“Cat”的由來：LTE UE終端能力等級定義

在蜂窩移動終端設(shè)備中，經(jīng)常看到以“Cat x”來對標(biāo)稱設(shè)備的通信能力。除了最近如日中天的“Cat.1”，還聽到如Cat 4、Cat 6、Cat 12等制式標(biāo)準(zhǔn)。

如下圖分別為物聯(lián)網(wǎng)模塊廠商Quectel（移遠(yuǎn)通信）的LTE模塊產(chǎn)品，產(chǎn)品規(guī)格從Cat 4一直到Cat 18。

圖：物聯(lián)網(wǎng)模塊公司Quectel（移遠(yuǎn)通信）的 LTE模塊產(chǎn)品[1]

不止是物聯(lián)網(wǎng)模塊產(chǎn)品，手機(jī)產(chǎn)品也有“Cat”的分類，根據(jù)Opensignal對歷代iPhone的統(tǒng)計[2]，LTE時代iPhone的通信能力由Cat 3，歷經(jīng)7年一直提升至Cat 19，之后再進(jìn)入5G時代。

圖：Opensignal對歷代iPhone通信能力統(tǒng)計[2]

不同的“Cat”究竟指的是什么？具體是怎么實(shí)現(xiàn)的？不同“Cat”的射頻前端方案有什么不同？

“Cat”的由來：LTE UE終端能力等級定義

3GPP組織制定LTE標(biāo)準(zhǔn)的時候，有一個初衷，就是希望LTE能為不同用戶提供不同等級的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力。所以，LTE里提出了ue-Category的概念：不同的業(yè)務(wù)使用不同的ue-Category，網(wǎng)絡(luò)提供不同的帶寬和速率。

而“Cat”就是Category（類別）的縮寫。根據(jù)3GPP的定義，ue-Category代表的就是User Equipment（用戶設(shè)備）等級，表明了終端所支持的上行和下行數(shù)據(jù)傳輸能力。ue-Category可簡稱UE Cat，也叫終端能力等級。以如下表格為例，3GPP定義的主要參數(shù)如下：

圖：3GPP中所定義的ue-Category

正如LTE的名字縮寫的由來：Long Time Evolution（長期演進(jìn)）一樣，4G LTE技術(shù)規(guī)范隨著版本一次又一次的更新而演進(jìn)，每次更新都會引入一些新技術(shù)和新UE Cat值。4G最早版本是Release 8（R8），后續(xù)接著還有R9，R10，R11，R12，R13，R14等等（從R15開始該定義5GUE的能力級別）。以下整理了3GPP協(xié)議從R8到R14定義的UE Cat值。

圖：3GPP定義的UE Cat能力等級

從R8到R11，3GPP定義了從Cat 1到Cat 12的UE能力級別。到了R12，定義的能力級別前面開始帶了DL和UL。DL就是Downlink的縮寫，表示下行，也就是表示UE下載的能力，UL是Uplink的縮寫，表示上行，也就是表示UE上傳的能力。

圖：3GPP Release版本和UE Cat類型關(guān)系

在Cat 1到Cat 12定義中，上下行的能力是綁定在一起的，即定義中同時包含上行和下行能力。以Cat 4為例，下行支持150Mbps，上行支持50Mbps。要改變上下行任意一個能力，都必須重新定義，一點(diǎn)也不靈活。

而實(shí)際應(yīng)用中，可能需要下載的速率高一點(diǎn)，但對于上行的需求一般，那么把下載能力和上傳能力綁定在一起就沒這個必要了。因此，從R12開始，對于UE Category的定義就區(qū)分開了UL和DL，上傳速率用UE UL Cat X，下載速率用UE DL Cat Y，X和Y之間允許存在協(xié)議規(guī)定的配置的組合。

由R8至R12，以及R13之后所定義的Cat類別及能力統(tǒng)計如以下三張表所示：

表：R8至R12對應(yīng)Cat能力等級（上下行綁定）

表：R12及之后版本定義的下行Cat等級

表：R12及之后版本定義的上行Cat等級

同時，3GPP在R12及后續(xù)版本也定義了UE DL Category和UE UL Category的組合，這些組合需要滿足3GPP中TS 36.303協(xié)議規(guī)范。組合配置如下表：

表：R12及之后版本對應(yīng)DL/UL Cat能力等級組合

不同Cat的物理實(shí)現(xiàn)

對于移動終端，影響通信能力的主要參數(shù)有：

UE支持的MIMO層數(shù)

UE支持的載波聚合數(shù)量

UE支持的最高階調(diào)制方式

以上三個參數(shù)的不同配置的就可以得到不同速率，對應(yīng)不同上行和下行數(shù)據(jù)傳輸能力。LTE協(xié)議中的不同Cat正是通過調(diào)整以上三個配置，實(shí)現(xiàn)不同的Cat的傳輸速率。

載波聚合：載波聚合（Carrier Aggregation, CA）是將2個或更多的載波單元（Component Carrier, CC）聚合在一起以支持更大的傳輸帶寬（最大為100MHz）

UE終端使用多個4G載波進(jìn)行傳輸，相當(dāng)于是把可用的頻譜資源擴(kuò)大了多倍。下圖以3載波聚合為例，單載波能達(dá)到下載150Mbps的速率，3載波聚合就能達(dá)到450Mbps的速率。

圖：載波聚合技術(shù)說明

多流傳輸：也被稱作MIMO（Multi input, Multi output多輸入多輸出），本質(zhì)利用信號在空間傳播的路徑不同，在多個路徑同時發(fā)送多路數(shù)據(jù)，每一路數(shù)據(jù)成為一個流。常見的應(yīng)用是2流和4流，UE的速率相比單流來說直接變成2倍或4倍。

圖：MIMO技術(shù)說明

高階調(diào)制：就是在同樣的信號里承載更多的數(shù)據(jù)?？梢岳斫獬桑瑯拥囊粋€車道，當(dāng)你只有一輛車在運(yùn)輸時，運(yùn)送的貨物是有限的，當(dāng)你有多輛車同時在運(yùn)輸貨物，這樣你就可以運(yùn)輸更多的貨物。同理我們信號傳輸也是，單位時間內(nèi)發(fā)送的數(shù)據(jù)多了，速率當(dāng)然也就提升了。

在基站通信里，調(diào)制就好像在傳輸信道里面添加更多的信息。一般調(diào)制用X-QAM表示，X越大階數(shù)越高。從下圖我們可以看出，256-QAM相比64-QAM，同樣的一個碼元包含的bit數(shù)，由6個變成了8個，在碼元速率一樣的情況下，速率提升了33%。

圖：64-QAM及256-QAM調(diào)制技術(shù)說明

以上三種技術(shù)的結(jié)合，就能實(shí)現(xiàn)不同UE的能力級別。

需要說明的是，UE的通信能力并不是越強(qiáng)越好，還需要結(jié)合成本、功耗綜合考慮。比如在5G協(xié)議中，廠商先后提出了5G Redcap低能力終端（點(diǎn)擊跳轉(zhuǎn)至文章），以及5G低功率終端方案（點(diǎn)擊跳轉(zhuǎn)至文章），用來通過降低終端通信能力，來降低功耗、節(jié)省成本。

不同Cat的射頻前端方案

由于不同Cat能力等級的技術(shù)特點(diǎn)，其前端射頻方案的實(shí)現(xiàn)形式也不相同。典型的Cat等級對應(yīng)前端射頻方案如下圖：

圖：典型Cat等級射頻前端方案

Cat.NB-1：

采用單天線射頻前端方案

Half duplex工作模式和較低的前端損耗使得對PA功率要求降低，甚至可以集成在SoC內(nèi)部實(shí)現(xiàn)

高度集成的方案還把濾波器和開關(guān)包含進(jìn)去

Cat 1（又寫作Cat.1）：

采用單天線射頻前端方案，無分集接收

發(fā)射一般4G MMPA+TXM實(shí)現(xiàn)Cat.1的多頻段band支持

Cat.1 only的場景下TXM可用Switch替換，去掉2G PA

Cat 4：

采用雙天線射頻前端方案，主集+分集

主路采用4G MMPA+TXM實(shí)現(xiàn)

增加分集接收實(shí)現(xiàn)DL MIMO

Cat 6及以上：

方案較為復(fù)雜，根據(jù)終端網(wǎng)絡(luò)支持能力需增加不同方案

多層數(shù)MIMO的需求，需要相對應(yīng)天線數(shù)量實(shí)現(xiàn)上下行MIMO的支持

拆分TXM天線實(shí)現(xiàn)頻段間的CA功能，增加DL/UL傳輸速率

結(jié) 語

進(jìn)入4G/5G時代以來，人們越發(fā)發(fā)現(xiàn)不同使用場景對無線通信網(wǎng)絡(luò)的需求是不同的，于是在4G時代，協(xié)議開始提出不同通信能力的標(biāo)準(zhǔn)，來滿足不同場景的需求。3GPP對不同通信能力的終端以“Cat”（縮寫自Category，類別）劃分。本文介紹了不同Cat的由來及使用到的技術(shù)，以及實(shí)現(xiàn)方案。

隨著5G到來，無線通信設(shè)備的應(yīng)用場景將更加多樣化，可能還會出現(xiàn)更多的協(xié)議細(xì)分。期待和您一起理清紛雜協(xié)議的相互關(guān)系，共建智能的無線互聯(lián)世界。

審核編輯 ：李倩