2016年2月，美國高通公司發布了驍龍X16千兆級LTE調制解調器，拉開了移動互聯網千兆級LTE時代的序幕。今年初，澳大利亞正式商用全球第一張千兆級LTE網絡，標志著這一技術步入實用階段。隨著各國運營商紛紛加快千兆級LTE網絡的測試和部署進程，很快我們就會在全球迎來新一代移動互聯網技術的普及。
什么是千兆級LTE？
圖1：從LTE到千兆級LTE的演進歷程
要了解千兆級LTE技術，首先我們要熟悉一下LTE技術的概念。LTE，全稱長期演進（Long Time Evolution），是由3GPP（The 3rd Generation Patnership Project，第三代合作伙伴計劃）組織制定的，關于UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，通用移動通信系統）技術標準的長期進化方案，又稱4G（4th Generation，第四代移動通信）技術，是3G技術的后繼者。與3G通信技術相比，4G的最大進化就是數據傳輸帶寬大幅提升，由10Mbps級別提升到了100Mbps級別。4G網絡在全球的廣泛普及，|極大推動了移動互聯網行業的發展。
隨著4G網絡建設基本完畢，通信行業又將目光轉向了新一代通信技術，以進一步提升網絡帶寬、降低網絡延遲、擴大服務范圍。在這樣的需求下，4G LTE標準的主要貢獻者美國高通公司，又主導推動了千兆級LTE標準，又稱LTE A-Pro。
與4G LTE相比，千兆級LTE是前者的技術升級，仍屬于4G通信技術的范疇，但也是通向5G（第五代移動通信）技術的基石。千兆級LTE的最大特性，就是通信帶寬從100Mbps提升到了1Gbps甚至更高，達到了高速光纖寬帶的水平。
速度提升10倍！千兆級LTE如何實現Gbps超高帶寬
作為LTE技術的升級方案，運營商遷移到千兆級LTE網絡需要做的工作不是太多，技術實用化的關鍵是用戶端的調制解調器技術升級。高通公司在2016年發布的驍龍X16 LTE調制解調器是業內第一顆支持千兆級LTE技術的調制解調器，同樣也是首款商用的千兆級調制解調器。2017年初發布的驍龍835移動平臺就集成了驍龍X16 LTE調制解調器，標志著千兆級LTE技術在用戶端正式實用化。
接下來，我們就以驍龍X16 LTE調制解調器為例，介紹千兆級LTE技術的關鍵特性和實現原理，它們分別是高級載波聚合、高階調制、高級MIMO、增強頻段接入和超低延遲。
1、高級載波聚合
圖2：高級載波聚合——最多5個20MHZ載波
所謂載波，就是通信網絡中用來傳輸數據的頻譜資源。例如，基站與終端使用一個700-710MHZ的頻段來傳輸數據，這就是一個10MHZ的載波。顯然，傳輸數據的頻譜越寬，帶寬也就越高。
但是可用于長距離通信的頻譜資源是有限的，加上抗干擾能力、功耗發熱等因素，網絡通信可用的頻譜并不多，且較為分散。在4G網絡中，常用的載波頻譜寬度只有20MHZ，這一數字短期是很難大幅提升的。
為了實現更高的數據傳輸帶寬，高通公司創新地引入了載波聚合這一概念。所謂載波聚合，就是同時利用多個分散的載波傳輸數據，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LTE標準中，最多可以同時使用5個20MHZ的載波進行數據下傳，總帶寬最高100MHZ。
驍龍X16 LTE調制解調器支持4個載波聚合傳輸，而今年發布的驍龍X20 LTE調制解調器則更是支持5個載波聚合。載波聚合不僅大幅提升了數據傳輸效率，還明顯增強了數據傳輸的穩定性。多個載波即便有一兩個受到干擾也不會導致傳輸中斷或帶寬明顯下降，用戶體驗更出色。此外，載波聚合充分利用了碎片化的頻譜資源，無需運營商進行大規模技術升級（不用去擴大每個載波的帶寬），也降低了千兆級LTE網絡的部署成本。
然而，載波聚合技術實現起來也有一些困難。將數據分散在多個載波上傳輸，調制解調器就需要很高的處理速度來實時分配數據包，確保數據流平均分配到每個載波上；當某個載波出現干擾，有效帶寬降低時，調制解調器還需要迅速響應，減少這一載波的負載；不同載波的數據傳輸到調制解調器端時，調制解調器要精確地對數據進行合并，避免出錯；多個載波同時工作，對調制解調器的功耗、抗干擾能力的壓力也要大得多。
高通在研發千兆級LTE調制解調器時，付出了大量努力來解決上述問題。驍龍X16 LTE調制解調器基于先進的14nm工藝制造，核心數據處理性能遠超其它產品，抗干擾性能也更勝一籌。結果，實現4載波聚合的同時，驍龍X16 LTE調制解調器的功耗水平更低，穩定性更好，表現非常出色。
2、高階調制
圖3：高階調制——從64QAM到256QAM
千兆級LTE的第二大關鍵技術是256-QAM。QAM全稱正交振幅調制，是將傳輸數據的載波進行信號調幅以擴展帶寬的方式。數據在傳送前被分解為多路，經過QAM處理后同時由載波發送出去，從而提升傳輸帶寬。
4G LTE標準使用的QAM規格是64-QAM。64是2的6次冪，所以64-QAM每次發送的信號有6bit。高通在千兆級LTE標準中將QAM擴展到了256-QAM，也就是每次發送8bit的數據，有效帶寬比64-QAM提升1/3。
更精細的QAM調制也需要調制解調器有更高水平的運算速度與抗干擾能力。為此，高通大幅提升了驍龍X16 LTE調制解調器的核心性能，并引入了更加可靠的誤碼處理機制，使256-QAM的可靠性、穩定性達到了與64-QAM相當的水平。而先進的制造工藝也讓驍龍X16 LTE調制解調器不會因更復雜的調制解調任務而消耗更多的電力。
3、高級MIMO
圖4：高級MIMO——4到8路天線同時收發
MIMO，亦即多路發射/接受，是指在數據的發射端和接收端分別使用多個天線，同時傳輸數據以成倍提升帶寬的方式。
在4G LTE技術中，MIMO的規格被限制在了2x2，也就是2路天線收發數據。千兆級LTE標準最高支持8x8的MIMO。而驍龍X16 LTE調制解調器目前支持在兩個載波上實現4x4MIMO的傳輸，也就是用四根天線同時接收數據。
MIMO的技術難點在于不同天線之間的互相干擾，以及對分流數據的處理和聚合。驍龍X16 LTE調制解調器使用了全新的高通WTR5975 RF收發器，使用一顆芯片就可同時處理四路天線的數據收發工作，最大程度降低了不同天線數據干擾的幾率。同時，驍龍X16 LTE調制解調器強大的核心處理性能讓多路天線的數據分發、聚合工作也變得非常輕松，充分利用了多天線的帶寬優勢。
4、增強頻段接入
圖5：增強頻段接入——多種頻段無縫切換
增強頻段接入是高通在千兆級LTE技術上的又一重要創新。眾所周知，4G LTE標準分為FDD和TDD兩大分支，很多運營商都會同時部署TDD和FDD網絡。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。通過增強頻段接入，千兆級LTE網絡可以同時利用FDD、TDD與其他頻段進行數據傳輸，或者在不同頻段間無縫切換，提升性能和穩定性。
例如，某地區的TDD網絡信號較好，此時終端以TDD標準接入網絡；終端移動到室內時，室內的5GHZ頻段連接條件更佳，則終端就可以無縫切換到這一頻段以保證傳輸速度和穩定性，過程中用戶完全不會察覺。在增強頻段的支持下，運營商可以在不同環境中部署最合適的網絡接入頻段，充分利用不同頻段的各自優勢，降低網絡的建設和運營成本。
驍龍X16 LTE調制解調器是最先應用增強頻段接入的調制解調器產品。今年早前發布的全球首款1.2Gbps調制解調器——驍龍X20 LTE 調制解調器繼承了這一特性。關于增強頻段接入與運營商網絡部署的更多細節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LTE標準還在降低數據傳輸延遲方面做出了努力。通過改進LTE的數據傳輸結構，縮短各個傳輸環節中的信號處理周期，千兆級LTE的傳輸延遲可以比4G LTE降低一個數量級。
圖7：超低延遲的實現
高通在調制解調器中的改進也使傳輸延遲進一步縮短。得益于更高的處理速度、優化的軟件架構、高度集成的芯片設計與先進工藝帶來的低功耗、低干擾特性，驍龍X16和X20 LTE調制解調器在數據延遲方面有了明顯進步。傳輸延遲顯著縮短之后，用戶的通話、游戲、直播視頻等體驗就會更加流暢自然，很多需要實時響應的工業設備也可以使用移動互聯網進行遠程控制和交互了。
千兆不是終點，只是新的開始
在多種全新技術創新的幫助下，驍龍X16 LTE調制解調器得以實現最多10個數據流，每個數據流100Mbps的并行傳輸，下載速度最高可達1Gbps。然而，驍龍X16 LTE調制解調器并不是千兆級LTE的終點：今年初，高通發布了全球首款1.2Gbps調制解調器——驍龍X20 LTE 調制解調器，通過5路載波聚合使下載速度提升到了1.2Gbps，代表了當前LTE技術的頂峰。
事實上，千兆級LTE技術是5G技術的基石，而今天的高通已經在為5G做準備了。業界第一顆5G標準的調制解調器，驍龍X50將于今年下半年出樣片，明年推出客戶終端產品，并在2018年韓國平昌冬奧會正式首次使用5G技術。驍龍X50 LTE調制解調器將支持8載波，采用自適應波速成型和波速追蹤的MIMO天線技術，實現最高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技術展望
從驍龍X16到X50，高通公司幫助運營商和用戶無縫從4G LTE過渡到5G技術，并將在2019年首次上馬5G。無論對高通公司，還是對運營商和用戶而言，千兆帶寬都只是移動互聯網下一波浪潮的開始。未來的移動互聯網將在此基礎上產生怎樣的革新與變化，讓我們一起期待。
