为什么更快——解读LTE-ACat.9三载波聚合

软件先锋 2015-08-06 10:13网络整理点击: 标签:

近日广州移动联合QualcommTechnologies和中兴通讯宣布,三方共同合作,联手开展“4G LTEAdvanced Cat.9三载波聚合”技术试验。这种技术大幅提高4G网络的下行速度,理论下行峰值速率将可以达到330Mbps,大幅超过普通4G下行速率(普通4G为100Mbps)。那么什么是LTEAdvanced Cat.9三载波聚合技术?它为什么可以提高4G网络的下行峰值?下面让我们来一探究竟。

知识扫盲——认识三载波聚合技术

载波是一个特定频率的无线电波,它是现在无线通信使用信息载体,比如现在4G就使用1.4MHz、5MHz、15MHz和20MHz等频段的载波。载波聚合简单的说就是将多个不同频率(或者相同)的载波聚合成一个更宽的频谱,同时也可以把一些不连续的频谱碎片聚合到一起,从而达到提高带宽的效果,而三载波聚合就是把三个载波(可以是相同也可以为不同)聚合在一起。

如果我们把载波比喻成高速公路车道,载波聚合就像是高速公路的扩容,比如把原来四车道更改成八车道,显然现在车道更多,这样可以容纳更多车辆同时通行,提高了高速公路的通行效率。比如这次广州移动测试的4G LTEAdvanced Cat.9三载波聚合就是通过聚合2575~2635M频段带宽为60M的三个载波(每载波20M),现场LTE网络的实际峰值速率达到290Mbps以上,已经非常接近330Mbps的理论极限,三路载波聚合大大提高4G网络的下载速率(图1)。

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图1载波聚合技术图解

小知识:Mbps换算

Mbps即Milionbit pro second(百万位每秒),1Mbps=1000Kbps=1000/8KBps=125KBps,即1M的带宽下载的速度理论最高值是125KB/s。这里的Mbps即我们常说的100M、50M宽带的单位,现在三载波聚合最高下载速度可以达到450Mbps,即最快下载速度可以达到54.93MB/S(即1S可完成50MB大小文件的下载),也就是说现在3GB大小的Windows 7安装文件,大约1分钟即可完成下载了。

为什么更快——三载波聚合背后的技术

那么为什么将多个频率的载波聚合在一起就可以提高4G网络的下载速率?其实这从香农定理就可以推导得到,香农定理的公式是:C=B *log2(1+S/N),其中的C是信道支持的最大速度或者叫信道容量,这里我们也可以把C理解为下载速率;B是信道的带宽,在4G网络中就是载波的带宽,S/N是信噪比。

显然根据公式的定义,如果要提高下载速率,一是提高S/N的值,现在4G网络采用高效的编码方式和高阶的调制方式进行优化,基本上已经将S/N优化到最高值,另一个方法则是是对信道的带宽进行提升。实际上无线网络从最初的拨号上网一直到现在的4G,网络提速的方法也主要是通过提高信道的带宽实现。如通常音频电话连接支持的频率范围为300Hz到3300Hz,即公式中的B=3300Hz-300Hz=3000Hz,而一般链路典型的信噪比是30dB,即S/N=1000,因此我们可以求出电话拨号的理论下载速率是C=3000×log2(1+ 1000) ≈30Kbps,这就是28.8Kbps调制解调器下行的理论上的最大值。

移动网络技术在不断进步,与之对应的信道带宽也在不断提高。如2G的GSM每个频点的带宽200KHz,3G每个用户的可用带宽是5MHz,而现在4G-LTE的可用带宽是20MHz。信道的带宽(即B值)从GSM的200KHz提升到现在4G-LTE的20MHz,网速也相应的从9.6Kpbs提高到100Mbps(理论最高值),其中的幕后功臣就主要是信道带宽的提高(图2)。

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图2 联通4G下载速度达到100Mbps

不过随着高清电影、视频通话等高带宽需求的普及,用户对移动带宽的要求越来越高,因此运营商就通过载波聚合技术来提高信道的带宽,通过叠加多条的载波来提高香农定理中的B值,从而实现下载速率的提升(即提高C值)。目前载波聚合可以实现频段内连续载波聚合、频段内非连续载波聚合和跨频段非连续载波聚合等多种聚合。比如“20MHz+20MHz+15MHz”三载波聚合,可以将下载速度提高到410Mbps,而理论上还可以做到“20MHz+20MHz+20MHz”载波聚合,峰值速度更是可以达到惊人的450Mbps,这个速度已经远远超过我们日常使用的100M有线宽带的速度了(图3)。

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图3 通过载波聚合4G下载速度可以超过300Mbps

网速更快,我们生活更惬意

由于载波聚合可以大幅提高无线网络的下载速度,显然下载速度的提升可以为我们移动生活带来更多的便利。比如随着高清屏手机的普及,相应的我们希望在手机上可以直接欣赏高清视频,而载波聚合技术带来的高速下载速度则可以很好满足我们这方面的需求。在这次广州移动的测试中,即使是4K视频的在线点播也基本没有停顿,可以非常流畅地进行点播,同时载波聚合技术对于手机用户之间高清图片的传输、大型文件的共享也都会带来更多的便利。

对于终端厂商来说,因为载波聚合技术需要手机终端芯片的支持,这样厂商可以为他们的产品增加差异化,并大幅提升用户体验。显然在同等价格的前提下,可以拥有更快下载速度的4G手机肯定更受消费者的欢迎,载波聚合技术普及也会让用户更好享受到极速4G的服务,同时加快4G手机的更新换代(图4)。

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图4 支持载波聚合的小米note顶配版(高通骁龙810手机,均支持最高达330Mbps的4G LTEAdvanced Cat.9技术)