让它发出的每个电磁波的空间互相抵消或者增强,就可以形成一个波束,而不再是全向发射。” LTE5Gimage019 通过对5G毫米波的研发测试得出的结果来看,UE可智能地选择接收和发送的最佳子天线阵;选定的子天线阵利用波束追踪和波束控制,跟踪来自eNodeB(eNB)的关联波束;即使在非视距射频信道和UE移动的场景下,也同样可实现稳定的移动宽带通信。“通过实验,我们发现通过波束成形技术、利用反射和折射,毫米波也仍然可以很好的穿越障碍物,拥有很好的非视距传输效果,因此整个行业的信心现在都明显增强。” LTE5Gimage021 骁龙X50 5G平台包括调制解调器、SDR051毫米波收发器和支持性的PMX50电源管理芯片。骁龙X50 5G调制解调器预计将于2017年下半年开始出样,首批商用终端预计在2018年上半年推出。“这个基本上还会配合Verizon 5G TF和Korea Telecom这两个运营商的试验和部署,由他们来决定具体的时间段。”沈磊说,“我们的目标是加速5G全球标准——5G新空口(NR,New Radio)的制定。”

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4G LTE与5G将长期共存

“5G并不是凭空产生的,是4G LTE以及其他通信技术的累积,水到渠成非常平滑地发展到了5G。”沈磊表示,千兆级LTE是向5G发展中非常重要的一步,其使用的很多技术都是在为5G铺路。5G使用频谱的可能性、毫米波以及多天线阵列等,很多是4G或其他技术如802.11ad线路的发展演化。

沈磊认为,从目前来看,4G仍然还有10到15年甚至更长的演进期,高通会积极推动LTE和5G的并行发展。“在5G开始部署的这些年里,5G不可能一夜之间就部署的非常完整,一定是从热点地区开始部署,慢慢扩展。在开始的很多年里面,4G和5G一定会重叠,还是多模双连接的工作模式。”沈磊说,千兆级LTE的部署,它和5G是相互补充、协同工作,给大家提供一个无缝的用户体验。“现在是LTE、LTE-A、LTE-A Pro,它会和5G长期共存和互补。这是未来5G全球标准商业化的步骤。”

“实际上,从3G过渡到4G,经过这些年的发展还是互补的关系,甚至现在2G还在用。这也是为什么大家看到手机都是多模的手机。2G、3G、4G包括各种频段都在协同工作。”沈磊进一步说,4G的覆盖现在慢慢在地理范围上相对比较完整,在过去的6-7年里,4G是慢慢扩大的,3G给它提供了很大的补充和承载的基础,5G的发展过程也会是这样。

面向物联网的LTE技术:Cat-M1和Cat-NB1是未来主流通讯方式

根据市场研究机构预测,到2025年会有超过50亿的基于蜂窝技术的物联网连接。瞄准这个巨大的市场,Qualcomm也在着力发展面向物联网的LTE技术。“LTE在向更快速率、更广覆盖、以及更先进的方向发展,同时也在向价格更低廉、更小巧、更海量装机的方向发展,催生未来面向物联网的LTE技术。”沈磊说。

LTE支持万物互联,最需要解决的几大个问题是:降低复杂度、降低成本、降低功耗、提高电池寿命,并增加网络覆盖。目前,智慧城市、移动健康、可穿戴设备、移动医疗等很多行业都在等待有一个价格更低廉、更低功耗、更高节点密度的LTE技术,为行业带来革命性的改变。应对这样的要求,国际标准化组织3GPP在今年6月份的Release 13发布了两个全新LTE规格,一个是Cat-M1(eMTC),另外是Cat-NB1。虽然很多IoT都在使用LTE Cat-4或LTE Cat-1,但全新窄带技术Cat-M1和Cat-NB1将更高效地支持物联网用例,降低系统的复杂程度,降低Modem或模块的成本,向GSM成本靠近,甚至突破它的成本。另外,还可提升电池的续航能力,实现更高的节点密度。 LTE5Gimage025 随着3GGP对LTE的增强,LTE的优势得到很大提升。“LTE的网络覆盖是非常大的优势,基本上到处都有LTE覆盖,而Cat-M1、Cat-NB1的部署,完全可以在现有LTE网络上做很小的改动。LTE拥有很大的扩展性,即提供的服务带宽是可以调整的。现在的已经存量的基站、终端、核心网都可以满足。”沈磊认为,未来IoT领域主流的通信方式是采用Cat-M1和Cat-NB1,但技术还会演进,向5G发展。而其他的那些私有的规范会成为相对比较小的存在。

Cat-M1和Cat-NB1规格各有优劣,Cat-M1依然保留了移动性,一定的带宽和数据速率和一定语音能力,而Cat-NB1就更强调成本和功耗,覆盖率更远。“目前全球运营商在20多个不同的频段上计划部署这两个规格,如果一个模块支持所有频段,并支持这两种规格,那么成本优化就更加明显,不管成本、功耗、移动性、数据率以及灵活部署将都很均衡,并且可把各种应用场景都覆盖。”沈磊说,基于此,Qualcomm充分利用这两种技术,在不久前已宣布将推出支持Cat-M1和Cat-NB1双模芯片MDM9206,一颗芯片有两种模式,支持所有频段。“目前MDM9206已经获得大多数业界领先的OEM厂商和模块厂商的终端设计,而基于MDM9206的模块预计将在2017年初发布。” LTE5Gimage027 实际上,今年年初,高通就曾推出了MDM9x07系列调制解调器(基于Cat4/Cat1),目前已经被60多个厂商所采用,100多款产品在设计和上市过程中。 LTE5Gimage029 沈磊直言,Release 13现已完成,Qualcomm通过单一解决方案可满足全球生态系统的需求。无疑,在3GPP全球标准丰富的5G路线图支持下,LTE 物联网技术将在3GPP Release 13的基础上持续演进,并增加全新特性,例如通过对多播和定位的支持,为窄带5G物联网奠定基础。

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