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[原创] 从4G向5G过渡,这四大技术不容忽视

半导体行业观察 ·2017-08-25 09:02·半导体行业观察
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移动网络从模拟网络发展到2G,再到现在主流的4G,除了给消费者带来了新的体验,还给移动设备及其应用生态带来了一个全新的变革。类似“手机直播”等以往未曾想过的产品的出现,从某个角度看,是开拓了一个新的产业。其他诸如万物互联、无人驾驶、大数据、高清VR、无人机远程操控等也在相机而动,对网络提出了更高的速率和更低的时延要求。


据华为mLAB数据预测,从2015~2020年,全球移动宽带用户将会增加1倍达到67亿。GSMA的报告也显示,到2020年,全球的蜂窝物联网连接数量也会达到10亿个。也就是说现有的4G不能完全满足新业务在峰值、容量、海量连接等多方面的要求。面对快速增加的数据需求,而5G尚未到来之际,3GPP顺势推出了LTE-Advanced Pro(也就是LTE-A-Pro,俗称4.5G)标准,解决开发者、运营商和消费者的困扰。



什么是4.5G

据3GPP组织对LTE技术的进程和方向的规划,在2008年定下Rel 8标准进入LTE时代之后,又在2011年的Rel 10推出LTE-A。按照本来的计划,紧接着会是LTE-B、LTE-C,之后再进入5G。但是直到R12都没有如期带来LTE B,它和随后的Rel 13被俗称为Beyond 4 G,其中前者和Rel 11一起定义LTE-A的补充,而Rel 13则敲定了LTE-A-Pro,也就是4.5G。这是一个衔接4G和5G不可或缺的必经阶段,是5G技术部分的先期认证

LTE-A-Pro的Logo


从对Rel 13的解读中得知,4.5G已经推出的关键技术包括提升峰值和容量的多载波聚合(Massive CA)、高阶多天线(High Order MIMO)和高阶调制(256QAM),以及提供海量联接的窄带蜂窝物联网(NB-IoT)等技术。具体下来从以下几个方面做了提升:


1)增强型载波聚合(Carrier Aggregation, CA): R13的目标是支持32 CC 载波聚合,而在R10中,仅支持5 CC。


2)增强型机对机通信(MTC):更低的UE category,进一步减少物联网设备使用带宽、能耗,延长设备电池使用时间。


3)增强型LTE-U:为了面向高增长的流量需求,R13的目标是,主小区使用授权频谱,从小区使用未授权频谱。


4)室内定位:R13将致力于提升现有的室内定位技术,也探索新的定位方法,提高室内定位的准确性


5)增强的多用户传输技术:R13将采用叠加编码来提升下行多用户传输技术。


6)增强型MIMO:R13将致力于多达64天线端口的更高阶MIMO系统。


不同的设备商针对这个标准,也提出了自己的看法。例如阿尔卡特朗讯,在4.5G的无线层面关注了载波聚合、站点聚合、LTE小区和WLAN聚合;华为则在当中强调了M2M(machine to machine)和D2D(device to device市场


这里有几个技术要点我们需要重点关注,尤其是载波聚合、MIMO,以及为了提高网络传输和覆盖的高功率终端和256QAM 高阶调制。


4.5G给载波聚合带来更高的需求

不同世代网络速度的提升都是以技术的进步和变革为支撑的。在1G的时候,使用的是模拟技术;2G则进入了数字时代,需要TDMA和FDMA调频技术才能达到需求;3G时代则是CDMA的天下;到了4G则需要OFDM。这一切都是为了满足新应用的速度需求,那就需要解决由此带来的的技术挑战。


如在3GPP发布Rel 10的时候,为了满足LTE-A提出的下行峰速1 Gbps,上行峰速500 Mbps的要求而提出的解决办法。因为只有通过这个技术聚合那些频谱资源,才有可能提供达到上下行速度所需的最大100 MHz的传输带宽。这是在有限的频谱资源中达到目标的一种创新。


载波聚合的类型


所谓载波聚合,根据定义是将2个或更多的载波单元(Component Carrier, CC)聚合在一起以支持更大的传输带宽(最大为100MHz)。那就是说每个CC的最大带宽为20 MHz。为了高效地利用零碎的频谱,CA支持不同CC之间的聚合(如上图):相同或不同带宽的CCs、同一频带内,邻接或非邻接的CCs、不同频带内的CCs。通过整合这些零散的频谱,就能让带宽满足需求,达到所需的速度。



应用载波聚合技术,可以在多方面提升网络性能:


首先,提供更高的速率,显著提升用户体验,通过载波聚合,UE可基于实时的业务和QOS需求,在TTI级别上分享各成员载波的无线资源;


其次,通过用户的业务特性以及QoS、小区负荷、不同band之间的覆盖差异等因素进行判断,获得最大的增益,负载均衡效率更高,减少切换、降低掉话率;


再次,当在PCell和SCell上开启频选调度(FSS)功能时,可以实现大约10%的小区平均吞吐量增长。


因此这项技术在产业链上获得了高度的关注。


在Rel 10版本中,载波聚合技术最大可将系统带宽扩展到5CC的100MHz。而现在4.5G则带来了更高的速度需求,这也就需要在多载波聚合的支持。从Rel 13中得知,LTE-A-Pro将载波聚合的支持拓展到32CC,将最大带宽提高到640Mhz。这对于更多的消费者需求来说是必然的,但对于运营商、设备商和更上游的供应商来说,是一个新的挑战。但从现在的终端应用发展来看,如果不能跟上这种多载波聚合的发展趋势,必然会在4.5G和未来的5G大潮中痛失先机。


不同载波聚合对速度的影响


MIMO也是必不可少的重要角色

载波聚合的出现,让频谱资源紧缺带来的带宽问题得到了解决,但信道编码发展的停滞不前,又给信息传输速率带来了新的挑战,聪明的研究者就想到了MIMO(multiple-inputand multiple-output,多输入多输出)。这种拥有多个发射和接收天线的系统,向不同的方向发射和接受不同的信号,进而提升了传输速率。


MIMO的模式


从技术上看,MIMO主要有两种模式,分别是分级模式和复用模式。复用模式下,发射端两个天线同时发射不一样的数据,接受端两个天线同时接受不一样的数据,这样同一时间内就发送了双倍的数据,反应到用户面就是网速变快了;分集模式一般用于信号较弱的环境下,发射端两个天线同时发射一样的数据,接收端再把两个数据整合,这样的好处是干扰分集 ,同样也会增加吞吐量。


依赖于这些副天线能产生更多个精确的射频波束来实现更佳的信号质量;为单个移动终端传送两路、3路甚至4路数据流和多个用户终端可共享相关资源增大系统的吞吐能力等先天优势。也就是说MIMO不但能够大大提高无线频谱资源利用率,还能够提高小区边缘用户的移动宽带体验,是现代移动网络必不可少的重要角色。


其中2*2(双发双收)的MIMO速率变为2倍,4*4(4发4收)的MIMO速率变为4倍,这种成倍提高的通信速率,是MIMO倍受欢迎的重要原因。业界也认为MIMO是未来LTE及其后续演进网络发展的重要方向,特别是现在的4*4 MIMO


IHS Markit 的高级研究总监Stephane Teral表示,多天线技术可以有效提升覆盖和容量。在中低频,4x4MIMO 可以实现很好的性能,同时可以通过Massive MIMO在高频增加容量。多天线技术是LTE时代已经商用的技术,是LTE发展的重要方向。


从数据上看,相较传统LTE 2x2 MIMO,4x2 MIMO提升了26%的下行吞吐率,4x4 MIMO提升了74%的下行吞吐率,上行吞吐率也有近40%的提升。基于该技术的优异表现,多个方面“建议规模部署4x4 MIMO,并积极引入4x4 MIMO手机,以最大化网络价值”。


LTE-A阶段将通过部署4天线实现4x4 MIMO,可以实现单个20MHz带宽下峰值速率翻倍。这就给4.5G网络下布置4*4 MIMO带来了需求。


更重要的是,后续的5G升级中,这些4.5G的MIMO组网,后续可同频段平滑演进,也就是说,对任何一方都是有百利而无一害的。在实际部署中,通过将4X4MIMO和载波聚合结合起来,可实现峰值的进一步提升。


QAM:进一步提高频带利用率

为了进一步提升频带的利用率,开发者们在QAM上下了一番苦功,并获得了不错的成果。


所谓QAM,就是Quadrature Amplitude Modulation的简称,也就是正交振幅调制,这是近年来倍受通信产业重视的一种信号调制方式。这种数字信号调制方式同时以载波信号的幅度和相位来代表不同的数字比特编码,把多进位与正交载波技术结合起来,进一步提高频带利用率。


它是把2ASK和2PSK两种调制结合起来的调制技术,使得带宽得到双倍扩展。QAM调制技术用两路独立的基带信号对频率相同、相位正交的两个载波进行抑制载波双边带调幅,并将已调信号加在一起进行传输。nQAM代表n个状态的正交调幅,一般有二进制(4QAM)、四进制(16QAM)、八进制(64QAM)和现在正在主流推动的256进制(256QAM)。我们想要得到多进制的QAM信号,需将二进制信号转换为m电平的多进制信号,然后进行正交调制,最后相加输出。


QAM信号产生的框图


需要强调一下,QAM前方的数字越高,传输速率越高。如256-QAM,光是调变规格就比64-QAM多出4倍的传输速度。目前LTE-A网络常用的正交幅度调制仍为64QAM,但是阶数更高的调制方式256QAM的导入,将对提高网络效率和效益都大有裨益。当调制率从64QAM提高到256QAM,速率可在原有基础上提高1/3,因此业界都在推进256QAM。


换言之,原本20Mhz频宽+ 4*4 MIMO 的峰值传输速率为300Mbps ,若再加上256-QAM ,下行的峰值传输速率最可以变成400Mbps。更重要的是256 QAM调制不但可被应用于室内微小区,还可被应用于室外宏小区,能够把室外宏小区的容量最大化。


高功率终端提升蜂窝边缘覆盖

在以上技术的加持下,频谱利用率和网络的利用率都有了质的提高,但受限于频率本身和蜂窝的特性,在蜂窝边缘有信号减弱的挑战,这对现在的消费者来说,是一个不能被容忍的体验,这就给终端设备商及其供应商提出了新的问题。他们的应对方案就是Power Class 2。


据介绍,在2016年12月获得了3GPP认证的Power Class 2是LTE的新功率标准,是一项增加高性能用户设备 (HPUE) 和改进全球 2.5 GHz LTE TDD 覆盖面的行业计划中的一部分。从频率特性上看,这个高频信号无法传输得很远,因此蜂窝网络运营商需要一种能够提高功率输出的方法。这也正是Power Class 2所擅长的。


Power Class 2标准下的的最大发射功率为26 dBm±2(比现有功率等级上提高了3 dB)。需着重强调的是,Power class 2仅面向Band 41单载波上行链路。另外,如果上行发射功率不受限制,则提高的3 dB功率可能不能用于系统容量增强,此时,LTE上行链路就将需采取功率控制技术,以使网络性能最佳、干扰最小。



终端上行发射功率预算增大后,LTE(包括室内及室外网络)上行链路的性能及覆盖均会得到增强。再者增大终端上行发射功率后,LTE网络的“确认”信息下行就将可得到更好的支撑,进而可更高效地利用下行链路的吞吐性能(对于采取TCP协议的应用)。综上,把终端发射功率增大3 dB,可改善位于小区边缘的用户的业务体验。


通过这提高的3 dB,终端就可采取更高阶的调制与编码参数,上行链路频谱效率与容量就将可得到相应提高,而且,可减小上行链路传输小包(即TCP ACK/NACK)所用的时间,从而改善小区边缘的延迟/时延性能。


根据数据显示,若部署Power class 2,TD-LTE网络的上行覆盖范围最大可得到30%的改善,从而可减小上行与下行链路的差距。除了“仅TDD”这种部署模式,Power class 2还可用于解决“TDD-FDD载波聚合”多频LTE网络的低、中高、高覆盖非均匀问题,减小“TDD-FDD载波聚合”系统的总体研发及部署成本


也就是说,在这四大核心技术的推动下,我们所期待的高速、低延时网络近在眼前。(文/李寿鹏)


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