引言
“預(yù)計(jì) 5G 手機(jī)將成為今后十年智能手機(jī)行業(yè)增長(zhǎng)最快的領(lǐng)域。”
5G 標(biāo)準(zhǔn)的加速發(fā)展使移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商能夠推進(jìn)其 5G 部署計(jì)劃，其中一些早期部署將于明年完成。根據(jù)Strategy Analytics 預(yù)測(cè)，一旦開(kāi)始部署，5G 手機(jī)就可能成為今后十年智能手機(jī)行業(yè)增長(zhǎng)最快速的領(lǐng)域， 出貨量將從 2019 年的 200 萬(wàn)臺(tái)增至 2025 年的 15 億臺(tái)。最近的一項(xiàng)調(diào)查顯示，差不多 50% 的消費(fèi)者可能選擇 5G 智能手機(jī)作為其下一部移動(dòng)設(shè)備，部分原因在于數(shù)據(jù)速率預(yù)計(jì)將會(huì)得到提高。
然而，5G 發(fā)展狂潮給手機(jī)設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大的 RF 挑戰(zhàn)。由于標(biāo)準(zhǔn)制定的時(shí)間線(xiàn)比較緊迫，基本 RF 規(guī)格的關(guān)鍵細(xì)節(jié)仍存在不確定性，如功率回退水平、區(qū)域頻段組合、上行 MIMO 和補(bǔ)充上行鏈路 (SUL)。
由于運(yùn)營(yíng)商堅(jiān)持主張適時(shí)在手機(jī)中納入 5G 內(nèi)容，以完成其網(wǎng)絡(luò)部署計(jì)劃，所以即使在規(guī)范仍在繼續(xù)發(fā)展的當(dāng)下， 智能手機(jī)制造商也面臨著制定實(shí)施戰(zhàn)略的壓力，以滿(mǎn)足具有挑戰(zhàn)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(xiàn)性度以及廣泛的載波聚合驅(qū)動(dòng)型頻率擁塞。
了解真實(shí)情況
5G 最終將支持眾多應(yīng)用。然而，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的初期實(shí)施以增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶 (eMBB) 為重點(diǎn)，預(yù)計(jì)將實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)速率比當(dāng)今 4G 數(shù)據(jù)速率提高多達(dá) 20 倍。
實(shí)現(xiàn)真正的 5G 技術(shù)需要在智能手機(jī)和 5G 新無(wú)線(xiàn)電 (NR) 基礎(chǔ)設(shè)施中采用新硬件，而不僅僅是提高 4G 數(shù)據(jù)速率并將其重塑為 5G，就如同之前 3G 到 4G 的技術(shù)過(guò)渡。
初始的 5G NR 規(guī)范集已于 2017 年 12 月交付使用，5G 階段 1（3GPP 版本 15）對(duì)其進(jìn)行了定義。這些規(guī)范側(cè)重于利用非獨(dú)立 (NSA) 5G NR 技術(shù)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)寬帶部署，即可用于大多數(shù)早期 5G 網(wǎng)絡(luò)部署（圖 1）的技術(shù)。通過(guò)利用 LTE 錨頻段進(jìn)行控制以及 5G NR 頻段提高數(shù)據(jù)速率，NSA 可用來(lái)加快 5G 部署。利用該方法，運(yùn)營(yíng)商只需擴(kuò)展其現(xiàn)有的 LTE 網(wǎng)絡(luò)即可快速實(shí)現(xiàn) 5G 速度，且無(wú)需構(gòu)建全新的 5G 核心網(wǎng)絡(luò)。5G 獨(dú)立 (SA) 規(guī)范消除了 LTE 錨的必要性，并將需要擴(kuò)建一個(gè)全 5G 網(wǎng)絡(luò)，目前定于 1 年后（2018 年 12 月）交付使用。
圖 1. 從 LTE 到 5G 部署的逐步過(guò)渡。
版本 15 NSA 規(guī)范整合了開(kāi)始設(shè)計(jì) 5G 智能手機(jī)所需的眾多 5G 規(guī)范，包括新頻段、載波聚合 (CA) 組合以及關(guān)鍵的 RF 特性（如波形、調(diào)制和子載波間隔）。
正如預(yù)期那樣，規(guī)范定義了兩個(gè)廣泛的頻譜范圍，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），將用于許多全球 5G 部署（圖 2）。從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度看，許多 LTE 頻段已被指定用于重新分配為 5G 頻段，但只有一小部分有望在近期使用，包括 n41、n71、n28 和 n66。版本 15 規(guī)范還包括 600 多個(gè)新的 CA 組合。
圖 2. 5G FR1 頻段（n77、n78 和 n79）的新區(qū)域分配。
5G 規(guī)范定義了兩個(gè)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(dá) 98%），并為 MIMO 提供了良好的支持。因此，當(dāng)運(yùn)營(yíng)商優(yōu)先考慮盡可能提高網(wǎng)絡(luò)容量時(shí)（例如在密集城市環(huán)境中），可能會(huì)使用該波形。DFT-s-OFDM 是用于 LTE 上行鏈路的同一波形，其頻譜封裝效率更低，但范圍更廣（表 1）。
表 1. 關(guān)鍵的 5G 規(guī)范。
規(guī)范還確認(rèn)，盡管數(shù)據(jù)速率得到提高，但 5G 移動(dòng)寬帶的時(shí)間排程就如同 LTE，且對(duì)核心 RF 實(shí)施不會(huì)產(chǎn)生任何額外影響。然而，5G 技術(shù)大大降低了延遲，因此天線(xiàn)交換和天線(xiàn)調(diào)諧的可用時(shí)間更少。這可能導(dǎo)致需要使用在某些應(yīng)用中速度比 4G 快 10 倍的開(kāi)關(guān)技術(shù)。
4G 到 5G 過(guò)渡過(guò)程中的另一個(gè)重大變化就是手機(jī)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(shí)現(xiàn)以全新 5G 頻段為目標(biāo)的更高數(shù)據(jù)速率的關(guān)鍵。單載波帶寬可高達(dá) 100 MHz，即 LTE 最高帶寬 20 MHz 的 5 倍（圖 3），且在 FR1 頻率范圍內(nèi)，可存在 2 個(gè)上行鏈路和 4 個(gè)下行鏈路載波，以分別實(shí)現(xiàn) 200 MHz 和 400 MHz 的總帶寬。管理該帶寬所面臨的挑戰(zhàn)預(yù)計(jì)將影響整個(gè) RF 子系統(tǒng)，這樣即使是最具創(chuàng)新精神的 RF 公司也要提高標(biāo)準(zhǔn)。
圖 3. 最大信道帶寬比較：4G LTE 與 5G NR。
手機(jī)設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)
智能手機(jī)制造商面臨的挑戰(zhàn)就是，如何對(duì)已經(jīng)擁有大量 4G LTE 功能的手機(jī)快速增加 5G 支持功能，以及如何在不延遲產(chǎn)品發(fā)布周期或在不影響達(dá)成全球發(fā)貨量目標(biāo)的情況下實(shí)現(xiàn)這一功能增加。
5G NSA 雙連接性
盡管 5G NSA 是加快 5G 部署的關(guān)鍵，但也大大增加了 RF 復(fù)雜性，因?yàn)樗笸瑫r(shí)實(shí)現(xiàn) 4G LTE 和 5G 連接性。
在許多情況下，運(yùn)營(yíng)商預(yù)計(jì)將整合 4G FDD-LTE 頻段和 5G 頻段。NSA 規(guī)范允許手機(jī)在一個(gè)或多個(gè) LTE 頻段中傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)在一個(gè) 5G 頻段中接收數(shù)據(jù)。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 頻段占用的頻率范圍都更高， 且極其寬 (3.3-3.8 GHz)。因此，存在一個(gè)更大的威脅，即在其中一個(gè) LTE 錨頻段上傳輸數(shù)據(jù)生成的諧波頻率將落入 n78 頻率范圍，而如果頻率衰減不足，則可能導(dǎo)致接收器靈敏度劣化。然而，實(shí)現(xiàn)必要的 CA 衰減所需的濾波功能可能會(huì)導(dǎo)致 RFFE 插入損耗增加，從而提高 PA 輸出功率要求，降低系統(tǒng)整體效率。
此外，雙連接性還會(huì)帶來(lái)其他挑戰(zhàn)。例如，在手機(jī)中容納兩個(gè)主手機(jī)天線(xiàn)將是可取的方案。在 LTE 和 5G 頻段中同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸還會(huì)產(chǎn)生電源管理問(wèn)題，且需要使用一個(gè)占用更多空間的附加 DC 轉(zhuǎn)換器，從而沒(méi)有任何空間進(jìn)一步擴(kuò)展天線(xiàn)容量。
圖 4 表明了這一趨勢(shì)，即如果關(guān)鍵 RF 功能組增加，典型旗艦智能手機(jī)中可用的天線(xiàn)容量和天線(xiàn)數(shù)量就會(huì)減少。如圖所示，即使采用當(dāng)今一些 18:9 屏幕高寬比智能手機(jī)的較大外形尺寸，可用天線(xiàn)容量也會(huì)縮減，直至限制添加更多天線(xiàn)的能力。
圖 4. 隨著手機(jī) RF 內(nèi)容的增加，添加天線(xiàn)的能力將受限。
4x4 MIMO
“強(qiáng)制性的 4X4 MIMO 影響較多。”
5G MIMO 要求使這個(gè)問(wèn)題更加嚴(yán)重。與 4G LTE 不同的是，在 MIMO 為可選的情況下，5G 手機(jī)必須在 1 GHz 以上頻段的下行鏈路中支持 4x4 MIMO。這不僅適用于新頻段（如 n77），還適用于重新分配的 LTE 頻段。例如，如果頻段 3 被重新分給 5G NR，從而變成 n3，那么手機(jī)現(xiàn)在就必須遵守 5G NR 規(guī)范。因此，LTE 接收分集要求（即兩個(gè)接收路徑）立即成為 4 個(gè)接收路徑的要求。
對(duì)于一些已經(jīng)支持可選 4x4 LTE MIMO 的手機(jī)設(shè)計(jì)，這種改變并不明顯。然而，對(duì)于其他許多手機(jī)，這種改變將需要大幅增加 RF 內(nèi)容、信號(hào)路由復(fù)雜性和天線(xiàn)帶寬。總的來(lái)說(shuō)，這意味著在已分配給 RF 前端的擁擠空間內(nèi)擠入更多內(nèi)容，因?yàn)樾枰?4 根天線(xiàn)和 4 個(gè)獨(dú)立的 RF 通道。所有這些甚至都沒(méi)有考慮 2x2 上行鏈路 MIMO 的影響，如針對(duì) n77、n78、n79 和 n41 的規(guī)定。
這種架構(gòu)性轉(zhuǎn)變會(huì)產(chǎn)生許多影響。其中一個(gè)最明顯且最至關(guān)重要的影響就是，天線(xiàn)調(diào)諧和天線(xiàn)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)將變得更加重要。當(dāng)今的智能手機(jī)已經(jīng)需要依賴(lài)天線(xiàn)調(diào)諧來(lái)提高輻射效率，但是天線(xiàn)調(diào)諧將在向 5G 的過(guò)渡過(guò)程中發(fā)揮更大的作用，同時(shí)通過(guò)使每根天線(xiàn)能夠高效地支持更寬的頻率范圍，幫助智能手機(jī)制造商將天線(xiàn)數(shù)量保持在可承受范圍內(nèi)。
根據(jù)相關(guān)的注解，如今，雙工信號(hào)已經(jīng)很常見(jiàn)（例如，低頻段和中頻段 / 高頻段信號(hào)），但是 5G 使信號(hào)路由復(fù)雜性提升到一個(gè)全新水平。鑒于天線(xiàn)的最大數(shù)量開(kāi)始趨向穩(wěn)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(duì)信號(hào)路由至天線(xiàn)的方式做出實(shí)質(zhì)性改變。高性能天線(xiàn)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)能夠最大化信號(hào)連接的數(shù)量，同時(shí)符合嚴(yán)格的 CA 抑制要求，并維持低插入損耗，因此將迅速取代簡(jiǎn)單的雙信器。
所有這個(gè)新 RF 內(nèi)容的另一個(gè)影響就是，雖然功能性不斷增加，但可用于 RF 實(shí)施的面積卻不然。因此，該趨勢(shì)可能會(huì)加速集成式 RF 前端模塊的部署。整合了 PA、開(kāi)關(guān)、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(shí)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
用于實(shí)現(xiàn) 5G 高數(shù)據(jù)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(xiàn)性度帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。
當(dāng)今的旗艦 LTE 手機(jī)通常都使用包絡(luò)跟蹤 (ET) 和 PA 來(lái)最小化功耗。ET 通過(guò)不斷調(diào)整 PA 電源電壓以跟蹤 RF 包絡(luò)的方式來(lái)優(yōu)化效率。然而，包絡(luò)跟蹤器預(yù)計(jì)在 5G 部署期間只支持最多 60 MHz 帶寬，而新 5G 頻段（如 n77 和n79）將支持高達(dá) 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(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)寬帶 5G 傳輸，同時(shí)會(huì)降低效率。
表 1 中高亮顯示的新 5G 波形增加了挑戰(zhàn)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(guī)定限值，并保持高品質(zhì)數(shù)據(jù)鏈路所需的線(xiàn)性度。結(jié)果，傳輸鏈效率有可能會(huì)下降，且 PA 設(shè)計(jì)可能需要滿(mǎn)足極具挑戰(zhàn)性的高線(xiàn)性功率要求。
這好像并不是那么復(fù)雜，RF 前端 (RFFE) 可能還需要支持 LTE，以便在已將 FR1 頻率用于 LTE 的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)向后兼容性。為最大限度地延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間，手機(jī)制造商希望盡可能地使用 ET，這意味著使用 ET 實(shí)現(xiàn) LTE 傳輸和最高60 MHz 寬頻率的 5G 信號(hào)。因此，PA 必須在 ET 模式下實(shí)現(xiàn)高飽和效率，在 APT 模式下實(shí)現(xiàn)高線(xiàn)性效率。平衡高帶寬 APT 模式和低帶寬 ET 模式之間的 PA 運(yùn)行給 RFFE 供應(yīng)商帶來(lái)了額外的復(fù)雜性挑戰(zhàn)。此外，我們需要高級(jí)電源管理來(lái)實(shí)現(xiàn) ET 和 APT 模式之間的切換。
LTE 頻段重新分配的復(fù)雜性
重新分配 LTE 頻段以滿(mǎn)足 5G NR 規(guī)范要求會(huì)產(chǎn)生額外的復(fù)雜性。在未來(lái)數(shù)年內(nèi)，許多現(xiàn)有的 3G/4G 頻譜分配將逐步被重新分配為 5G NR 頻段。在每個(gè)市場(chǎng)完成這一過(guò)渡之前，智能手機(jī) PA 將需要能夠在每個(gè)所述頻段中高效地支持 4G 和 5G 傳輸。預(yù)計(jì)，在所有頻段上完全實(shí)現(xiàn)至 5G NR 的過(guò)渡可能需要十年或更長(zhǎng)時(shí)間。在該頻率范圍內(nèi)同時(shí)支持 LTE 和 5G 部署的需求給 RFFE 帶來(lái)了額外的復(fù)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(shí)，技術(shù)理論上最大的帶寬為 60 MHz（通過(guò)聚合 3 個(gè) 20 MHz 載波實(shí)現(xiàn)），且 ET 可用于節(jié)省電力。作為 5G 頻段使用時(shí)，單載波帶寬最高可達(dá) 100 MHz，同時(shí)要求 PA 在 APT 模式下運(yùn)行；信號(hào)帶寬的增長(zhǎng)對(duì) RF 濾波器設(shè)計(jì)也會(huì)產(chǎn)生影響。
此外，某些情況下，每個(gè)信道帶寬分配的資源模塊 (RB) 數(shù)量應(yīng)作為 4G 至 5G 重新分配過(guò)渡的組成部分進(jìn)行審查。許多 RB 限值都是幾年前最初創(chuàng)建 LTE 規(guī)范時(shí)確定的；從那時(shí)起，技術(shù)和知識(shí)已經(jīng)發(fā)展到仍有改進(jìn)空間的程度。移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商對(duì)這些改進(jìn)空間非常感興趣，因?yàn)樗鼈兛梢蕴岣哳l譜使用效率。對(duì)于手機(jī) OEM 和 RF 前端供應(yīng)商來(lái)說(shuō)， 這將復(fù)雜性提升到了另一個(gè)層次，因?yàn)?RF 鏈可能需要以未包含在其最初設(shè)計(jì)中的方式運(yùn)行。
應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)
“如同在之前的技術(shù)過(guò)渡過(guò)程中，解決復(fù)雜的 5G 挑戰(zhàn)將需要?jiǎng)?chuàng)新型 RF 解決方案。”
由于標(biāo)準(zhǔn)的加速發(fā)展以及部署計(jì)劃的激進(jìn)，5G 的發(fā)展速度超過(guò)了最初預(yù)期，從而增加了智能手機(jī)制造商的壓力，使其不得不快速調(diào)整手機(jī)以支持 5G。新標(biāo)準(zhǔn)帶來(lái)了史無(wú)前例的 RF 挑戰(zhàn)，而盡管這些規(guī)范仍在繼續(xù)發(fā)展，但仍必須利用現(xiàn)有的系統(tǒng)知識(shí)和專(zhuān)業(yè)技能來(lái)估計(jì)對(duì) RF 設(shè)計(jì)的影響。另外，由于智能手機(jī)外形尺寸的限制，移動(dòng)行業(yè)面臨著一系列前所未有的挑戰(zhàn)。如同在之前的技術(shù)過(guò)渡過(guò)程中，解決復(fù)雜的 5G 挑戰(zhàn)需要采用創(chuàng)新型 RF 解決方案。RF 供應(yīng)商必須提高關(guān)鍵領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)，如 PA 設(shè)計(jì)、RFFE 模塊集成、天線(xiàn)調(diào)諧和天線(xiàn)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。在幫助手機(jī) OEM 按時(shí)發(fā)布已成為消費(fèi)者生活必需品的以數(shù)據(jù)為中心的移動(dòng)設(shè)備方面，這些核心的5G 功能將發(fā)揮至關(guān)重要的作用。
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關(guān)于作者
Ben Thomas 是 Qorvo 公司 5G 移動(dòng)業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)部總監(jiān)。在此之前，Thomas 先生擔(dān)任過(guò)高級(jí)手機(jī)功率平臺(tái)技術(shù)營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān)、企業(yè)關(guān)系總監(jiān)、業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)經(jīng)理和其他銷(xiāo)售職位。他擔(dān)任臺(tái)灣、韓國(guó)和中國(guó)分公司的地區(qū)銷(xiāo)售經(jīng)理，負(fù)責(zé)分公司的開(kāi)設(shè)和運(yùn)營(yíng)，為公司在亞洲的業(yè)務(wù)拓展做出了巨大貢獻(xiàn)。除了在 Qorvo 的現(xiàn)任職務(wù)，他還作為公司代表在3GPP RAN4 標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)任職。Thomas 先生擁有維克森林大學(xué)商學(xué)院的 MBA 學(xué)位以及喬治亞理工學(xué)院的電機(jī)工程學(xué)學(xué)士學(xué)位。
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Qorvo（納斯達(dá)克代碼：QRVO）長(zhǎng)期堅(jiān)持提供創(chuàng)新的 RF 解決方案以實(shí)現(xiàn)更加美好的互聯(lián)世界。我們結(jié)合產(chǎn)品和領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢(shì)、以系統(tǒng)級(jí)專(zhuān)業(yè)知識(shí)和全球性的制造規(guī)模，快速解決客戶(hù)最復(fù)雜的技術(shù)難題。Qorvo 服務(wù)于全球市場(chǎng)， 包括先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)設(shè)備、有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和防空雷達(dá)及通信系統(tǒng)。我們?cè)谶@些高速發(fā)展和增長(zhǎng)的領(lǐng)域持續(xù)保持著領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。我們還利用我們獨(dú)特的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，以推進(jìn) 5G 網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)和其他新興的應(yīng)用市場(chǎng)以實(shí)現(xiàn)人物、地點(diǎn)和事物的全球互聯(lián)。請(qǐng)?jiān)L問(wèn) www.qorvo.com，了解我們?nèi)绾蝿?chuàng)造美好的互聯(lián)網(wǎng)世界。