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5G毫米波手机准备好了吗?

5G手机将在未来几个月陆续出现。但目前5G手机支援的频段十分零散,从600MHz至28GHz都有;此外,在即将上市的第一批装置中,支援毫米波(mmWave)频段的5G手机是否已经到位?

 工程师们正竞相推出首批支援5G网路的智慧型手机,主要针对6GHz以下(sub 6GHz)频段。然而,针对第一批装置中是否可能会有一些支援毫米波(millimeter-wave;mmWave)频段的手机到位,业界射频(RF)专家们的看法分歧。

各方都同意这些5G手机面对的是一个频段零散化的市场——各家营运商支持的频段范围从600MHz至28GHz都有,其中还有些保留了其频谱计划细节。因此,要为5G领域的新手机实现最佳化,可能还需要几年的时间。

5G手机频段零散化

相较于去年的LTE手机机型,第一代的5G手机可能是针对特定区域推出的尺寸较大或是电池寿命较短的装置。其价格也可能仅微幅增加,但维持与估计将仅为RF前端元件增加10-30%的物料清单(BoM)幅度一致。

虽然过渡至LTE时也面临类似的问题,但并未达到像5G这样的规模,因为这是第一个支援28GHz及其以上频段的蜂巢式标准。此外,虽然许多国家规划5G将在3.5GHz频段内支援100MHz频宽,但美国的3.5GHz频段最快要到明年才可行,而且美国的频谱预计采用更小的频宽。

在美国,由于缺乏可用于5G的新频谱,T-Mobile将推出600MHz频段的网路,而Sprint将使用2.5GHz。Verizon的一位代表则证实该公司将在明年为智慧型手机导入mmWave频段。

这些变化的速度和广度正将设计智慧型手机的技术提升到新的高度。

博通(Broadcom)无线半导体部门首席技术策略师William Mueller说:"每个人都希望在5G中领先,所以争相在标准的『数字』底定之前设计硬体,这真的让人感到头痛……整体而言,2019年可能会先看到一些采取权宜之计的低整合度手机。"

Qorvo技术营销总监Ben Thomas指出,问题就在于营运商急于从5G标准中回收频谱效率。他说,"OEM面临比采用LTE时更巨大的压力,"他回想起三星(Samsung)如何为其首款LTE手机推出额外的电池。

对mmWave手机进展看法纷歧

美国纽约大学(New York University)教授兼资深无线研究员Ted Rappaport最看好毫米波手机。"我预期在今年圣诞节期间就可以看到多家供应商推出的手机,"他并指出英特尔(Intel)和高通(Qualcomm)在今年4月举办的活动中即已报告了该技术的进展。

Rappaport介绍他和同事在他创立的纽约大学无线中心(NYU Wireless Center)在多年来所进行的研究。他补充说,在限制空间中使用更多天线可提供更大的增益,从而补偿路径损耗;而它所带来的更高资料速率可以弥补更高的功耗。

他说,毫米波技术"面临很多挑战,而且需要大量的专业知识。目前它正迎头赶上,但还需要几年的时间才能实现……过去10年来我们一直在使用WiGig,但很少有人同样使用。 

挑战包括为毫米波打造适合的新型滤波器、功率放大器与移相器,以及组合来自多个天线的讯号,以形成和指向定向波束。此外,无线模组设计公司Insight SiP技术长Chris Barratt说,手机需要将天线放置在远离金属电路板的位置,并处理阻碍讯号。

相较于sub 6GHz的类似手机频段,Barratt表示,"高频段则是另一种不同的竞赛…我认为它最终会实现,但至少要再过几年的时间。"Barratt曾经参与多项60GHz设计。

高通在今年7月宣布解决了手机模组中的问题,目前正针对20~40GHz网路出样。一位分析师预测,这些模组有助于中国新兴的手机制造商抢在苹果(Apple)、三星(Samsung)和华为(Huawei)等公司之前推出产品。

RF竞争对手博通、Qorvo和Skyworks也对此表达了怀疑态度。但这三家sub 6GHz RF晶片供应商目前都还没有规划mmWave产品蓝图。同时,新创公司Movandi则表示该公司正试图将其用于基地台的mmWave技术发展到手机领域。

营运商及其供应商贸易集团5G Americas总裁Chris Pearson则采取了中间立场。他说:"新的频率始终存在挑战,但这些都是创新的公司,而且以前都增加了新的频段。"

漫长而曲折的发展蓝图

鉴于技术、商业和上市时间的挑战,Qorvo的Thomas说:"我们要到2021年以后才会看到真正最佳化的5G旗舰手机,而中阶的5G手机也将会在那之后出现…… RF设计方面的复杂度还需要多年的时间才能克服。"

针对各不同区域的零散频段量身打造的设计"意味着手机中的元件利用率降低",他说:"当设计者为了因应增加的晶片内容而进行基本调整时,"将会引发一些问题。

最终,"我们将会看在RF前端看到相当剧烈的转变。"他并预测在几乎倍增的频率范围内出现更多的天线调谐。

Thomas还预期会出现更多级的更高品质滤波器。此外,多工器将取代更简单的交换机,以支援更复杂的载波聚合(CA)方案。他说:"我们已经看到多达6个频段的组合以及同步使用。"

预计当2021年尘埃落定时,新的标准RF模组可能会出现在3.5GHz频段等区域。Qorvo已经与合作伙伴和竞争对手(包括Skyworks)针对该模组交换意见了。

Broadcom的Mueller表示,5G设计可能演变为两个模组。他表示,这种模组的分离设计将支援天线的多样性,并减轻非独立(non-SA)架构下来自LTE和5G同步传输的干扰。

"最棘手的部份是功率效率,"纽约大学的Rappaport说。"它还需要几代的设计演进,才能找到我们在mmWave频段时所需的技巧。"

最后,毫无疑问地,5G手机将在未来几个月内开始出现。例如,Sprint已宣布LG电子(LG Electronics)将在明年6月之前为其提供5G智慧型手机。但是,这些手机是否可以使用mmWave频率以及它们如何升级其RF设计仍有待观察。

编译:Susan Hong

(参考原文:5G Handsets Spark mmWave Debate,by Rick Merritt)

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