蜂窝移动终端的Cat指的是什么？

文章来源：慧智微电子(SmarterMicro)
作者：大强子

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。

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。

  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：

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。

 

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。

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：

 

表：R8至R12对应Cat能力等级（上下行绑定）

 

表：R12及之后版本定义的下行Cat等级

 

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：

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。

 

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。

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%。

 

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：

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。

参考文献

[1].  https://www.quectel.com/

[2].  https://www.opensignal.com/

[3]. https://www.3gpp.org

[4].  https://www.cablefree.net/ wireless technology/ 4g lte/lte-ue-category-class-definitions

[5].  2021 Cellular Broadband Device & ModuleMarket, Techno Systems Research, 2021.

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编辑：书羽