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您的手機RF是否準備好使用5G?

發布時間:2018-06-13

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引言

“預計5G 手機將成為今後十年智能手機行業增長最快的領域。”

5G 標準的加速發展使移動運營商能夠推進其5G 部署計劃,其中一些早期部署將於明年完成。根據Strategy Analytics 預測,一旦開始部署,5G 手機就可能成為今後十年智能手機行業增長最快速的領域, 出貨量將從2019 年的200 萬台增至2025 年的15 億台。最近的一項調查顯示,差不多50% 的消費者可能選擇5G 智能手機作為其下一部移動設備,部分原因在於數據速率預計將會得到提高。

然而,5G 發展狂潮給手機設計帶來了巨大的RF 挑戰。由於標準製定的時間線比較緊迫,基本RF 規格的關鍵細節仍存在不確定性,如功率回退水平、區域頻段組合、上行MIMO 和補充上行鏈路(SUL)。

由於運營商堅持主張適時在手機中納入5G 內容,以完成其網絡部署計劃,所以即使在規範仍在繼續發展的當下, 智能手機製造商也麵臨著製定實施戰略的壓力,以滿足具有挑戰性的5G RF 要求。這些要求包括寬度前所未有的帶寬、高峰均功率比、非常高的功率放大器(PA) 線性度以及廣泛的載波聚合驅動型頻率擁塞。

了解真實情況

5G 最終將支持眾多應用。然而,移動運營商的初期實施以增強型移動寬帶(eMBB) 為重點,預計將實現數據速率比當今4G 數據速率提高多達20 倍。

實現真正的5G 技術需要在智能手機和5G 新無線電(NR) 基礎設施中采用新硬件,而不僅僅是提高4G 數據速率並將其重塑為5G,就如同之前3G 到4G 的技術過渡。

初始的5G NR 規範集已於2017 年12 月交付使用,5G 階段1(3GPP 版本15)對其進行了定義。這些規範側重於利用非獨立(NSA) 5G NR 技術實現移動寬帶部署,即可用於大多數早期5G 網絡部署(圖1)的技術。通過利用LTE 錨頻段進行控製以及5G NR 頻段提高數據速率,NSA 可用來加快5G 部署。利用該方法,運營商隻需擴展其現有的LTE 網絡即可快速實現5G 速度,且無需構建全新的5G 核心網絡。5G 獨立(SA) 規範消除了LTE 錨的必要性,並將需要擴建一個全5G 網絡,目前定於1 年後(2018 年12 月)交付使用。

圖1. 從LTE 到5G 部署的逐步過渡。

版本15 NSA 規範整合了開始設計5G 智能手機所需的眾多5G 規範,包括新頻段、載波聚合(CA) 組合以及關鍵的RF 特性(如波形、調製和子載波間隔)。

正如預期那樣,規範定義了兩個廣泛的頻譜範圍,即sub-6 GHz (FR1) 和毫米波(FR2) 頻率。它們包括第一組新5G FR1 頻段(n77、n78 和n79),將用於許多全球5G 部署(圖2)。從長遠角度看,許多LTE 頻段已被指定用於重新分配為5G 頻段,但隻有一小部分有望在近期使用,包括n41、n71、n28 和n66。版本15 規範還包括600 多個新的CA 組合。

圖2. 5G FR1 頻段(n77、n78 和n79)的新區域分配。

5G 規範定義了兩個可選波形:CP-OFDM 和DFT-s-OFDM。CP-OFDM 在資源模塊中提供了很高的頻譜封裝效率(高達98%),並為MIMO 提供了良好的支持。因此,當運營商優先考慮盡可能提高網絡容量時(例如在密集城市環境中),可能會使用該波形。DFT-s-OFDM 是用於LTE 上行鏈路的同一波形,其頻譜封裝效率更低,但範圍更廣(表1)。

表1. 關鍵的5G 規範。

規範還確認,盡管數據速率得到提高,但5G 移動寬帶的時間排程就如同LTE,且對核心RF 實施不會產生任何額外影響。然而,5G 技術大大降低了延遲,因此天線交換和天線調諧的可用時間更少。這可能導致需要使用在某些應用中速度比4G 快10 倍的開關技術。

4G 到5G 過渡過程中的另一個重大變化就是手機必須支持寬度前所未有的帶寬。提高帶寬是5G 的基本宗旨:是實現以全新5G 頻段為目標的更高數據速率的關鍵。單載波帶寬可高達100 MHz,即LTE 最高帶寬20 MHz 的5 倍(圖  3),且在  FR1 頻率範圍內,可存在  2 個上行鏈路和  4 個下行鏈路載波,以分別實現  200 MHz 和  400 MHz 的總帶寬。管理該帶寬所麵臨的挑戰預計將影響整個RF 子係統,這樣即使是最具創新精神的RF 公司也要提高標準。

圖 3. 最大信道帶寬比較:4G LTE 與5G NR。

手機設計麵臨的挑戰

智能手機製造商麵臨的挑戰就是,如何對已經擁有大量4G LTE 功能的手機快速增加5G 支持功能,以及如何在不延遲6up中文網發布周期或在不影響達成全球發貨量目標的情況下實現這一功能增加。

5G NSA 雙連接性

盡管5G NSA 是加快5G 部署的關鍵,但也大大增加了RF 複雜性,因為它要求同時實現4G LTE 和5G 連接性。

在許多情況下,運營商預計將整合4G FDD-LTE 頻段和5G 頻段。NSA 規範允許手機在一個或多個LTE 頻段中傳輸數據,同時在一個5G 頻段中接收數據。這就大大增加了傳輸頻率諧波劣化接收器靈敏度的可能性。

例如,將LTE 頻段1、3、7 和20 與5G 頻段n78 整合在一起。頻段n78 比任何LTE 頻段占用的頻率範圍都更高, 且極其寬(3.3-3.8 GHz)。因此,存在一個更大的威脅,即在其中一個LTE 錨頻段上傳輸數據生成的諧波頻率將落入n78 頻率範圍,而如果頻率衰減不足,則可能導致接收器靈敏度劣化。然而,實現必要的CA 衰減所需的濾波功能可能會導致RFFE 插入損耗增加,從而提高PA 輸出功率要求,降低係統整體效率。

此外,雙連接性還會帶來其他挑戰。例如,在手機中容納兩個主手機天線將是可取的方案。在LTE 和5G 頻段中同時進行數據傳輸還會產生電源管理問題,且需要使用一個占用更多空間的附加DC 轉換器,從而沒有任何空間進一步擴展天線容量。

圖4 表明了這一趨勢,即如果關鍵RF 功能組增加,典型旗艦智能手機中可用的天線容量和天線數量就會減少。如圖所示,即使采用當今一些18:9 屏幕高寬比智能手機的較大外形尺寸,可用天線容量也會縮減,直至限製添加更多天線的能力。

圖4. 隨著手機RF 內容的增加,添加天線的能力將受限。

4x4 MIMO

“強製性的4X4 MIMO 影響較多。”

5G MIMO 要求使這個問題更加嚴重。與4G LTE 不同的是,在MIMO 為可選的情況下,5G 手機必須在1 GHz 以上頻段的下行鏈路中支持  4x4 MIMO。這不僅適用於新頻段(如  n77),還適用於重新分配的  LTE 頻段。例如,如果頻段3 被重新分給5G NR,從而變成n3,那麽手機現在就必須遵守5G NR 規範。因此,LTE 接收分集要求(即兩個接收路徑)立即成為4 個接收路徑的要求。

對於一些已經支持可選4x4 LTE MIMO 的手機設計,這種改變並不明顯。然而,對於其他許多手機,這種改變將需要大幅增加RF 內容、信號路由複雜性和天線帶寬。總的來說,這意味著在已分配給RF 前端的擁擠空間內擠入更多內容,因為需要4 根天線和4 個獨立的RF 通道。所有這些甚至都沒有考慮2x2 上行鏈路MIMO 的影響,如針對n77、n78、n79 和n41 的規定。

這種架構性轉變會產生許多影響。其中一個最明顯且最至關重要的影響就是,天線調諧和天線轉換開關將變得更加重要。當今的智能手機已經需要依賴天線調諧來提高輻射效率,但是天線調諧將在向5G 的過渡過程中發揮更大的作用,同時通過使每根天線能夠高效地支持更寬的頻率範圍,幫助智能手機製造商將天線數量保持在可承受範圍內。

根據相關的注解,如今,雙工信號已經很常見(例如,低頻段和中頻段/ 高頻段信號),但是  5G 使信號路由複雜性提升到一個全新水平。鑒於天線的最大數量開始趨向穩定(如圖  4 所示),超高頻段頻率和雙連接性上行鏈路要求將需要對信號路由至天線的方式做出實質性改變。高性能天線轉換開關能夠最大化信號連接的數量,同時符合嚴格的CA 抑製要求,並維持低插入損耗,因此將迅速取代簡單的雙信器。

所有這個新RF 內容的另一個影響就是,雖然功能性不斷增加,但可用於RF 實施的麵積卻不然。因此,該趨勢可能會加速集成式RF 前端模塊的部署。整合了PA、開關、濾波器和LNA 的高度集成模塊(如Qorvo 的RF Fusion™)需要更少的空間,同時還可減少損耗,支持載波聚合。

寬度前所未有的帶寬和新波形

用於實現5G 高數據速率的寬度前所未有的帶寬和新波形為RF 功率輸出、電源管理和線性度帶來了巨大挑戰。

當今的旗艦LTE 手機通常都使用包絡跟蹤(ET) 和PA 來最小化功耗。ET 通過不斷調整PA 電源電壓以跟蹤RF 包絡的方式來優化效率。然而,包絡跟蹤器預計在5G 部署期間隻支持最多60 MHz 帶寬,而新5G 頻段(如n77 和n79)將支持高達100 MHz 帶寬的單載波傳輸。因此,PA 將需要在平均功率跟蹤(APT) 固定電壓模式下運行,以實現寬帶5G 傳輸,同時會降低效率。

表1 中高亮顯示的新5G 波形增加了挑戰性。將更高的CP-OFDM 高峰均功率比(PAR) 與海量信道帶寬組合要求在5G 中增加PA 回退值,以避免超出規定限值,並保持高品質數據鏈路所需的線性度。結果,傳輸鏈效率有可能會下降,且PA 設計可能需要滿足極具挑戰性的高線性功率要求。

這好像並不是那麽複雜,RF 前端(RFFE) 可能還需要支持LTE,以便在已將FR1 頻率用於LTE 的區域實現向後兼容性。為最大限度地延長電池續航時間,手機製造商希望盡可能地使用ET,這意味著使用ET 實現LTE 傳輸和最高60 MHz 寬頻率的5G 信號。因此,PA 必須在ET 模式下實現高飽和效率,在APT 模式下實現高線性效率。平衡高帶寬APT 模式和低帶寬ET 模式之間的PA 運行給RFFE 供應商帶來了額外的複雜性挑戰。此外,6up中文網需要高級電源管理來實現ET 和APT 模式之間的切換。

LTE 頻段重新分配的複雜性

重新分配LTE 頻段以滿足5G NR 規範要求會產生額外的複雜性。在未來數年內,許多現有的3G/4G 頻譜分配將逐步被重新分配為5G NR 頻段。在每個市場完成這一過渡之前,智能手機PA 將需要能夠在每個所述頻段中高效地支持4G 和5G 傳輸。預計,在所有頻段上完全實現至5G NR 的過渡可能需要十年或更長時間。在該頻率範圍內同時支持LTE 和5G 部署的需求給RFFE 帶來了額外的複雜性。

例如,頻段41 是最初被重新分配的一組頻段之一(重新分配為n41)。作為LTE 頻段使用時,技術理論上最大的帶寬為60 MHz(通過聚合3 個20 MHz 載波實現),且ET 可用於節省電力。作為5G 頻段使用時,單載波帶寬最高可達100 MHz,同時要求PA 在APT 模式下運行;信號帶寬的增長對RF 濾波器設計也會產生影響。

此外,某些情況下,每個信道帶寬分配的資源模塊(RB) 數量應作為4G 至5G 重新分配過渡的組成部分進行審查。許多RB 限值都是幾年前最初創建LTE 規範時確定的;從那時起,技術和知識已經發展到仍有改進空間的程度。移動運營商對這些改進空間非常感興趣,因為它們可以提高頻譜使用效率。對於手機OEM 和RF 前端供應商來說, 這將複雜性提升到了另一個層次,因為RF 鏈可能需要以未包含在其最初設計中的方式運行。

應對挑戰

“如同在之前的技術過渡過程中,解決複雜的5G 挑戰將需要創新型RF 解決方案。”

由於標準的加速發展以及部署計劃的激進,5G 的發展速度超過了最初預期,從而增加了智能手機製造商的壓力,使其不得不快速調整手機以支持5G。新標準帶來了史無前例的RF 挑戰,而盡管這些規範仍在繼續發展,但仍必須利用現有的係統知識和專業技能來估計對RF 設計的影響。另外,由於智能手機外形尺寸的限製,移動行業麵臨著一係列前所未有的挑戰。如同在之前的技術過渡過程中,解決複雜的5G 挑戰需要采用創新型RF 解決方案。RF 供應商必須提高關鍵領域的標準,如PA 設計、RFFE 模塊集成、天線調諧和天線轉換開關。在幫助手機OEM 按時發布已成為消費者生活必需品的以數據為中心的移動設備方麵,這些核心的5G 功能將發揮至關重要的作用。

關於作者:

Ben Thomas 是Qorvo 公司5G 移動業務開發部總監。在此之前,Thomas 先生擔任過高級手機功率平台技術營銷總監、企業關係總監、業務開發經理和其他銷售職位。他擔任台灣、韓國和中國分公司的地區銷售經理,負責分公司的開設和運營,為公司在亞洲的業務拓展做出了巨大貢獻。除了在Qorvo 的現任職務,他還作為公司代表在3GPP RAN4 標準化機構任職。Thomas 先生擁有維克森林大學商學院的MBA 學位以及喬治亞理工學院的電機工程學學士學位。