引言

“預(yù)計5G 手機將成為今后十年智能手機行業(yè)增長最快的領(lǐng)域。”

5G 標準的加速發(fā)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于明年完成。根據(jù)Strategy Analytics 預(yù)測，一旦開始部署，5G 手機就可能成為今后十年智能手機行業(yè)增長最快速的領(lǐng)域， 出貨量將從2019 年的200 萬臺增至2025 年的15 億臺。最近的一項調(diào)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(shè)備，部分原因在于數(shù)據(jù)速率預(yù)計將會得到提高。

然而，5G 發(fā)展狂潮給手機設(shè)計帶來了巨大的RF 挑戰(zhàn)。由于標準制定的時間線比較緊迫，基本RF 規(guī)格的關(guān)鍵細節(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 和補充上行鏈路(SUL)。

由于運營商堅持主張適時在手機中納入5G 內(nèi)容，以完成其網(wǎng)絡(luò)部署計劃，所以即使在規(guī)范仍在繼續(xù)發(fā)展的當下， 智能手機制造商也面臨著制定實施戰(zhàn)略的壓力，以滿足具有挑戰(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) 線性度以及廣泛的載波聚合驅(qū)動型頻率擁塞。

了解真實情況

5G 最終將支持眾多應(yīng)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(yù)計將實現(xiàn)數(shù)據(jù)速率比當今4G 數(shù)據(jù)速率提高多達20 倍。

實現(xiàn)真正的5G 技術(shù)需要在智能手機和5G 新無線電(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）對其進行了定義。這些規(guī)范側(cè)重于利用非獨立(NSA) 5G NR 技術(shù)實現(xiàn)移動寬帶部署，即可用于大多數(shù)早期5G 網(wǎng)絡(luò)部署（圖1）的技術(shù)。通過利用LTE 錨頻段進行控制以及5G NR 頻段提高數(shù)據(jù)速率，NSA 可用來加快5G 部署。利用該方法，運營商只需擴展其現(xiàn)有的LTE 網(wǎng)絡(luò)即可快速實現(xiàn)5G 速度，且無需構(gòu)建全新的5G 核心網(wǎng)絡(luò)。5G 獨立(SA) 規(guī)范消除了LTE 錨的必要性，并將需要擴建一個全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 部署的逐步過渡。

版本15 NSA 規(guī)范整合了開始設(shè)計5G 智能手機所需的眾多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）。從長遠角度看，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%），并為MIMO 提供了良好的支持。因此，當運營商優(yōu)先考慮盡可能提高網(wǎng)絡(luò)容量時（例如在密集城市環(huán)境中），可能會使用該波形。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，盡管數(shù)據(jù)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(chǎn)生任何額外影響。然而，5G 技術(shù)大大降低了延遲，因此天線交換和天線調(diào)諧的可用時間更少。這可能導致需要使用在某些應(yīng)用中速度比4G 快10 倍的開關(guān)技術(shù)。

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(xiàn)以全新5G 頻段為目標的更高數(shù)據(jù)速率的關(guān)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 頻率范圍內(nèi)，可存在  2 個上行鏈路和  4 個下行鏈路載波，以分別實現(xiàn)  200 MHz 和  400 MHz 的總帶寬。管理該帶寬所面臨的挑戰(zhàn)預(yù)計將影響整個RF 子系統(tǒng)，這樣即使是最具創(chuàng)新精神的RF 公司也要提高標準。

圖 3. 最大信道帶寬比較：4G LTE 與5G NR。

手機設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)

智能手機制造商面臨的挑戰(zhàn)就是，如何對已經(jīng)擁有大量4G LTE 功能的手機快速增加5G 支持功能，以及如何在不延遲產(chǎn)品發(fā)布周期或在不影響達成全球發(fā)貨量目標的情況下實現(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 復雜性，因為它要求同時實現(xiàn)4G LTE 和5G 連接性。

在許多情況下，運營商預(yù)計將整合4G FDD-LTE 頻段和5G 頻段。NSA 規(guī)范允許手機在一個或多個LTE 頻段中傳輸數(shù)據(jù)，同時在一個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，存在一個更大的威脅，即在其中一個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，則可能導致接收器靈敏度劣化。然而，實現(xiàn)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，降低系統(tǒng)整體效率。

此外，雙連接性還會帶來其他挑戰(zhàn)。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(shù)據(jù)傳輸還會產(chǎn)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(zhuǎn)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(guān)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(shù)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，直至限制添加更多天線的能力。

圖4. 隨著手機RF 內(nèi)容的增加，添加天線的能力將受限。

4x4 MIMO

“強制性的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（即兩個接收路徑）立即成為4 個接收路徑的要求。

對于一些已經(jīng)支持可選4x4 LTE MIMO 的手機設(shè)計，這種改變并不明顯。然而，對于其他許多手機，這種改變將需要大幅增加RF 內(nèi)容、信號路由復雜性和天線帶寬。總的來說，這意味著在已分配給RF 前端的擁擠空間內(nèi)擠入更多內(nèi)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(guī)定。

這種架構(gòu)性轉(zhuǎn)變會產(chǎn)生許多影響。其中一個最明顯且最至關(guān)重要的影響就是，天線調(diào)諧和天線轉(zhuǎn)換開關(guān)將變得更加重要。當今的智能手機已經(jīng)需要依賴天線調(diào)諧來提高輻射效率，但是天線調(diào)諧將在向5G 的過渡過程中發(fā)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范圍，幫助智能手機制造商將天線數(shù)量保持在可承受范圍內(nèi)。

根據(jù)相關(guān)的注解，如今，雙工信號已經(jīng)很常見（例如，低頻段和中頻段/ 高頻段信號），但是  5G 使信號路由復雜性提升到一個全新水平。鑒于天線的最大數(shù)量開始趨向穩(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信號路由至天線的方式做出實質(zhì)性改變。高性能天線轉(zhuǎn)換開關(guān)能夠最大化信號連接的數(shù)量，同時符合嚴格的CA 抑制要求，并維持低插入損耗，因此將迅速取代簡單的雙信器。

所有這個新RF 內(nèi)容的另一個影響就是，雖然功能性不斷增加，但可用于RF 實施的面積卻不然。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(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、電源管理和線性度帶來了巨大挑戰(zhàn)。

當今的旗艦LTE 手機通常都使用包絡(luò)跟蹤(ET) 和PA 來最小化功耗。ET 通過不斷調(diào)整PA 電源電壓以跟蹤RF 包絡(luò)的方式來優(yōu)化效率。然而，包絡(luò)跟蹤器預(yù)計在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(xiàn)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(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)鏈路所需的線性度。結(jié)果，傳輸鏈效率有可能會下降，且PA 設(shè)計可能需要滿足極具挑戰(zhàn)性的高線性功率要求。

這好像并不是那么復雜，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。為最大限度地延長電池續(xù)航時間，手機制造商希望盡可能地使用ET，這意味著使用ET 實現(xiàn)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(xiàn)高飽和效率，在APT 模式下實現(xiàn)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(yīng)商帶來了額外的復雜性挑戰(zhàn)。此外，我們需要高級電源管理來實現(xiàn)ET 和APT 模式之間的切換。

LTE 頻段重新分配的復雜性

重新分配LTE 頻段以滿足5G NR 規(guī)范要求會產(chǎn)生額外的復雜性。在未來數(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(yù)計，在所有頻段上完全實現(xiàn)至5G NR 的過渡可能需要十年或更長時間。在該頻率范圍內(nèi)同時支持LTE 和5G 部署的需求給RFFE 帶來了額外的復雜性。

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(shù)理論上最大的帶寬為60 MHz（通過聚合3 個20 MHz 載波實現(xiàn)），且ET 可用于節(jié)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(shè)計也會產(chǎn)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(shù)量應(yīng)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(chuàng)建LTE 規(guī)范時確定的；從那時起，技術(shù)和知識已經(jīng)發(fā)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。對于手機OEM 和RF 前端供應(yīng)商來說， 這將復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(shè)計中的方式運行。

應(yīng)對挑戰(zhàn)

“如同在之前的技術(shù)過渡過程中，解決復雜的5G 挑戰(zhàn)將需要創(chuàng)新型RF 解決方案。”

由于標準的加速發(fā)展以及部署計劃的激進，5G 的發(fā)展速度超過了最初預(yù)期，從而增加了智能手機制造商的壓力，使其不得不快速調(diào)整手機以支持5G。新標準帶來了史無前例的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)知識和專業(yè)技能來估計對RF 設(shè)計的影響。另外，由于智能手機外形尺寸的限制，移動行業(yè)面臨著一系列前所未有的挑戰(zhàn)。如同在之前的技術(shù)過渡過程中，解決復雜的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)域的標準，如PA 設(shè)計、RFFE 模塊集成、天線調(diào)諧和天線轉(zhuǎn)換開關(guān)。在幫助手機OEM 按時發(fā)布已成為消費者生活必需品的以數(shù)據(jù)為中心的移動設(shè)備方面，這些核心的5G 功能將發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

關(guān)于作者：

Ben Thomas 是Qorvo 公司5G 移動業(yè)務(wù)開發(fā)部總監(jiān)。在此之前，Thomas 先生擔任過高級手機功率平臺技術(shù)營銷總監(jiān)、企業(yè)關(guān)系總監(jiān)、業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理和其他銷售職位。他擔任臺灣、韓國和中國分公司的地區(qū)銷售經(jīng)理，負責分公司的開設(shè)和運營，為公司在亞洲的業(yè)務(wù)拓展做出了巨大貢獻。除了在Qorvo 的現(xiàn)任職務(wù)，他還作為公司代表在3GPP RAN4 標準化機構(gòu)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。