4G手机上网飙速的秘密解析~LTE调制解调器规格篇

1. 影响4G网速的关键因素:

影响行动上网速度的因素很多，包括电信业者所使用的无线带宽大小与基地台的规格、讯号涵盖(基地台数量与距离)、资源共享(同一基地台同时上网人数)、用户使用环境(上网地点地形地貌)、终端商品规格(行动装置的处理器规格与所能支援网络规格及使用的移动状态)、网络资源(基地台与交换机或核心网络之间的传输线路带宽、交换机与核心网络本身的系统容量)…。

网速的高低直接影响下载或上传的速度，网速越快，下载或上传的速度越快。不过，若是线上浏览网页或影音，只要下载速度超过10Mbps以上，除非发生网络资源不够问题，多数行动用户是察觉不出网速的大小所产生的差异。换言之，除了下载/上传超大档案(1GB以上影片)及或是使用网络OTT影视、互动电视、3D电影、4K或8K高分辨率等超高品质影音应用服务会有若干时间差外，4G网速差异用在一般追剧、玩线上游戏或上网浏览差距相当小 (21Mbps与非限速实测差异请参考这里)。线上浏览网页或追剧发生LAG问题，通常是电信业者或是对方伺服机网络资源不够有关(详见这里)

2. 手机处理器LTE调制解调器规格与4G网速的关系:

4G网速要快首要关键就是使用的4G终端设备处理器的LTE调制解调器规格与技术，目前在LTE调制解调器技术领先的高通(Qualcomm)处理器搭配的LTE调制解调器规格不同而提供不同的4G网速(理想值)。其中，Snapdragon 835所使用的X16 LTE调制解调器最高的理想值将可达到1Gbps。

整理高通官网LTE Modem规格，影响4G网速的关键主要来自几个主要LTE技术~CA(载波聚合)、Massive MIMO、QAM、LAA/LWA、LTE Stream..等等技术规格，其中几项技术已发展成5G的前导技术。

以下说明各LTE技术规格与提升4G网速的关联:

A. CA载波聚合:

 4G 网速要快，无线带宽一定要大。受限各国的无线带宽零散，必须将多个分散频段的带宽加以整合才能达到网速提高的目的。

CA（载波聚合，Carrier Aggregation）是LTE-Advanced 的主要技术之一，可以将多个分散频段的带宽整合，让资料传输更有效率，达到提升网速的效果。支援Cat.4以上规格的行动终端设备才可以使用载波聚合，不过Cat.4不支援带宽不对等的非对称 CA，目前国内各大电信商“已商用”的 LTE 频段皆为非对称，所以无法使用∘ 在台湾若要使用CA功能，手机必定要支援 Cat.6 以上。

高通X5以上的LTE调制解调器下行(下载)都有支援CA，由X5的2*10Mhz CA 到X16 4*20 Mhz CA，聚合的无线带宽越大，最高网速最会变快。5 Mbps的最高理论值为37.5Mbps，4*20Mbps=80Mbps就可以达到理论值最高600Mbps的网速。

B. MIMO:

MIMO(Multi-input Multi-output ;多输入多输出）是一种用来描述多天线无线通讯系统的抽象数学模型，能利用发射端的多个天线各自独立发送讯号，同时在接收端用多个天线接收并取消复原原资讯。MIMO利用多根发射天线与多根接收天线所提供之空间自由度来有效提升无线通讯系统之频谱效率，以提升传输速率并改善通讯品质。

Massive MIMO则为单用户MIMO（SU-MIMO）和波束成形（beamforming）之组合，并透过具备大量可操控之进阶天线提供支援。Massive MIMO不仅能改善使用者体验，还可以提升网络容量以及网络覆盖。

现形4G基地台与装置主流是采用双天线(2X2 MIMO)来负责数据传输，高通X16/X12 LTE调制解调器则采用四根天线(4X4 MIMO技术)来负责传输。天线数量加倍，负责传输的帮手加倍了，原本 2X2 MIMO 技术下的20Mhz带宽的最大峰值就可由150Mbps加倍变成为300Mbps。

不过，受限于手机内部空间有限，天线数量不能因要提升传输速度而无限制的增加。4X4 MIMO技术目前无法成为主流的原因就是现行手机要保持轻薄机构又要同时塞进四根天线，在技术上与成本上都有待克服才有办法成为商化的主流产品∘

C. QAM:

QAM (Quadrature Amplitude Modulation，正交振幅调变)是数字信号的一种调制方式。在调变过程中，同时以载波信号的幅度和相位来代表不同的数字比特编码，把多进位与正交载波技术结合起来，进一步提高频带利用率。(QAM介绍详见这里)

QAM讯号星座点数越多，每个符号能传输的数据量就越大。将目前下行链路主流的【64-QAM】提升到【256-QAM 】就像将原本6人座的车(2的6次方)升级成8人座的车(2的8次方)，可以搭载的容量变大了，下行的峰值速度就可以提升33%。换言之，原本【20Mhz带宽】+ 【4X4 MIMO】的峰值传输速率为300Mbps，若再加上【256-QAM】，下行的峰值传输速率最可以变成400Mbps。

不过，如果在星座图的平均能量保持不变的情况下增加星座点，会使星座点之间的距离变小，会使误码率上升，将导致【256-QAM】的可靠性会比【64-QAM】要差。

高通X16/X12LTE调制解调器下行支援256QAM，其他X系列下行支援64QAM，X10/X8/X7/X5的上行则只支援16QAM。

D. LTE-U/LWA/LAA:

LTE-U是利用未授权频谱的LTE技术，乃利用先进长程演进计划(LTE-A)技术以便实现协调式多点传输(CoMP)收发、邻近与非邻近频谱的载波聚合，以及支援中继节点(Relay Node)基地台，以达到网状拓扑与邻近节点回程(Backhaul)支援，借此大幅增加可用带宽。

LAA(Licensed Assisted Access, 授权辅助接取)技术是目前LTE行动宽频网络于5GHz免执照频段(Unlicensed band)中运行的一种新定义的接取模式，是载波聚合(Carrier Aggregation, CA)加上干扰调和(Interference Coordination)两大技术的进阶版，乃将次要载波安排在免执照的ISM Bands，并与授权频谱的主要载波聚合起来使用，以弥补合法执照频段带宽的不足，进而改善频谱利用率和网络接取效率。

LTE-U 或 LAA 都是基于载波聚合（Carrier Aggregation, CA）及补充下行链路（Supplemental Downlink, SDL）技术衍生出的应用模式，两者差异在于空中界面之异系统间分享与共存机制，LTE-U 采用高通所提出的 CSAT，而 LAA 则采用 3GPP 与 IEEE 共识下所发展出的 LBT。

LWA(LTE/Wi-Fi Aggregation ; LTE+Wi-Fi链路聚合)是另一种聚合授权与未授权频谱的方式，在业界号称4.5G，乃允许用户端同时开启两种异质网络界面，使得网络接取流量得以在LTE和Wi-Fi网络之间无缝(seamless)接合并进行流量合并与负载平衡，方便行动营运商运用 Wi-Fi 基础架构，借助未授权频谱容量扩增授权 LTE 网络容量。

图片来源: 网络

 高通X16 LTE调制解调器支援LTE-U与LAA技术， X12 LTE调制解调器则支援LTE-U与LWA(with QCA6174A)技术。

E. LTE Streams:

高通LTE调制解调器支援不同规格的LTE stream串流技术， X16 LTE调制解调器可实现下行100Mbps 10 串流（spatial stream）同时传输， X12 LTE数据则可实现下行100Mbps 6串流同时传输，其他数据处理机则可实现75Mbps 2~6串流同时传输。

X12 LTE调制解调器利用4×4 MIMO、3×20MHz CA可实现6串流同时传输，达到600Mbps下行速度 。

高通 X16 LTE调制解调器天线采用了支持4×20MHz CA的2个4×4 MIMO + 2个2×2 MIMO天线配置方式，在传输下行数据时，2个4×4 MIMO提供8个串流、其中1个2×2 MIMO提供2个串流，利用60MHz带宽来实现10条串流，大幅提升频谱利用效率。在所有载波采用FDD制式时，每个串流带宽为100Mbps，总带宽为1000Mbps，就将下行峰值提高到1 Gbps