“Cat”的由来:LTE UE终端能力等级定义

描述

在蜂窝移动终端设备中,经常看到以“Cat x”来对标称设备的通信能力。除了最近如日中天的“Cat.1”,还听到如Cat 4、Cat 6、Cat 12等制式标准。

如下图分别为物联网模块厂商Quectel(移远通信)的LTE模块产品,产品规格从Cat 4一直到Cat 18。

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图:物联网模块公司Quectel(移远通信)的 LTE模块产品[1]

不止是物联网模块产品,手机产品也有“Cat”的分类,根据Opensignal对历代iPhone的统计[2],LTE时代iPhone的通信能力由Cat 3,历经7年一直提升至Cat 19,之后再进入5G时代。

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 图:Opensignal对历代iPhone通信能力统计 [2]

不同的“Cat”究竟指的是什么?具体是怎么实现的?不同“Cat”的射频前端方案有什么不同?

“Cat”的由来:LTE UE终端能力等级定义

3GPP组织制定LTE标准的时候,有一个初衷,就是希望LTE能为不同用户提供不同等级的网络服务能力。所以,LTE里提出了ue-Category的概念:不同的业务使用不同的ue-Category,网络提供不同的带宽和速率。

而“Cat”就是Category(类别)的缩写。根据3GPP的定义,ue-Category代表的就是User Equipment(用户设备)等级,表明了终端所支持的上行和下行数据传输能力。ue-Category可简称UE Cat,也叫终端能力等级。以如下表格为例,3GPP定义的主要参数如下:

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图:3GPP中所定义的ue-Category

正如LTE的名字缩写的由来:Long Time Evolution(长期演进)一样,4G LTE 技术规范随着版本一次又一次的更新而演进,每次更新都会引入一些新技术和新UE Cat值。4G最早版本是Release 8(R8),后续接着还有R9,R10,R11,R12,R13,R14等等(从R15开始该定义5G UE的能力级别)。以下整理了3GPP协议从R8到R14定义的UE Cat值。

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图:3GPP定义的UE Cat能力等级

从R8到R11,3GPP定义了从Cat 1到Cat 12的UE能力级别。到了R12,定义的能力级别前面开始带了DL和UL。DL就是Downlink的缩写,表示下行,也就是表示UE下载的能力,UL是Uplink的缩写,表示上行,也就是表示UE上传的能力。

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图:3GPP Release版本和UE Cat类型关系

在Cat 1到Cat 12定义中,上下行的能力是绑定在一起的,即定义中同时包含上行和下行能力。以Cat 4为例,下行支持150Mbps,上行支持50Mbps。要改变上下行任意一个能力,都必须重新定义,一点也不灵活。

而实际应用中,可能需要下载的速率高一点,但对于上行的需求一般,那么把下载能力和上传能力绑定在一起就没这个必要了。因此,从R12开始,对于UE Category的定义就区分开了UL和DL,上传速率用UE UL Cat X,下载速率用UE DL Cat Y,X和Y之间允许存在协议规定的配置的组合。

由R8至R12,以及R13之后所定义的Cat类别及能力统计如以下三张表所示:

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表:R8至R12对应Cat能力等级(上下行绑定)

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表:R12及之后版本定义的下行Cat等级

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表:R12及之后版本定义的上行Cat等级

同时,3GPP在R12及后续版本也定义了UE DL Category和UE UL Category的组合,这些组合需要满足3GPP 中TS 36.303协议规范。组合配置如下表:

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表:R12及之后版本对应DL/UL Cat能力等级组合

不同Cat的物理实现 

对于移动终端,影响通信能力的主要参数有:

UE支持的MIMO层数

UE支持的载波聚合数量

UE支持的最高阶调制方式

以上三个参数的不同配置的就可以得到不同速率,对应不同上行和下行数据传输能力。LTE协议中的不同Cat正是通过调整以上三个配置,实现不同的Cat的传输速率。

载波聚合:载波聚合(Carrier Aggregation, CA)是将2个或更多的载波单元(Component Carrier, CC)聚合在一起以支持更大的传输带宽(最大为100MHz)

UE终端使用多个4G载波进行传输,相当于是把可用的频谱资源扩大了多倍。下图以3载波聚合为例,单载波能达到下载150Mbps的速率,3载波聚合就能达到450Mbps的速率。

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图:载波聚合技术说明

多流传输:也被称作MIMO(Multi input, Multi output 多输入多输出),本质利用信号在空间传播的路径不同,在多个路径同时发送多路数据,每一路数据成为一个流。常见的应用是2流和4流,UE的速率相比单流来说直接变成2倍或4倍。

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图:MIMO技术说明

高阶调制:就是在同样的信号里承载更多的数据。可以理解成,同样的一个车道,当你只有一辆车在运输时,运送的货物是有限的,当你有多辆车同时在运输货物,这样你就可以运输更多的货物。同理我们信号传输也是,单位时间内发送的数据多了,速率当然也就提升了。

在基站通信里,调制就好像在传输信道里面添加更多的信息。一般调制用X-QAM表示,X越大阶数越高。从下图我们可以看出,256-QAM相比64-QAM,同样的一个码元包含的bit数,由6个变成了8个,在码元速率一样的情况下,速率提升了33%。

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图:64-QAM及256-QAM调制技术说明

以上三种技术的结合,就能实现不同UE的能力级别。

需要说明的是,UE的通信能力并不是越强越好,还需要结合成本、功耗综合考虑。比如在5G协议中,厂商先后提出了5G Redcap低能力终端 (点击跳转至文章),以及5G低功率终端方案(点击跳转至文章),用来通过降低终端通信能力,来降低功耗、节省成本。

不同Cat的射频前端方案 

由于不同Cat能力等级的技术特点,其前端射频方案的实现形式也不相同。典型的Cat等级对应前端射频方案如下图:

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图:典型Cat等级射频前端方案

Cat.NB-1:

采用单天线射频前端方案

Half duplex工作模式和较低的前端损耗使得对PA功率要求降低,甚至可以集成在SoC内部实现

高度集成的方案还把滤波器和开关包含进去

Cat 1(又写作Cat.1):

采用单天线射频前端方案,无分集接收

发射一般4G MMPA+TXM实现Cat.1的多频段band支持

Cat.1 only的场景下TXM可用Switch替换,去掉2G PA

Cat 4:

采用双天线射频前端方案,主集+分集

主路采用4G MMPA+TXM实现

增加分集接收实现DL MIMO

Cat 6及以上:

方案较为复杂,根据终端网络支持能力需增加不同方案

多层数MIMO的需求,需要相对应天线数量实现上下行MIMO的支持

拆分TXM天线实现频段间的CA功能,增加DL/UL传输速率

结 语   

进入4G/5G时代以来,人们越发发现不同使用场景对无线通信网络的需求是不同的,于是在4G时代,协议开始提出不同通信能力的标准,来满足不同场景的需求。3GPP对不同通信能力的终端以“Cat”(缩写自Category,类别)划分。本文介绍了不同Cat的由来及使用到的技术,以及实现方案。

随着5G到来,无线通信设备的应用场景将更加多样化,可能还会出现更多的协议细分。期待和您一起理清纷杂协议的相互关系,共建智能的无线互联世界。

审核编辑 :李倩

 

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