引言
每天都有新的文章，宣傳和公告，告訴我們5G到達時我們的生活將會有多美好。然而，我們究竟在等什麼呢 - 它是一場演變還是一場革命？正如本文將要描述的那樣，我們不必等待那麼長的時間來實現與5G相關的許多優點，因為它即是一場革命（5G新無線電[NR：5G New Radio]）同時也是一場進化演進過程（LTE演進：LTE evolution）。 LTE Advanced Pro（3GPP Release 13/14版）向5G（3GPP Release 15/16/17版）的發展將展示出數據吞吐量的強勁進步，並以實現我們的生活方式轉型為目標。
正如我們在前面的文章中所看到的那樣，消費者的滿意度與移動連接設備的效用以及網絡中的數據速率和用戶設備的吞吐量等因素是息息相關的。
我們認為驅動平均數據吞吐量在幾十吉比特每秒（tens of gigabits per second ）的速率將可以滿足幾乎5G設備的任何定義。幸運的是，消費者不必等到2020年5G出來時才能體驗提高數據速率和性能改善所帶來的感受。使用3GPP批准的包含在版本13,14和15中的標準化技術，將可以通過組合應用先進的3GPP標準化方法來確保數據速率提高到原來的2至3倍。
3GPP標準邁向5G
本文的大部分討論將側重於討論從LTE Advanced Pro（3GPP Release 13版本）向下一代5G網絡的轉型。國際電信聯盟（ITU）2020年網絡倡議（International Telecommunication Union (ITU) Network 2020 initiative）以及許多全球其他有關團體為5G確定了具體的方向和目標 - 換句話說就是5G成功的關鍵支柱。
如圖1所示，在三個主要的向量方向將為下一代系統的成功進行了定義。
eMBB（Enhanced mobile broadband ） - 增強型移動寬帶 - 將處理不斷增長的系統容量，目標是1000倍（1000x）的網絡容量，大於10 Gbps的峰值速率，每個用戶至少100 Mbps。這將包括低於6 GHz頻譜的 4G和5G以及6 GHz以上的5G NR通信等方面。
uRLLC（Ultra-reliable low latency communications ）- 超可靠的低延遲通信 - 將處理需要幾乎無延遲的關鍵任務（mission-critical ）通信的新應用。這些新的垂直細分市場的應用目標是確保高可靠性和可用性，具有極低的延遲（或要求低於兩毫秒）。
mMTC （Massive machine-type communications ）- 大型機器類型通信 - 將與極低成本和低數據速率的新興市場相關聯。它與物聯網最密切相關，並且體現在LTE網絡的大量新連接。
圖1、5G的願景和目標
圖2提供了對3GPP Release 12至Release 16的發佈狀態的概要描述，其中列出了一些主要功能。要了解設備製造商的選擇奧祕，請務必瞭解並非所有功能都會同時發佈到網絡中。這些技術必須在3GPP標準中得到批准，但也必須在移動運營商部署的網絡設備中進行過驗證。然後，必須要有可以支持這些新功能的用戶設備可用。因此，在獲得批准的標準之間的滯留期間，功能將在每個國家運營商的網絡中逐漸推出。因此，實際在現網中執行需要數月至數年時間。
圖2、LTE Advanced Pro - 向5G演進的3GPP 協議路標
3GPP LTE已經通過其規範協議版本不斷髮展各種通信技術。每個版本都有一到兩年的跨度，並會引入廣泛的新特性和演進的特性。
在特性演進方面，例如，版本10（Release 10）中首先引入的具有兩個下行鏈路載波的CA特性，現在在版本14（Release 14）中引入高達五個下行鏈路載波和三個上行鏈路載波的匯聚（CA:Carrier Aggregation）。類似地，LTE開始時在下行鏈路中首先被引入64QAM調製，而在上行鏈路剛開始時引入16QAM調製。此後，在下行鏈路中引入了256QAM調製方式，並且在上行鏈路中引入了64QAM調製方式，並且現在將其部署在大多數的高級網絡（LTE-advanced）中。
Release 14現在也將在上行鏈路中引進256QAM調製。已經擴展實現了多達32個載波分量，並且支持實現高達8x8 MIMO。實際上，在可用頻譜中按照詳細規範工作實現它的是多達五個載波分量和4x4 MIMO，並且尚未部署在所有網絡上。截至今天，最先進的網絡是組合實現了三個下行鏈路載波的CA，4x4 MIMO和256 QAM調製，並展示了接近1 Gbps的峰值數據速率。同樣，3GPP協議已經規定了上行鏈路CA和上行鏈路MIMO，但只有上行CA已經在現網中實現了，而且直到2017年第1季度才在韓國和中國地區實現。
除了這種不斷進化的數據流量之外，還引入了新功能。例如使用許可頻段輔助訪問（LAA：License Assisted Access ）和增強型LAA（eLAA：enhanced LAA ）的應用場景，就是使用5GHz無須許可頻段作為帶寬聚合的可能性，並且分別在下行鏈路和上行鏈路中使用了許可頻段。
然而，它需要一些補充，以便部署在無許可頻段中其它技術能夠正常工作。
同樣地，LTE技術也做了一些裁減以解決Release13/Release 14號中的物聯網（IoT）領域的應用需求：Release 13版本引入的窄帶IoT（NB－IoT）或者在Release 13/ Release 14中的車對車（V2V）/車對一切（V2X）的應用需求。另一種情況是大功率用戶設備（HPUE：High Power User Equipment ），由於其在上行鏈路中具有3dB的更高的輸出功率能力，這樣允許在時分雙工（TDD）網絡中能夠更好地平衡下行鏈路和上行鏈路覆蓋。
對於5G技術，3GPP將繼續通過LTE技術的演進來解決新的應用需求，但也將在Release 15中引入NR（New Radio）等新技術。通過增加毫米波（mmWave）頻譜，波束形成能力，較高頻譜效率的波形，較低的延遲，多數字命理學以及非正交多址等技術，為RF複雜性帶來了另外一個維度。這些RF功能對為滿足多種新用例而為網絡提供更多的靈活性，為更多的用戶提供更多的數據等無休止的努力來說非常關鍵。
有助於增加用戶設備（UE）數據速率的LTE功能
本文的目標之一是繪製我們所在行業的藍圖。為了理解已經實施並且將要實施的關鍵特性，以每秒的比特數來查看Shannon-Hartley（香農哈特利定理）的信道容量（參見圖3）是有啟發性的。
我們剖析Shannon-Hartley（香農哈特利定理），找到與3GPP和整個行業領域直接關聯的增加數據速率的關鍵因素，通過提高移動數據速率來提高用戶的滿意度。
圖3、香農哈特利理論（Shannon-Hartley Theorem）（簡體版）
Shannon-Hartley（香農哈特利定理）指出，數據鏈路的信道容量是數據流數量，帶寬（頻譜）以及信道噪聲的函數。
為了實現更高的信道容量或者更高的數據速率，我們需要：
增加帶寬
增加MIMO序列（M，傳輸數據的路徑數）
增加發射功率（S）
降低噪聲（N）和提高接收（Rx）靈敏度
在3GPP LTE Advanced中的可用的所有技術中，獲得更高數據速率的關鍵（見圖12）與四大類舉措有關：
增加網絡密度（S / N）
使用載波聚合增加信道帶寬（B）
利用更高階調製或者增加每符號的比特數（S / N）
利用MIMO來增加數據流的數量（M）
在以下部分中，我們將重點介紹RF前端可以做什麼來支持影響用戶設備的功能的基本原理，並詳細闡述其對性能改進的影響，隨著時間的推移網絡成熟當然會變得更加複雜而密集。
總而言之，增加帶寬，調製和MIMO的任何組合將導致更高的數據速率 - 這就是我們在2015到2020年期間發生的事件，以推動行業發展。因此，有三種LTE高級（LTE Advanced）關鍵技術：
通過載波聚合獲得更寬的帶寬
高階調製
利用MIMO
載波聚合（CA：Carrier Aggregation）
通過CA來增加帶寬
LTE允許每信道有高達20 MHz的信道帶寬。在移動運營商在一個頻帶內擁有多個頻段或者更大帶寬的頻譜的地理位置，3GPP允許這些載波單元在相同或者不同的頻帶內進行組合（CA）成更大的帶寬。 CA在下行鏈路方向上多達五個信道或者載波（CC）分量的組合，而在上行鏈路方向上允許多達三個載波分量的組合。每個20MHz信道由100個資源塊（resource blocks）組成，因此聚合信道將允許增加數據速率（見圖4）。
圖4、LTE Advanced Pro - UE功能日益複雜：需要支持CA和CA組合
載波聚合（CA-2 --> 5 CC下行鏈路/上行鏈路）
移動運營商為增強移動寬帶服務實現更高數據速率的最快捷方式之一就是支持CA（Carrier Aggregation）。在這樣做時，運營商可以通過利用不同頻段的頻譜資源或者通過分離在任何區域中擁有的相同頻帶中的信道並將它們耦合在一起，來擴大任何一個用戶的傳輸帶寬。這有效地分配了這些不同帶寬（有時跨多個頻帶）的頻譜，同時使用以向單個用戶授予更多的總頻譜，以提高數據速率和更好的用戶體驗。在3GPP Release 10中，CA被認為是提高網絡效率以及每個用戶的峰值和平均數據速率的關鍵。還可以利用它來在用戶體驗和網絡容量之間取得最佳的平衡。 CA是一種通常被分配的主分量載波（PCC）由附加的輔助分量載波（SCC）補充－－有時更多的輔助下行鏈路載波（參見圖5）的過程，以便增加總的可用發射和接收帶寬，有效地“擴大管道”，以增加該用戶的瞬時數據速率。
圖5、增加CA對數據速率的影響
然而，如果沒有共享頻段，則在同一網絡運營商中必須擁有分開的頻譜信道，以便在當前的實現中協調CA。這種聚合通過簡單地添加每個載波分量帶寬而發生的。只要在終端和網絡中支持，用戶幾乎可以立即獲得雙倍或三倍的可用帶寬。
CA的實現細節取決於特定區域和運營商或者移動設備，導致每個3GPP release版本中CA組合的數量在不斷增加，如圖4所示。
CA的第一個實現主要在下行鏈路方向，這意味著聚合的載波組件作為多個數據流從基站的遠程射頻模塊同時發送並在用戶設備中接收。這是人們通常在描述CA的好處時的意思。 3GPP標準還允許在上行鏈路方向上多達兩個載波分量的CA，並且當前規定了3個上行鏈路載波的CA，從而增加從用戶設備傳輸到雲的數據速率。
目前最先進的LTE網絡正在下行鏈路中從兩個載波分量轉換到三個載波分量的CA。 我們預測，到2018年，兩個載波分量的下行鏈路CA將在多個網絡中可用，更先進的網絡向四個和五個載波分量的下行鏈路CA演進。甚至還有活動將CA擴展到32個載波分量，以及使用無許可頻譜或LAA作為輔助。結果將增加網絡的容量和數據吞吐量。這將導致我們之前討論的複雜性的增長。 RF前端支持相同的LTE頻段，但是現在還有更多的同時接收多個工作頻段來有效地增加下行數據速率。下行鏈路CA的增長是提高接收靈敏度的最大推動力，並且對接收路徑上的分集接收模塊產生爆炸性的需求。
調製（每符號的位數（Bits））
增加調製和編碼複雜度[從正交相移鍵控（QPSK）到16-64-256正交幅度調製（QAM）]
3GPP LTE允許使用複雜調製方案來增加每個符號的比特數或者數據密度。
該技術旨在提高該帶寬的頻譜效率，有效地以增加 比特（Bits）/ Hz 來增加數據速率。我們可以將“頻譜”視為地球上的土地 - 一個有限和全球共享的資源，更復雜的調整增加了該地區土地的入住率。使用相同的信道帶寬，增加調製的階數（每符號的位數（Bits 數））將增加數據速率。定義的高階調製，在3GPP的Release 12（2015年春季）中定義為下行鏈路最大256 QAM，3GPP的Release 14（預計將在 2017年發佈）將支持上行鏈路最大256 QAM調製。
更高階調製或者不同的狀態意味著傳輸一定量的數據塊能夠傳輸的數據速率就越快。
由於標準開始於QPSK調製（2位/符號），然後逐漸遷移到16QAM（4位/符號）到64QAM（6位/符號），並且現在到了256QAM（8位/符號），頻譜效率的增加因子與每符號攜帶的信息bits增加的因子相同。比特（bits）/符號的這種增加需要相應較高的信噪比（SNR）。以最高可能的調製方式傳輸數據的效率更高。
在LTE系統中，無線電調制解調器在監測實際信號的質量，並且將根據接收信號的質量來增加或減少調製階數。因此，針對最快數據速率的設備需要支持系統中可用的最高階數的調製方式。
為了準確地接收信號，較高階調製需要更好的SNR。如表1所示，當信號的星座密度上升時，在存在顯著的噪聲和干擾的情況下確定符號的數字特徵變得更加困難。這可以被視覺地理解，因為區分星座中的不同點變得越來越困難。該SNR是無線電環境，附近信號干擾源和發射噪聲的函數，以及無線電本身的固有性能的函數。用戶設備接收機中的低噪聲放大器（LNA）必須具有絕對最低的噪聲係數，使其自身的噪聲貢獻最小化，並且必須具有最大化的線性度，以增強對帶內和帶外干擾源的魯棒性。與用於帶內插入損耗和帶外衰減（即抑制度）的濾波器的共同設計中，LNA的這種具有挑戰性的動態範圍必須最大化，以實現最佳的接收效果。在發射端，功率放大器（PA）必須通過具有非常低的帶內發射雜散輻射和噪聲電平來減少自身對降低SNR的貢獻以及輸出功率幅度在較高端時具有最小失真，以避免進一步產生互調相關的影響誤差矢量幅度（EVM：error vector magnitude）的帶內失真。 PA要保持這些因素的卓越性時還需要更廣泛的動態範圍，同時還要最大限度地提高效率來最大限度地減少提供此性能所需的直流（DC）消耗。
表1、調製階數和每個符號代表的信息位數（Bits/Symbol）
MIMO階數
MIMO階數（2T2R，4T4R系統）
高階MIMO是用於增加移動設備的帶寬，增加吞吐量並提供更令人滿意的移動寬帶服務的另一種技術。通過使用同時發送的多個獨立LTE數據流，MIMO有助於提高峰值數據速率。 MIMO涉及通過在發送和接收功能端同時使用多個天線來實現在單個無線電信道上同時發送和接收多於一個的數據流。 MIMO信號受益於減少信號干擾。同時通過編碼，多路複用，分集和天線陣列增益來改善對接收機每個數據流的無線電環境。
MIMO序列表示可以被髮送或者被接收的多個獨立的信息流，並且它直接等於所涉及的天線的數量。在描述MIMO系統時，談論基站發射天線的數量和用戶設備接收天線的數量是標準的。例如，2x2 MIMO意味著基站上有兩個發射天線以及手機上有兩個接收天線。
標準的LTE設備現在需要在下行鏈路中作為2x2 MIMO設備進行功能操作，其中在用戶設備中存在兩個有源接收天線。在一到兩年內，移動運營商將開始通過增加兩個同時有效的有源接收天線來支持增加的數據速率。製造商將部署4x4下行鏈路MIMO（四個發射，四個接收MIMO），這將顯著增加數據的增強路徑。需要權衡的是通過兩個額外的接收路徑的額外增加的複雜性和成本，但是對於用戶體驗來說下行鏈路數據速率的改善更為重要。
雖然概念上4x4 MIMO適用於所有頻段，但通過應用物理學規則，我們看到更高頻率允許使用較小的天線。這可能是把4x4 MIMO技術應用於更高頻率的LTE頻段的決定性因素。
LTE設備有三種主要的天線配置－－SISO，2x2 MIMO和4x4 MIMO：
在天線分集方案中有兩個天線可用的情況也是如此，並且應用僅有一個流發射的場景（見圖6）。
MIMO（2x2-->4x4）
作為示例，如果從基站（eNodeB）發送四個下行鏈路數據流，並且在用戶設備手機處使用四個分離的天線來接收，則該4×4下行鏈路MIMO鏈路將能夠支持兩倍於2×2個下行鏈路MIMO 鏈路的數據速率（在eNodeB處的兩根天線和在用戶設備處的兩根天線）。 MIMO的應用需要更高的SNR才能充分發揮作用。
圖6、2x2 MIMO和4x4 MIMO的示例
在美國運營商Sprint對於2015年B41 下行鏈路應用4x4 MIMO的網絡能力總結中，運營商說在寬的干擾加噪聲比（SINR）範圍內的網絡的吞吐量得到了大幅提升。通過SNR增益和分集增益，小區邊緣的數據速率提高了50％至60％，並利用充足的信噪比使小區中點的吞吐量提高了45％，小區中心的吞吐量提高了22％至38％。
Orange在2012年的類似研究結果顯示，從2x2升級到4x4下行鏈路MIMO，平均吞吐量提高了60％，而最近SK電訊顯示，與2x2 MIMO相比，4x4 MIMO的平均吞吐量提高了42％ 。
2017年1月美國T-Mobile發佈的網絡研究證實了通過4x4 MIMO實現的下行鏈路數據速率改進的發現。
這種將更多比特數打包在現有頻譜中傳輸的技術對於需要為有限的重要的資源的可用頻譜支付那麼多費用的運營商來說是非常有吸引力的。整個小區的吞吐量的增加以及更關鍵的是小區邊緣用戶體驗的改進一直是高端手機下行鏈路快速採用4x4 MIMO的原因之一。
採用上述技術來共同提高峰值和典型數據速率
現在我們有了提高數據速率的工具，我們需要看到如何以多種方式組合這些工具來實現我們的目標。
首先，瞭解前面描述的每個因素都是具有乘法效應的。對於任何給定的MIMO階數或者調製階數條件下，將帶寬加倍將使數據速率翻倍。如果我們具有相同的調製階數和帶寬，則擴展到4x4 MIMO與2x2 MIMO相比，或者從2x2 MIMO與SISO相比，都可以將增加數據速率的兩倍。第二，在任何給定的帶寬或MIMO階數的情況下，將調製從QPSK增加到16QAM或者從16QAM增加到256 QAM將使數據速率增加一倍。
如前所述，數據速率通常被稱為峰值數據速率，其是通過乘以最高支持的帶寬，MIMO階數和調製方式的影響而獲得。例如，具有2x2 MIMO的LTE手機在採用64QAM調製的單個20MHz信道可以實現的150Mbps的峰值下行鏈路數據速率。而在上行鏈路中，默認情況下為16 QAM調製和SISO，20 MHz信號的數據速率為50 Mbps。如果我們採用相同的結構，然後開始採用CA（Carrier Aggregate），通過添加兩個，三個或者多達五個載波分量來增加頻譜帶寬，那麼我們可以實現顯著更高的下行鏈路數據速率。我們可以通過添加4x4 MIMO來實現兩倍的數據速率。如這些表所示，設備和網絡可以如何使用3GPP功能向用戶傳送最高的數據速率有很大的靈活性。參考3GPP Release 14，我們可以看到使用五個CA單元載波，4x4 MIMO和256 QAM的組合，以實現下行鏈路2 Gbps的最大理論數據速率。對於上行鏈路，如果我們使用三個CA載波單元，SISO天線和256 QAM，我們可以實現300 Mbps的數據速率。 LTE協議規範根據其下行鏈路和上行鏈路能力對手機進行分類，並將其發送給網絡。
該能力作為類別報告給網絡，並指定手機支持的載波數量，MIMO層數和調製階數以及所需的峰值數據速率。
同樣，這個討論圍繞著可以獲得的理論峰值數據速率。以前我們已經看到，在正常情況下典型的數據速率比理論峰值速率低是10到100倍。典型用戶通常不直接位於基站旁邊，而是從建築物內部或者經過衰減無線信號的其它障礙物的位置發起呼叫。
即使有這些複雜的影響，我們仍然很容易看出，在不久的將來，用戶將通過改進用戶設備和網絡提供高速數據的能力，來享受更高的數據速率。
圖7顯示了三種主要LTE技術相對於與基站的用戶距離的數據速率的折衷：聚合帶寬，調製階數和MIMO階數。
圖7、調製，帶寬和MIMO對下行鏈路數據速率的影響：速率作為與小區中心位置（基站附近）之間的距離的函數
座標軸的中心是最高的數據速率 - 靠近基站的數據速率。再看調製方式，您可以看到它以最靠近eNodeB發射機的區域以最高階調製開始。該移動設備將逐漸減少調製階數以維持無線鏈路的性能。這意味著在典型的條件（建築物內部）或者在移動的汽車中，您的數據速率將低於您在戶外條件下的數據速率。
類似地，MIMO階數將從理想狀態的4x4轉換到較低的階數，以維持鏈接。小區邊緣條件是移動運營商經常使用的來表示消費者可以接受的最低數據速率的範圍。這兩個類別與距離eNodeB的距離成反比。
聚合帶寬對數據速率與距離的關係影響較小。考慮發射功率的變化時存在一些小的改變，但是在第一階近似之內，幾乎整個小區半徑都可以用任何數量的載波分量來覆蓋。
我們可以對上行方向進行類似的分析 - 用戶設備發送數據回基站。我們可以提出類似的圖表，只是有一些小的變化（見圖8）。
圖8、調製，帶寬和MIMO對下行鏈路數據速率的影響：速率作為與小區中心位置（基站附近）之間的距離的函數
例如，雖然上行鏈路中的256QAM是允許的，但在主流LTE中尚未採用。2x2 MIMO也與此類似。雖然協議已經對通過兩條MIMO路徑的上行鏈路CA進行了標準化，但我們才剛剛開始看到這種部署方式。這是當前部署與新興的5G無線接入技術（RAT：Radio Access Technologies）不同的一個領域。在5G中，下行鏈路與上行鏈路數據的比例傾向於更為對稱，因此在5G系統中可以期望更多的上行鏈路和高階調製方式。
在上行鏈路情況下，調製階數和MIMO階數將隨著距離小區中心的距離變遠而減小。 由於終端用戶設備的功率有限而且必須將其均勻分佈在每個載波上，因此在聚合發射路徑時每個載波單元的發射功率降低，所以隨著更多的上行鏈路CA載波分量被增加時，每個載波的功率存在更明顯的降低。
因此我們將在用戶終端方面看到的一個未來的影響是增加額外的功率等級即具有更高的發射功率（稱為HPUE：High Power UE技術）的手機終端。
這些技術將有效地將用戶設備的發射功率提高3 dB，從而將小區覆蓋範圍擴大20％。
總結
在向5G的演進過程中，載波匯聚（CA：Carrier Aggregation），MIMO，高階調製，增加發射功率（HPUE）等技術可以保證運營商提升現有頻譜資源的利用率來為用戶提供高達數Gbps的數據速率，進而實現更多的應用，提升用戶的滿意度。
（完）
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