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邁向5G的必由之路的4.5G的UE和網路特性技術設計

圖1、4.5G, 在2016年開始爆發

UE類別

首先, 必須在市場上有可用的千兆設備。 在3GPP協議Release 12定義了相容1 Gbps的UE類別(Cat.16),在版本13(Release 13)中定義了相容1.2 Gbps(Cat.18)以及相容1.6 Gbps(Cat.19)的UE類別。

如下表所示:

表1、3GPP定義的UE設備類別

在3GPP Release 12和Release 13的協議版本發佈後各個運營商紛紛推出滿足4.5G 特性要求的網路, 以韓國的SK電信為例, 其所推出的複合4.5G的特性如下:

■256 QAM

1)3-CA&256 QAM於2016年6月推出, 網路峰值速率達到500 Mbps

去年6月, SK電訊提供4.5G, 通過對其3頻段LTE-A業務應用256QAM, 提供高達500 Mbps的速率。

- 3-CA - 總BW:50MHz(10MHz @ B5 + 20MHz @ B1 + 20MHz @ B3 ), 峰值資料速率:375Mbps

- 256 QAM - 跨運營商的所有3個 CA頻段都支援256QAM(速率上升33%↑)

⇒500 Mbps

■5-CA

2)SK於2017年6月推出5-CA, 使網路的峰值速率達到700 Mbps

6月5日, 電信公司推出了4.5G的商用業務, 使用5-CA和256QAM提供高達700Mbps的資料速率, 但是沒有使用4x4 MIMO。

- 5-CA-的總BW(頻寬, Bandwidth):70MHz(10MHz @ B5 + 10MHz @ B1 + 20MHz @ B3 + 20MHz @ B7 + 10MHz @ B7), 峰值資料速率:525Mbps

- 256 QAM - 跨運營商的所有5個 CA頻段都支持256QAM(33%↑)

⇒700 Mbps

圖1、5-CA速度測試

具有五個LTE載波的SK電訊在下行鏈路(DL,

Downlink)中需要支援5-CA。 而真正使5-CA成為可能的是因為三星於今年4月份推出的Galaxy S8型號的智慧手機, 該手機配有支持5-CA的數據機(三星的Exynos LTE數據機355)。

•SK電訊使用的LTE頻率

目前, SK電訊已經在四個LTE頻段(LTE頻段1(2.1 GHz)(Band 1), 頻段3(1.8 GHz)(Band 3), 頻段5(850 MHz)(Band 5)以及頻段7(2.6 GHz)(Band 7))等四個LTE頻段上擁有五個LTE載波, 共有70 MHz頻譜頻寬。 ( SK電訊在2016年5月的拍賣中收購了2.6 GHz頻段的兩個載波(即20 MHz和10 MHz), 並於2016年底退還了10 MHz頻譜(SK電訊原來在在2.1 GHz頻段上擁有20 MHz頻寬的頻譜資源)。 因此要組合起來SK電訊的所有LTE載波的話該電信公司需要5-CA(載波彙聚, Carrier Aggregation)。

圖2、韓國3大電信公司擁有的LTE頻率(截至2017年5月)

韓國的運營商KT在三個LTE頻段(頻段1,3和8, 既Band1, Band3和Band4)中的四個載波上使用總共50 MHz頻寬的頻譜資源。 而韓國的LG U +在三個LTE頻帶(頻帶1,5和7, 既Band1, Band5和Band7)中的三個LTE載波上總共擁有50 MHz頻寬的頻譜資源。 因此為了能夠組合所有的LTE載波, KT和LG U +分別需要支援4-CA和3-CA。

通過CA的速度增強(或容量增加)取決於可以通過CA組合的總的信號頻寬。 雖然5-CA組合了5個載波, 但是如果4-CA的頻寬總和大於5-CA的頻寬, 那麼4-CA的網路性能仍然可以表現優於5-CA。

•LTE數據機:Samsung Exynos與Qualcomm Snapdragon

三星Galaxy S8配備了移動AP( Application Processor, 應用處理器), 這個AP要麼是三星的Exynos 9(Exynos 8895)要麼是高通的Snapdragon 835。 Exynos 9和Snapdragon分別搭載有LTE數據機Shannon 355和X16。 在韓國發行大多數Galaxy S8都帶有Exynos。

而Shannon 355和X16在DL(下行鏈路, Downlink)上都相容UE類別16(Cat.16), 提供高達1 Gbps的速率。 對於DL CA, Samsung 355支持5-CA, 而Qualcomm X16支持4-CA。 對於UL(上行鏈路, Uplink), 它們都支援2-CA和Cat.13, 提供高達150 Mbps的上行速率。 SK電訊確實有UL CA的路線圖, 但是運營商在UL中引入CA並不十分積極, 因為其UL流量僅占總流量的10%。

圖3、LTE數據機:三星Shannon 355和高通X16

參考:三星Exynos 8895與高通驍龍835

■4x4 MIMO

在存在大量併發使用者的區域的流量需求比其他任何地方都要求增加容量。當即使使用所有可用的頻譜資源都不會有幫助時,增加更多的天線就是實現高資料傳輸的一個選擇。

4x4 MIMO在基站上需要四個Tx天線,而在移動設備(UE)處需要四個Rx天線,並且從理論上4x4 MIMO與2X2 MIMO相比可以使資料速率(或容量)翻一番。

圖4、2X2 MIMO vs 4X4 MIMO

要使基站天線數量增加一倍,電信公司將首先在熱點附近建設4Tx基站,然後隨著流量的增長擴大4X4 MIMO的覆蓋範圍和頻段。同時還需要移動設備擁有像Galaxy S8這樣的四個Rx天線,以支援4X4 MIMO通信。

最初,SK電訊的4X4 MIMO僅應用于一個載波(2.6 GHz),然後在6月開始將支持兩個載波(2.6 GHz和1.8 GHz)的4x4 MIMO,在2018年再在另一個載波上應用4x4 MIMO。

今年6月5日,SK電訊除了5-CA商用化之外,還推出了兩個新的基於4x4MIMO的4.5G服務:一個支援高達800 Mbps資料速率的4-CA和1個頻段上4X4 MIMO(2.6 GHz),另外一個是可提供高達900 Mbps資料速率的3-CA和2個頻段(2.6 GHz和1.8 GHz)的4x4 MIMO。然後,在2018年上半年,將提供4個載波的CA和2個頻段的4x4 MIMO以支援1 Gbps,其次是提供5個載波的CA和3個頻段的4X4 MIMO以支援1.2 Gbps的資料速率。

圖5、SK電訊的4x4 MIMO演進

3)2017年6月:實現資料速率高達800 Mbps(4個載波的CA和1個頻段的4x4 MIMO)

- 4-CA - 總信號頻寬(BW,Bandwidth):60MHz(10 MHz@B5 + 10 MHz@B1 + 20 MHz@B3 + 20 MHz@B7),峰值速率:450Mbps

- 256 QAM - 支持跨運營商的所有4個 CA載波(33%↑)

- 4x4 MIMO - 應用於一個頻段上:20 MHz @ B7(2x↑)

4)2017年6月:實現資料速率高達900 Mbps(3個載波的CA和2個頻段的4x4 MIMO)

- 3-CA-總信號頻寬(BW,Bandwidth):50MHz(10 MHz@B1 + 20 MHz@B3 + 20 MHz@B7),峰值資料速率:375Mbps

- 256 QAM - 支持跨運營商的所有3個 CA載波(33%↑)

- 4x4 MIMO - 應用於兩個頻段上:20 MHz@B7, 20 MHz@B3(2x↑)

5)2018年上半年:實現資料速率高達1 Gbps(4個載波的CA和2個頻段的4x4 MIMO)

- 4-CA - 總信號頻寬(BW,Bandwidth):60 MHz(10 MHz@B5 + 10 MHz@B1 + 20 MHz@B3 + 20 MHz@B7),峰值資料速率:450 Mbps

- 256 QAM - 支持跨運營商的所有4個 CA載波(33%↑)

- 4x4 MIMO - 應用於兩個頻段上:20 MHz@B7, 20 MHz@B3(2x↑)

6)2018年上半年之後:實現資料速率高達1.2 Gbps(5個載波的CA和3個頻段的4x4 MIMO)

- 5-CA-總信號頻寬(BW,Bandwidth):70MHz(10 MHz@B5 + 10 MHz@B1 + 20 MHz@B3 + 20 MHz@B7 + 10 MHz@B7),峰值資料速率:525Mbps

- 256 QAM - 支持跨運營商的所有5個 CA載波(33%↑)

- 4x4 MIMO - 在三個頻帶上應用4x4 MIMO(2x↑)

所有五個載波的聚合,在所有載波上實現256個QAM以及在所有頻段上支持4x4 MIMO必將把資料速率提高到高達1.4 Gbps。然而,4.5G資料速率將根據所使用的商用設備的處理性能(例如,可以同時處理的資料流程的數量)而逐漸提高,新發佈的Galaxy S8可以支援處理多達十個資料流程以及900 Mbps的資料速率。計畫在2018年以後推出1 Gbps或更高速率的4.5 G,將需要在技術性上與新技術相容的新設備。

■4.5G服務範圍

SK電訊計畫根據下面的時間表來繼續擴大4.5G的覆蓋範圍,最終在今年年底前為韓國全體人口的51%提供4.5G服務:

到2017年6月5日,覆蓋包括首爾等大城市在內的57個城市

2017年上半年末,覆蓋韓國85個主要城市

到2017年底,覆蓋85個主要城市和部分農村地區

圖6、SK電訊的4.5G覆蓋擴張計畫

(完)

圖3、LTE數據機:三星Shannon 355和高通X16

參考:三星Exynos 8895與高通驍龍835

■4x4 MIMO

在存在大量併發使用者的區域的流量需求比其他任何地方都要求增加容量。當即使使用所有可用的頻譜資源都不會有幫助時,增加更多的天線就是實現高資料傳輸的一個選擇。

4x4 MIMO在基站上需要四個Tx天線,而在移動設備(UE)處需要四個Rx天線,並且從理論上4x4 MIMO與2X2 MIMO相比可以使資料速率(或容量)翻一番。

圖4、2X2 MIMO vs 4X4 MIMO

要使基站天線數量增加一倍,電信公司將首先在熱點附近建設4Tx基站,然後隨著流量的增長擴大4X4 MIMO的覆蓋範圍和頻段。同時還需要移動設備擁有像Galaxy S8這樣的四個Rx天線,以支援4X4 MIMO通信。

最初,SK電訊的4X4 MIMO僅應用于一個載波(2.6 GHz),然後在6月開始將支持兩個載波(2.6 GHz和1.8 GHz)的4x4 MIMO,在2018年再在另一個載波上應用4x4 MIMO。

今年6月5日,SK電訊除了5-CA商用化之外,還推出了兩個新的基於4x4MIMO的4.5G服務:一個支援高達800 Mbps資料速率的4-CA和1個頻段上4X4 MIMO(2.6 GHz),另外一個是可提供高達900 Mbps資料速率的3-CA和2個頻段(2.6 GHz和1.8 GHz)的4x4 MIMO。然後,在2018年上半年,將提供4個載波的CA和2個頻段的4x4 MIMO以支援1 Gbps,其次是提供5個載波的CA和3個頻段的4X4 MIMO以支援1.2 Gbps的資料速率。

圖5、SK電訊的4x4 MIMO演進

3)2017年6月:實現資料速率高達800 Mbps(4個載波的CA和1個頻段的4x4 MIMO)

- 4-CA - 總信號頻寬(BW,Bandwidth):60MHz(10 MHz@B5 + 10 MHz@B1 + 20 MHz@B3 + 20 MHz@B7),峰值速率:450Mbps

- 256 QAM - 支持跨運營商的所有4個 CA載波(33%↑)

- 4x4 MIMO - 應用於一個頻段上:20 MHz @ B7(2x↑)

4)2017年6月:實現資料速率高達900 Mbps(3個載波的CA和2個頻段的4x4 MIMO)

- 3-CA-總信號頻寬(BW,Bandwidth):50MHz(10 MHz@B1 + 20 MHz@B3 + 20 MHz@B7),峰值資料速率:375Mbps

- 256 QAM - 支持跨運營商的所有3個 CA載波(33%↑)

- 4x4 MIMO - 應用於兩個頻段上:20 MHz@B7, 20 MHz@B3(2x↑)

5)2018年上半年:實現資料速率高達1 Gbps(4個載波的CA和2個頻段的4x4 MIMO)

- 4-CA - 總信號頻寬(BW,Bandwidth):60 MHz(10 MHz@B5 + 10 MHz@B1 + 20 MHz@B3 + 20 MHz@B7),峰值資料速率:450 Mbps

- 256 QAM - 支持跨運營商的所有4個 CA載波(33%↑)

- 4x4 MIMO - 應用於兩個頻段上:20 MHz@B7, 20 MHz@B3(2x↑)

6)2018年上半年之後:實現資料速率高達1.2 Gbps(5個載波的CA和3個頻段的4x4 MIMO)

- 5-CA-總信號頻寬(BW,Bandwidth):70MHz(10 MHz@B5 + 10 MHz@B1 + 20 MHz@B3 + 20 MHz@B7 + 10 MHz@B7),峰值資料速率:525Mbps

- 256 QAM - 支持跨運營商的所有5個 CA載波(33%↑)

- 4x4 MIMO - 在三個頻帶上應用4x4 MIMO(2x↑)

所有五個載波的聚合,在所有載波上實現256個QAM以及在所有頻段上支持4x4 MIMO必將把資料速率提高到高達1.4 Gbps。然而,4.5G資料速率將根據所使用的商用設備的處理性能(例如,可以同時處理的資料流程的數量)而逐漸提高,新發佈的Galaxy S8可以支援處理多達十個資料流程以及900 Mbps的資料速率。計畫在2018年以後推出1 Gbps或更高速率的4.5 G,將需要在技術性上與新技術相容的新設備。

■4.5G服務範圍

SK電訊計畫根據下面的時間表來繼續擴大4.5G的覆蓋範圍,最終在今年年底前為韓國全體人口的51%提供4.5G服務:

到2017年6月5日,覆蓋包括首爾等大城市在內的57個城市

2017年上半年末,覆蓋韓國85個主要城市

到2017年底,覆蓋85個主要城市和部分農村地區

圖6、SK電訊的4.5G覆蓋擴張計畫

(完)

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