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5G三大场景 对射频前端器件的挑战

2018年全球运营商将启动5G试商用,预计两年后正式开始大规模商用,Qorvo亚太区移动事业部市场战略高级经理陶镇分析其带来的射频前端器件的挑战。

2017年12月,3GPP批准了Release 15 5G NR 非独立组网标准(NSA)。独立组网标准(SA)将于2018年6月完成。2018年全球运营商将启动5G试商用,预计两年后正式开始大规模商用。

5G三大场景

3GPP技术规范机构为5G定义了eMBB(增强移动宽带)、URLLC(低时延高可靠)、mMTC(海量大连接)三大场景,无论是非独立组网,还是独立组网标准,实现5G对于射频前端器件的要求更高。在日前举行的第七届EEVIA年度中国ICT媒体论坛暨2018产业和技术展望研讨会上,Qorvo亚太区移动事业部市场战略高级经理陶镇对三大场景及智能手机射频前端的未来改变进行分析。

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Qorvo亚太区移动事业部市场战略高级经理陶镇

一, 增强型移动宽带

智能手机以及基础设施迈入5G面临很多挑战,陶镇表示,手机若要实现对3G,4G,5G的兼容,包括滤波器、开关、功率放大器以及整个前端模块,都会有额外的新器件产生。5G频段的需求将催生区别于传统4G的射频半导体器件。除了新的定义成5G的频段以外,还有到2020年之后对4G频谱的重耕,这就需要在现有的4G射频半导体基础上同时支持5G-NR的标准。从移动宽带的角度来说,5G智能手机将采用更多射频半导体器件。

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基础设施建设更多的关注点在毫米波领域,目前美国走在全球5G毫米波最前沿,美国今年将发布毫米波商用,中国可能还需3-5年的时间。基础建设的场景叫做固定无线接入设备FWA,它并不是传统意义上移动终端手机的应用场景,所以在美国基于毫米波的5G并没有有任何移动制式的手机或者数据类器件,而都是一个固定接入设备,对于FWA固定接入设备产生了新的基础设施需求。

例如,光纤入户时光缆埋在地下与楼宇连接,现在毫米波FWA可以不用有线方式,而使用毫米波设备解决,是一个固定接入设备,且电源供电。

二,万物互联

它将是基于5G新标准的IoT,不是现在基于4G标准的NB-IOT或者EMTC制式的IoT,这样的标准无论从基础设施还是移动终端的角度,都会有新的射频器件产生。

三,低延时高可靠性

未来的比如自动驾驶,ARVR应用都将在5G基础上获得新的发展。

2018年5G试商用,5G对智能手机射频前端的需求

无论是走独立组网还是走非独立组网,2018年所有国家运营商开始试商用,2020年下半年或者2021年之后才开始大规模的商用。具体时间表为:

2018年-2019年上半年 基于去年12月份完成的NSA第一版标准,以及今年6月份将完成的第一版SA标准,今年所有的运营商都会基于以上标准试商用运行。中国移动、中国电信是全球两家走独立组网路线的运营商,其余运营商规划走非独立组网。

2019年下半年-2020年 基于3GPP第15个版本开始有限商用,可能在某些国家会有大规模商用,包括中国三家运营商目标在2019年下半年、2020年初正式商用。

2020年到2021年 5G大规模商用,所有支持5G的独立组网以及非独立组网的终端网络将于2020年完成商用。

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陶镇分析,NSA的好处在于核心网、接入网基于4G-LTE,只需要数据内容层面做5G的基站部署,SA则需要全部重新投入,包括核心网、接入网、数据链网都是基于5G-NR。

以中国、日本、韩国、美国这四个5G部署主要国家来看,中国目前在6GHz以内有两个频段,一个是3.3GHz到3.6GHz,300MHz带宽,另一个是4.8 GHz到5GHz,200MHz带宽,日本和韩国使用3.5GHz和4.8GHz两个频段。美国则采用28GHz毫米波频段。

5G对射频器件的挑战在于,一是带宽的增加,LTE带宽最高20兆,5G带宽最高达到100兆,这还是针对6GHZ以内的频谱,毫米波将高达400兆带宽。现在的LTE单载波20兆,做上行载波聚合中国移动最多为3个载波,即60兆带宽的上行载波聚合。在LTE时代对应60兆带宽的功率放大器设计,但是到了5G时代需要设计100兆带宽,对PA来说是非常大的挑战。

第二个是波形, PA设计考虑很多线性指标,线性指标最重要的因素来自于数的波形,5G定义了CP-OFDM。这个信号波形相比较标准的LTE,它的SCDMA很高,峰均比更高。总之PA需要更宽、更高的线性设计,这也是5G相比较于4G设计射频器件最重要的提高性能的地方。除了CP-OFDM,3GPP还有一个降规格的标准,SFT-S-OFDM,比LTE相对弱一点,可能应用场景不一样。

5G需要更快的速率,更多的MIMO,在4G LTE时代已经提到4个下行链路,叫4×4的MIMO,2019年可能中国三大运营商都要求4×4MIMO,这是基于LTE的。在5G的4×4下行MIMO或者是上行2×10的MIMO可能会成为一个标准。

未来真正的基于支持5G手机的架构中,必须同时支持5G并向下支持4G、3G,以及额外的互联性频段,比如GPS、wifi等的共组性问题,这也将需要更多的天线分工器以及天线调谐的功能。

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在5G的前端架构里面,除了PA,滤波器,LNA等传统的射频收发器件以外,更多的是前端天线的分配问题,多工器如何支持更好的载波聚合,天线分工器可能需要与手机厂家合作,他们决定手机里用哪几根天线,每根天线支持的频段等等。

5G智能手机中,天线分工器将是占比相当大的设备器件。除此以外,天线越来越多,若要一根天线覆盖更宽的范围,未来在5G时代天线调谐技术相比较4G时代会更重要。

Qorvo从2017年开始开发第一款基于5G NR新标准的射频前端模块,这个模块包含功率放大器、开关、带通滤波器,低噪放等器件,陶镇表示,这个模块并不是真正商用化的产品,而是为了推动3GPP标准化的制定,让产业链更好的定义5G。紧密跟随5G商用进程,Qorvo将致力于推出同时支持非独立组网以及独立组网的手机射频解决方案。

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