您的手機(jī)RF是否準(zhǔn)備好使用5G

您的手機(jī)RF是否準(zhǔn)備好使用5G？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)增長最快的領(lǐng)域?！?G標(biāo)準(zhǔn)的加速發(fā)展使移動(dòng)運(yùn)營商能夠推進(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)StrategyAnalytics預(yù)測，一旦開始部署，5G手機(jī)就可能成為今后十年智能手機(jī)行業(yè)增長最快速的領(lǐng)域，出貨量將從2019年的200萬臺(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)帶來了巨大的RF挑戰(zhàn)。由于標(biāo)準(zhǔn)制定的時(shí)間線比較緊迫，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，以滿足具有挑戰(zhàn)性的5GRF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(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5GNR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)5GNR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)。通過利用LTE錨頻段進(jìn)行控制以及5GNR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(yùn)營商只需擴(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部署的逐步過渡。版本15NSA規(guī)范整合了開始設(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-6GHz(FR1)和毫米波(FR2)頻率。它們包括第一組新5GFR1頻段（n77、n78和n79），將用于許多全球5G部署（圖2）。從長遠(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2.5GFR1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，因此天線交換和天線調(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倍的開關(guān)技術(shù)。4G到5G過渡過程中的另一個(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)100MHz，即LTE最高帶寬20MHz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)

200MHz和

400MHz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：4GLTE與5GNR。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4GLTE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。5GNSA雙連接性盡管5GNSA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)4GLTE和5G連接性。在許多情況下，運(yùn)營商預(yù)計(jì)將整合4GFDD-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(3.3-3.8GHz)。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)帶來其他挑戰(zhàn)。例如，在手機(jī)中容納兩個(gè)主手機(jī)天線將是可取的方案。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，從而沒有任何空間進(jìn)一步擴(kuò)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(jī)中可用的天線容量和天線數(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，可用天線容量也會(huì)縮減，直至限制添加更多天線的能力。圖4.隨著手機(jī)RF內(nèi)容的增加，添加天線的能力將受限。4x4MIMO“強(qiáng)制性的4X4MIMO影響較多?！?GMIMO要求使這個(gè)問題更加嚴(yán)重。與4GLTE不同的是，在MIMO為可選的情況下，5G手機(jī)必須在1GHz以上頻段的下行鏈路中支持

4x4MIMO。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5GNR，從而變成n3，那么手機(jī)現(xiàn)在就必須遵守5GNR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4x4LTEMIMO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)雜性和天線帶寬?？偟膩碚f，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?根天線和4個(gè)獨(dú)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(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，天線調(diào)諧和天線轉(zhuǎn)換開關(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(shí)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(jī)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(hào)已經(jīng)很常見（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(duì)信號(hào)路由至天線的方式做出實(shí)質(zhì)性改變。高性能天線轉(zhuǎn)換開關(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，該趨勢可能會(huì)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RFFusion?）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、電源管理和線性度帶來了巨大挑戰(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(jì)在5G部署期間只支持最多60MHz帶寬，而新5G頻段（如n77和n79）將支持高達(dá)100MHz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)可能需要滿足極具挑戰(zhàn)性的高線性功率要求。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60MHz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頻段以滿足5GNR規(guī)范要求會(huì)產(chǎn)生額外的復(fù)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5GNR頻段。在每個(gè)市場完成這一過渡之前，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5GNR的過渡可能需要十年或更長時(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60MHz（通過聚合3個(gè)20MHz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)100MHz，同時(shí)要求PA在APT模式下運(yùn)行；信號(hào)帶寬的增長對(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)商來說，這將復(fù)雜性提升到了另一個(gè)層次，因?yàn)镽F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)過渡過程中，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(shí)和專業(yè)技能來估計(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)過渡過程中，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、天線調(diào)諧和天線轉(zhuǎn)換開關(guān)。在幫助手機(jī)OEM按時(shí)發(fā)布已成為消費(fèi)者生活必