在移動通信領域，高通一直走在業(yè)界的前列。在日前于深圳高通創(chuàng)新中心舉行的媒體沙龍上，高通無線半導體技術有限公司上海分公司產品市場總監(jiān)沈磊不僅詳細介紹了其在上個月公布的全球首款5G調制解調器驍龍X50和今年2月份推出的千兆級LTE調制解調器驍龍X16，還透露了其面向物聯網的LTE布局。從千兆級LTE技術到5G再到面向物聯網的LTE布局，高通究竟在下一盤怎樣的棋？
千兆級 LTE調制解調器驍龍X16是怎樣煉成的？
前不久，NETGEAR推出的全球首款千兆級LTE移動終端——移動路由器MR1100，以及由愛立信支持的Telstra全新千兆級LTE網絡，就是基于驍龍X16調制解調器和Qualcomm® Wi-Fi解決方案。
“千兆級速率是光纖級別的速率，這在無線領域可以說是一個很高的標桿。”高通無線半導體技術有限公司上海分公司產品市場總監(jiān)沈磊表示，千兆級速率實際上是多種技術相互融合而達到的，這其中應用到的幾個主要技術包括載波聚合、高階調制和更高階的MIMO。
千兆級LTE的基礎，首先是載波聚合，載波至少要20MHz的帶寬。“以前GSM是200KHz，WCDMA和HSPA+是5MHz，而到了LTE最少是一個載波20MHz。”沈磊稱，在這個基礎上，LTE的調制方式也比2G和3G有了一個升級。下行初始的調制方式是64-QAM，一個無線信號可以傳輸6個bit。另外LTE從最初的Cat.4往上的標準，都需要MIMO。門檻是2x2MIMO，這指的是在接收端要有兩個天線，有兩個接收的射頻通路。簡言之，相當于有兩個數據流。
相對高階調制和更高階的MIMO，載波聚合是最容易實現，也是最早被采用的。沈磊以Telstra的場景為例稱， Telstra有三個授權頻段，每個頻段都是20MHz，它可以通過射頻和基帶技術，把這三個載波或這三個頻段聚合起來，即把三個射頻信道變成一個更寬的信道，就是3×20MHz，實際上就是60MHz。每個載波就有2個數據流，三載波條件下一共有6個數據流。一個數據流就是64-QAM，速度是75Mbps。75Mbps×6=450Mbps，所以三載波聚合可以得到450Mbps的帶寬。這是實現千兆級的技術之一，通過三個載波聚合將速度可提升到450Mbps。
其次是增強調制方式，下行鏈路256-QAM。通過提高收發(fā)器的復雜度，一個信號可以搬運更多的比特（bit）。256-QAM是一個信號可以承載8個bit，比以前64-QAM的一個信號承載6個bit提升了33%。“一個數據流就從原來的75Mbps提升33%，就變成了100Mbps。三載波聚合有6個流，通過256-QAM一個數據流上有100Mbps，所以變成是100Mbps×6，可以達到600Mbps。”沈磊解釋稱，這是通過三載波聚合，加上256-QAM之后，可以到達這樣一個水平。
三是部署4x4MIMO。這意味著在終端上部署更高階的MIMO，更多的天線，更多的收發(fā)鏈路，更多的數據流。沈磊依然以Telstra的部署為例解釋稱，它是在兩個載波上部署了4×4MIMIO，剩下的一個載波還是2×2MIMIO。使用4x4MIMIO技術之后，一個載波上的數據流數量從2個變成4個，這種部署下的三載波，就是4+4+2，10個數據流。在256-QAM的條件下，一個數據流是100Mbps，所以100Mbps×10就到1Gbps。
“通過以上這三個主要的技術，我們可以達到1Gbps。”沈磊說，之所以三個載波不全部用4x4MIMIO，這是一個系統(tǒng)復雜程度的權衡結果。現階段，業(yè)界能支持最好的技術，最多能夠做到10個數據流。雖然后面還會演進，但是到X16這個modem，做到10個數據流已經是它的極限了。“不過，Qualcomm已經在計劃后續(xù)的產品。數據流肯定會不斷增加，未來會做到12個數據流，甚至15個數據流。”
實際上，現在做4x4MIMO技術，還有幾個難關需要攻克。沈磊舉例稱，LTE的基準點是需要兩個天線，也就是最少2x2MIMO。而現在手機越來越薄，但電池、應用處理器、相機模組等越來越大，留給天線的空間已越來越小，而且手機的技術外殼會妨礙天線性能，天線的性能實際在下降，2x2MIMO在研發(fā)上已經有一定的挑戰(zhàn)。如果做4x4MIMO，要四個鏈路，四套天線，難度更大。不過，沈磊同時也指出，一些全球領先的廠家現在已經攻克了輕薄的手機里面做四個天線的技術，如面向北美T-Mobile的三星Galaxy S7/S7 EDGE就是4x4MIMO，還有Sony Xperia XZ，它們都是基于驍龍820處理器。中國也有很多廠家在這方面發(fā)力，相信未來不久，大量的廠家都可以爬過這個難關。
“Qualcomm的驍龍X16調制解調器非常靈活，不過它的能力最多就是做四載波聚合，最多是10個數據流，這在業(yè)界已是最高的能力，也是目前速度最快的無線連接。”沈磊稱，事實上，做到1Gbps之后，每個運營商可根據自己頻段的資產情況，對載波靈活部署?？梢?00MHz一個，900MHz一個，1.8GHz一個?？梢杂幸徊糠州d波是TDD的，有一部分載波是FDD，可以混合地聚合在一起。此外，得益于對LAA和LTE-U的支持，減少了所需授權頻譜的數量——可減少至40 MHz或更少——將顯著增加全球可部署千兆級LTE速率網絡的運營商數量。
據介紹，在Qualcomm剛剛發(fā)布的驍龍835處理器中就集成了驍龍X16 LTE調制解調器。
沈磊表示，得益于驍龍X16 LTE調制解調器千兆級的LTE速度，用戶將能夠享受到其突破性功能帶來的優(yōu)勢，如360度虛擬現實內容的實時傳送、全新的影音娛樂體驗（快速緩存超高保真音樂和電影）、即時APP應用（無需下載安裝即可享用）、更快更無縫的云端應用與服務的訪問。同時也將使得云存儲或將擁有媲美本地閃存的讀取速度。“從2G到3G到4G的發(fā)展過程當中，每一次無線通訊帶寬速率上去之后，很快后面的應用和服務都會跟上，相信數據速率達到1G之上，運營商各方面的部署和服務完成，應用和服務開發(fā)者會有非常多的創(chuàng)意，讓大家體會到全新移動寬帶的體驗。”
首款5G調制解調器X50面世 意在加速5G全球標準5G- NR制定
除了千兆級LTE調制解調器，沈磊也詳細介紹了Qualcomm在香港的4G/5G峰會上發(fā)布了5G調制解調器——X50 。這也是是業(yè)界首款5G modem產品。
驍龍™X50旨在支持OEM廠商打造下一代蜂窩終端，并協助運營商開展早期5G試驗和部署。沈磊指出，5G的頻段現在還在探討中，3GPP組織對于整個5G的各個層級，如終端接入網、核心網，還有如從物理層到鏈路層到應用層的規(guī)范，還在制定當中。因此還需要一段時間才能看到一個全球標準出現。“那么，X50 5G調制解調器的出現，主要是針對在3GPP標準出現之前運營商的前期部署，比如Verizon的5G TF和Korea Telecom的5G-SIG規(guī)范，它們都是28GHz的毫米波。”
驍龍X50 5G調制解調器最初將支持在28GHz頻段毫米波（mmWave）頻譜的運行。它采用支持自適應波束成形和波束追蹤技術的多輸入多輸出（MIMO）天線技術，在非視距（NLOS）環(huán)境中實現穩(wěn)定、持續(xù)的移動寬帶通信。通過支持800MHz帶寬，驍龍X50 5G調制解調器旨在支持最高達每秒5千兆比特的峰值下載速度。這比1Gbps的千兆級LTE提升了5倍。
此外，X50支持雙連接的多模4G/5G。“驍龍X50 5G調制解調器能夠與集成千兆級LTE調制解調器的Qualcomm®驍龍™處理器搭配，并通過雙連接（dual-connectivity）緊密協調配合，可用于4G/5G多模移動寬帶和固定無線寬帶終端。”
沈磊進一步解釋稱，實現千兆級LTE的其中一個很重要的技術就是載波聚合，這在5G上體現的更明顯。5G支持的6GHz以下低頻段，授權頻段最多到3.5G，非授權頻段大概到5GHz，這些頻段都比較低，所以帶寬相對比較受限，且比較離散。每個運營商、每個國家和地區(qū)使用的頻段也各不相同。這是因為在從2G到3G的發(fā)展過程中，很多頻段都被占用了，還有很多拿出來做一些其他的應用，因此，在能夠找到的頻段中，各個國家使用的各不相同，同時也比較離散。
在6GHz以下頻段，驍龍X16 LTE調制解調器可以根據不同情況靈活地將四個載波聚合在一起，不管載波是在授權頻段還是在非授權頻段，它都可以聚合在一起。在4G 時代，它最多聚合四個載波，最多10個數據流。到5G時代，以驍龍X50調制解調器為例，它支持28GHz的高頻段，頻段高了之后，帶寬也會明顯增加。那么到毫米波這個頻段，它將會是幾百兆、甚至千兆級的帶寬。“帶寬越寬，單位時間可以搬運的數據就越多。驍龍X50 5G調制解調器在28GHz頻段上運行，它可以在這個頻段上聚合八個載波，每個載波支持100MHz帶寬，那就是800MHz帶寬，從而實現數據傳輸能力的明顯提升，數據傳輸速率從千兆級一直到5Gbps，這是最主要的因素。”
為什么要從2G、3G時代的6GHz頻段，去探索毫米波的部署？沈磊稱這是因為還有更高的頻譜可以使用。隨著頻段的提升，帶寬也變得越來越寬，傳輸的數據就越來越多，從而提升傳輸速率。“毫米波是波長在毫米數量級的電磁波，現在寬泛定義頻率在24GHz以上就可以叫毫米波。5G現在有意向在24GHz到100GHz頻段中的好幾個點實現部署，比如24GHz附近、60GHz附近、75GHz附近，當然這還需要國際電信聯盟和3GPP進行大量協商和準備的工作，但是在毫米波上部署5G是很大的可能之一。”沈磊認為，“5G可以使用毫米波，但并不一定非要使用毫米波。5G是追求增強型移動寬帶、海量物聯網部署和關鍵業(yè)務型服務的低時延。”
沈磊表示，增強型移動寬帶需要更高帶寬、更高數據傳輸速率，因此它使用毫米波的可能性是比較大的。他指出，5G也可以在6GHz以下頻段運行，傳統(tǒng)的2G/3G的頻譜用來做5G也是完全有可能的。“以前2G/3G沒有使用毫米波的原因是毫米波的傳輸性能劣于低頻段。在開放空間傳輸數據時，氧分子對它的吸收會比低頻譜明顯，所以毫米波頻譜衰減的比較快。另外，這個頻譜穿過/繞過障礙物的能力比較差。為了得到更高的數據傳輸速率，我們必須要有更高的帶寬，為了得到更高的帶寬，我們選擇使用毫米波，因此對于如何抵消掉毫米波的劣勢，答案恰恰也是在毫米波更高的頻率上。”沈磊說，通過使用自適應波束成形和波束追蹤技術便可以很好地補償、甚至抵消掉它的劣勢。實際上，毫米波波長意味著更小的天線，但需要集成更多天線共同工作。“多個天線的優(yōu)勢就是它可以形成一個天線陣列，每個天線會發(fā)出自己的振幅和相位。如果我們能比較聰明地控制這些天線，讓它發(fā)出的每個電磁波的空間互相抵消或者增強，就可以形成一個波束，而不再是全向發(fā)射。”
通過對5G毫米波的研發(fā)測試得出的結果來看，UE可智能地選擇接收和發(fā)送的最佳子天線陣；選定的子天線陣利用波束追蹤和波束控制，跟蹤來自eNodeB（eNB）的關聯波束；即使在非視距射頻信道和UE移動的場景下，也同樣可實現穩(wěn)定的移動寬帶通信。“通過實驗，我們發(fā)現通過波束成形技術、利用反射和折射，毫米波也仍然可以很好的穿越障礙物，擁有很好的非視距傳輸效果，因此整個行業(yè)的信心現在都明顯增強。”
驍龍X50 5G平臺包括調制解調器、SDR051毫米波收發(fā)器和支持性的PMX50電源管理芯片。驍龍X50 5G調制解調器預計將于2017年下半年開始出樣，首批商用終端預計在2018年上半年推出。“這個基本上還會配合Verizon 5G TF和Korea Telecom這兩個運營商的試驗和部署，由他們來決定具體的時間段。”沈磊說，“我們的目標是加速5G全球標準——5G新空口（NR，New Radio）的制定。”
4G LTE與5G將長期共存
“5G并不是憑空產生的，是4G LTE以及其他通信技術的累積，水到渠成非常平滑地發(fā)展到了5G。”沈磊表示，千兆級LTE是向5G發(fā)展中非常重要的一步，其使用的很多技術都是在為5G鋪路。5G使用頻譜的可能性、毫米波以及多天線陣列等，很多是4G或其他技術如802.11ad線路的發(fā)展演化。
沈磊認為，從目前來看，4G仍然還有10到15年甚至更長的演進期，高通會積極推動LTE和5G的并行發(fā)展。“在5G開始部署的這些年里，5G不可能一夜之間就部署的非常完整，一定是從熱點地區(qū)開始部署，慢慢擴展。在開始的很多年里面，4G和5G一定會重疊，還是多模雙連接的工作模式。”沈磊說，千兆級LTE的部署，它和5G是相互補充、協同工作，給大家提供一個無縫的用戶體驗。“現在是LTE、LTE-A、LTE-A Pro，它會和5G長期共存和互補。這是未來5G全球標準商業(yè)化的步驟。”
“實際上，從3G過渡到4G，經過這些年的發(fā)展還是互補的關系，甚至現在2G還在用。這也是為什么大家看到手機都是多模的手機。2G、3G、4G包括各種頻段都在協同工作。”沈磊進一步說，4G的覆蓋現在慢慢在地理范圍上相對比較完整，在過去的6-7年里，4G是慢慢擴大的，3G給它提供了很大的補充和承載的基礎，5G的發(fā)展過程也會是這樣。
面向物聯網的LTE技術：Cat-M1和Cat-NB1是未來主流通訊方式
根據市場研究機構預測，到2025年會有超過50億的基于蜂窩技術的物聯網連接。瞄準這個巨大的市場，Qualcomm也在著力發(fā)展面向物聯網的LTE技術。“LTE在向更快速率、更廣覆蓋、以及更先進的方向發(fā)展，同時也在向價格更低廉、更小巧、更海量裝機的方向發(fā)展，催生未來面向物聯網的LTE技術。”沈磊說。
LTE支持萬物互聯，最需要解決的幾大個問題是：降低復雜度、降低成本、降低功耗、提高電池壽命，并增加網絡覆蓋。目前，智慧城市、移動健康、可穿戴設備、移動醫(yī)療等很多行業(yè)都在等待有一個價格更低廉、更低功耗、更高節(jié)點密度的LTE技術，為行業(yè)帶來革命性的改變。應對這樣的要求，國際標準化組織3GPP在今年6月份的Release 13發(fā)布了兩個全新LTE規(guī)格，一個是Cat-M1（eMTC），另外是Cat-NB1。雖然很多IoT都在使用LTE Cat-4或LTE Cat-1，但全新窄帶技術Cat-M1和Cat-NB1將更高效地支持物聯網用例，降低系統(tǒng)的復雜程度，降低Modem或模塊的成本，向GSM成本靠近，甚至突破它的成本。另外，還可提升電池的續(xù)航能力，實現更高的節(jié)點密度。
隨著3GGP對LTE的增強，LTE的優(yōu)勢得到很大提升。“LTE的網絡覆蓋是非常大的優(yōu)勢，基本上到處都有LTE覆蓋，而Cat-M1、Cat-NB1的部署，完全可以在現有LTE網絡上做很小的改動。LTE擁有很大的擴展性，即提供的服務帶寬是可以調整的?，F在的已經存量的基站、終端、核心網都可以滿足。”沈磊認為，未來IoT領域主流的通信方式是采用Cat-M1和Cat-NB1，但技術還會演進，向5G發(fā)展。而其他的那些私有的規(guī)范會成為相對比較小的存在。
Cat-M1和Cat-NB1規(guī)格各有優(yōu)劣，Cat-M1依然保留了移動性，一定的帶寬和數據速率和一定語音能力，而Cat-NB1就更強調成本和功耗，覆蓋率更遠。“目前全球運營商在20多個不同的頻段上計劃部署這兩個規(guī)格，如果一個模塊支持所有頻段，并支持這兩種規(guī)格，那么成本優(yōu)化就更加明顯，不管成本、功耗、移動性、數據率以及靈活部署將都很均衡，并且可把各種應用場景都覆蓋。”沈磊說，基于此，Qualcomm充分利用這兩種技術，在不久前已宣布將推出支持Cat-M1和Cat-NB1雙模芯片MDM9206，一顆芯片有兩種模式，支持所有頻段。“目前MDM9206已經獲得大多數業(yè)界領先的OEM廠商和模塊廠商的終端設計，而基于MDM9206的模塊預計將在2017年初發(fā)布。”
實際上，今年年初，高通就曾推出了MDM9x07系列調制解調器（基于Cat4/Cat1），目前已經被60多個廠商所采用，100多款產品在設計和上市過程中。
沈磊直言，Release 13現已完成，Qualcomm通過單一解決方案可滿足全球生態(tài)系統(tǒng)的需求。無疑，在3GPP全球標準豐富的5G路線圖支持下，LTE 物聯網技術將在3GPP Release 13的基礎上持續(xù)演進，并增加全新特性，例如通過對多播和定位的支持，為窄帶5G物聯網奠定基礎。
