射頻前端的成本伴隨著LTE網(wǎng)絡(luò)逐步提升

過去十幾年的時(shí)間，通訊行業(yè)經(jīng)歷了從2G到3G，再由3G到4G的逐步迭代。更多頻段得開發(fā)、新技術(shù)得引入令高速網(wǎng)絡(luò)普及，手機(jī)也由當(dāng)年短信電話的功能機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)楦佣嘣?a target="_blank">智能終端，滿足我們即時(shí)下載、社交直播、在線游戲等需求。伴隨著這種轉(zhuǎn)變，通訊性能成為衡量一款手機(jī)的重要指標(biāo)。這其中射頻前端(RFFE)作為核心組件，其作用更是舉足輕重。

提及射頻前端，相信不少朋友對(duì)射頻前端還不太了解。它是射頻收發(fā)器和天線之間的一系列組件，主要包括功率放大器(PA)、天線開關(guān)(Switch)、濾波器(Filter)、雙工器(Duplexer和Diplexer)和低噪聲放大器(LNA)等，直接影響著手機(jī)的信號(hào)收發(fā)。如果沒有射頻前端，你的手機(jī)根本無法連接到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。

近期國際知名研究機(jī)構(gòu)IHS通過拆解多款智能手機(jī)，發(fā)布了一份關(guān)于手機(jī)射頻前端的研究報(bào)告，并對(duì)近年的手機(jī)射頻前端設(shè)計(jì)趨勢(shì)做了一定解讀。

射頻前端的成本伴隨著LTE網(wǎng)絡(luò)逐步提升

IHS表示，由于近年在全網(wǎng)通、LTE網(wǎng)速上的追求，一款終端往往需要支持多個(gè)頻段，這種頻段的增加直接導(dǎo)致射頻前端設(shè)計(jì)復(fù)雜度的提升，往往方寸之間就要容納上百個(gè)元器件。

特別是千兆級(jí)網(wǎng)絡(luò)的來臨，多載波、高階的調(diào)制、4x4 MIMO等技術(shù)的融入令前端設(shè)計(jì)復(fù)雜度直線提升，通過拆解三星S8，IHS指出其采用了堪稱目前最復(fù)雜的前端設(shè)計(jì)。當(dāng)然，復(fù)雜度的提升直接意味著成本的增加，并在手機(jī)BOM成本中占有越來愈高比例，足見其重要性。

拆解三星S8

另外IHS還指出，伴隨著手機(jī)設(shè)計(jì)的輕薄化發(fā)展，機(jī)身內(nèi)可被利用的空間實(shí)際上是減小的，尤其是主板的空間。因此盡管射頻前端的復(fù)雜度和重要性與日俱增，但尷尬的是，主板上留給它的空間卻越來越少。

射頻前端越來越復(fù)雜，但是主板留下的空間越來越少

可以說，一面是高速網(wǎng)絡(luò)的直接需求、另一面是美學(xué)設(shè)計(jì)的行業(yè)趨勢(shì)，這種矛盾如何權(quán)衡始終是個(gè)困難的問題。作為深耕通訊領(lǐng)域30余年的企業(yè)，高通給出了行業(yè)內(nèi)系統(tǒng)的射頻前端解決方案，具備完整的射頻前端核心技術(shù)組合、先進(jìn)的模塊集成功能，并結(jié)合自身modem方面的優(yōu)勢(shì)，衍生出了先進(jìn)的射頻前端技術(shù)，讓手機(jī)在“高速網(wǎng)絡(luò)”和“美學(xué)設(shè)計(jì)”之間達(dá)成魚和熊掌兼得的效果。

Trusignal天線增強(qiáng)

TruSignal天線增強(qiáng)分為三個(gè)技術(shù)部分，分別是主分集天線切換技術(shù)、動(dòng)態(tài)天線調(diào)諧以及高階分集接收技術(shù)。其中動(dòng)態(tài)天線調(diào)諧技術(shù)正是依靠驍龍modem與射頻前端的配合，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)modem方面會(huì)持續(xù)對(duì)傳輸通道進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)調(diào)整天線和射頻前端功率放大器之間的適配，從而減少傳輸過程中信號(hào)損失，避免掉話和通信速率下降。

主分級(jí)天線切換技術(shù)會(huì)在信號(hào)損失臨界點(diǎn)交換主副天線的上下行傳輸，以此確保手機(jī)數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻槙?，避免手機(jī)輕薄化設(shè)計(jì)下的“死亡之握”問題。而高階接受技術(shù)則是依靠額外的天線設(shè)計(jì)保證手機(jī)能夠感知來自各個(gè)方向的細(xì)微信號(hào)，直接提升信號(hào)質(zhì)量，這其中都離不開射頻前端的作用。

值得一提的是，由于Trusignal技術(shù)在天線效率方面的提升，對(duì)應(yīng)地也較少了無謂的電量消耗，變相增加了設(shè)備續(xù)航時(shí)間。

包絡(luò)追蹤

包絡(luò)追蹤是指功率放大器(PA)供電的電壓是跟著射頻信號(hào)的包絡(luò)來調(diào)整，通過與modem的協(xié)調(diào)工作，可以達(dá)到最大的省電效果。從高通方面給出的數(shù)據(jù)來看，相比于提供固定電壓的平均功率追蹤，包絡(luò)追蹤的能效提升可達(dá)到30%。由此帶來的省電與低發(fā)熱直接影響著用戶體驗(yàn)，特別是低發(fā)熱，功率放大器在長時(shí)間工作后有著明顯的發(fā)熱跡象，包絡(luò)追蹤技術(shù)對(duì)其進(jìn)行了很好的解決。

當(dāng)然，上述的這些先進(jìn)技術(shù)并不是紙上談兵，驍龍modem+射頻前端的設(shè)計(jì)已經(jīng)將這些技術(shù)帶給眾多智能手機(jī)，包括三星S8、OPPO R11等，讓這些手機(jī)不僅擁有絕佳的連接性能，更在設(shè)計(jì)方面留下了更多可能。可以預(yù)見，未來5G時(shí)代的到來，伴隨著多頻段的引入，射頻前端的作用將更加顯著，而高通系統(tǒng)的方案將為終端設(shè)計(jì)和消費(fèi)者體驗(yàn)帶來全面革新。

如何設(shè)計(jì)射頻前端才能提高網(wǎng)絡(luò)效率？

1.從LTE向5G的演進(jìn)：提升網(wǎng)絡(luò)效率關(guān)鍵的設(shè)備升級(jí)注意事項(xiàng)

向LTE-Advanced （LTE-A）和LTE-Advanced Pro （LTE-A Pro）的網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)，是延長LTE生命周期的重要手段，并且也是確保平滑邁向5G的關(guān)鍵步驟。這些技術(shù)不僅使電信運(yùn)營商能夠推出新的高帶寬服務(wù)，并且使他們能夠開啟新的業(yè)務(wù)機(jī)會(huì)，同時(shí)這些升級(jí)也將在覆蓋范圍、小區(qū)邊緣容量和頻譜效率等多個(gè)方面大大提升網(wǎng)絡(luò)性能。

使用這些網(wǎng)絡(luò)的智能手機(jī)將在提高網(wǎng)絡(luò)效率方面起到?jīng)Q定性作用。為了最大限度地發(fā)揮其效力，手機(jī)里所搭載的射頻前端（RFFE）技術(shù)是至關(guān)重要的。由此，射頻前端架構(gòu)不僅需要支持4x4 MIMO、封包追蹤（ET）和天線諧調(diào)，同時(shí)還要確保所有這些恰當(dāng)?shù)丶稍谝粋€(gè)結(jié)構(gòu)合理的調(diào)制解調(diào)器-天線的設(shè)計(jì)中。本文將闡述這些組件在支持移動(dòng)設(shè)備在有效利用這些網(wǎng)絡(luò)資源方面的重要性。

2.定義下一代網(wǎng)絡(luò)效率的關(guān)鍵參數(shù)

LTE網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)對(duì)于應(yīng)對(duì)新的業(yè)務(wù)案例以及提高網(wǎng)絡(luò)速度來說至關(guān)重要，同時(shí)也提供了適時(shí)的網(wǎng)絡(luò)升級(jí)來應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量和覆蓋問題。然而，技術(shù)供應(yīng)商也必須尋找提高網(wǎng)絡(luò)效率的方法，來應(yīng)對(duì)用戶市場(chǎng)海量的數(shù)據(jù)需求和提供更佳用戶體驗(yàn)。這方法將主要依賴：網(wǎng)絡(luò)覆蓋、吞吐量、頻譜效率、網(wǎng)絡(luò)容量等關(guān)鍵參數(shù)。

MIMO的部署（包括4x4 MIMO和4x接收分集，如2x4 MIMO）可以解決許多這些基礎(chǔ)問題，因?yàn)樗ㄟ^使用多個(gè)天線為無線鏈路提供穩(wěn)健性，并提高頻譜效率。與此同時(shí)，它還能夠?qū)崿F(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、更大的覆蓋范圍以及更高的可靠性。

為了給所有人提供更好的體驗(yàn)，設(shè)備中需要許多特定的組件來幫助進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)。撇開不談?wù){(diào)制解調(diào)器和電池壽命的影響，這些組件中的大多數(shù)都與射頻前端相關(guān)。隨著這些新的先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)投入使用，射頻前端鏈上的每個(gè)元素都需要一定程度的升級(jí)，否則將會(huì)造成效率低下和用戶體驗(yàn)不佳。

天線技術(shù)、功率放大器（PA）、濾波器、低噪聲放大器（LNA）和封包追蹤（ET）的選擇，在LTE場(chǎng)景中尤其是LTE-A Pro中變得至關(guān)重要，因?yàn)橐苿?dòng)設(shè)備預(yù)計(jì)將會(huì)處理不同傳播參數(shù)的射頻。如果沒有仔細(xì)設(shè)計(jì)無線平臺(tái)來應(yīng)對(duì)這種變化，將會(huì)導(dǎo)致整體傳輸衰減和系統(tǒng)功效低下。

3.射頻設(shè)計(jì)和關(guān)鍵組件集成是充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)效率的必要條件

為了更好地處理這些LTE升級(jí)以及向5G演進(jìn)所帶來的新功能，智能手機(jī)設(shè)計(jì)需要采用一些射頻前端機(jī)制才能夠充分利用實(shí)施這些升級(jí)后實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)效率，也即：封包追蹤（ET）、天線諧調(diào)、4x4 MIMO射頻前端架構(gòu)。

ET是至關(guān)重要的，因?yàn)橄M(fèi)者之間的內(nèi)容共享越來越頻密，并且上行速率也呈現(xiàn)提升。降低射頻PA的功耗對(duì)智能手機(jī)OEM廠商來說是一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)，畢竟這正迅速成為手機(jī)功耗的一個(gè)主要來源。

與平均功率相比，采用ET可使功率效率提高30%，并且已經(jīng)成為在先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)高效使用的智能手機(jī)的必備組件。然而，目前ET僅存在于高端智能手機(jī)當(dāng)中，不過，隨著要求更高發(fā)射功率的上行載波聚合（CA）和高功率用戶設(shè)備（HPUE）的出現(xiàn)，ET向中低端手機(jī)快速滲透的需求正不斷增加。ABI Research預(yù)期ET將在2018年中期開始大規(guī)模涌入中端市場(chǎng)。

這種提供更高功率效率的驅(qū)動(dòng)力，也將見證ET優(yōu)化的PA（ET-opTImized PA）的到來，這將使收發(fā)器、ET和PA之間能夠進(jìn)行更緊密地集成，從而在更高帶寬上的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更高的功率效率。移動(dòng)設(shè)備功率效率的任何提升，不僅有助于電池壽命，從用戶的角度來看還將直接影響網(wǎng)絡(luò)的有效性能。

一臺(tái)能夠以較低的電池電流傳輸更強(qiáng)信號(hào)的移動(dòng)設(shè)備，實(shí)際上增加了上行鏈路受限場(chǎng)景下的室外和室內(nèi)覆蓋范圍，例如在小區(qū)邊緣和室內(nèi)VoLTE的使用環(huán)境。

可諧調(diào)天線可以大幅降低智能手機(jī)的占用面積，因?yàn)樗鼈兡軌虮恢匦屡渲脕砀采w廣泛的頻率，并且能動(dòng)態(tài)優(yōu)化鏈路，從而最大限度地減少實(shí)際使用條件下的發(fā)送/接收功率浪費(fèi)。

目前，智能手機(jī)已經(jīng)搭載了多個(gè)天線來支持多模多頻，因此增加額外的天線組在工業(yè)設(shè)計(jì)和射頻優(yōu)化都極具挑戰(zhàn)性。在智能手機(jī)非常有限的環(huán)境中，無論是在能源還是整體外形方面，射頻前端系統(tǒng)都需要進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，從而在不影響工業(yè)設(shè)計(jì)完整性和可靠性的前提下，實(shí)現(xiàn)設(shè)備整體性能的優(yōu)化以及對(duì)干擾的減輕。

通過使用最新的自適應(yīng)天線諧調(diào)技術(shù)，手機(jī)可以實(shí)現(xiàn)發(fā)送或接收鏈路質(zhì)量的自動(dòng)最大化。這實(shí)質(zhì)上提高了有效吞吐量，以及單個(gè)或多個(gè)載波的室外和室內(nèi)覆蓋范圍。通過鏈路上2-6 dB的提高，以及CA鏈路中的動(dòng)態(tài)信噪比平衡，手機(jī)可以在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)更高的性能。為了使手機(jī)能夠支持不斷擴(kuò)大的頻率范圍，在保持功率效率的同時(shí)，天線可調(diào)諧性將成為滿足這些持續(xù)需求的關(guān)鍵所在。

有效的MIMO技術(shù)運(yùn)用可以通過使用多個(gè)收發(fā)天線來提高網(wǎng)絡(luò)中的通信速度，有望在不使用額外發(fā)射功率和頻譜資源的前提下，顯著提高信號(hào)可靠性、網(wǎng)絡(luò)吞吐量、覆蓋范圍和頻譜效率。

由于頻譜帶寬是一種昂貴且有限的資源，MIMO在推動(dòng)更有效地使用可用帶寬的發(fā)展過程中，已經(jīng)成為一種越來越重要的無線技術(shù)。然而，這些改進(jìn)將帶來一定的成本，尤其是在增加智能手機(jī)BOM和射頻級(jí)別復(fù)雜性的兩個(gè)方面，因?yàn)閷IMO天線擠入LTE設(shè)備仍非易事。

為了使4x4 MIMO和2x4 MIMO實(shí)現(xiàn)商業(yè)可行，射頻前端架構(gòu)必須在性能、集成度和成本方面不斷優(yōu)化。射頻前端將繼續(xù)作為決定哪種空口技術(shù)在不久的將來是否切實(shí)可行的一個(gè)關(guān)鍵子系統(tǒng)。

如上所述，HPUE是一種技術(shù)補(bǔ)充，據(jù)悉能夠通過提升覆蓋來使網(wǎng)絡(luò)受益，因?yàn)樗噍^于標(biāo)準(zhǔn)用戶設(shè)備能夠多傳輸3 dB，這相當(dāng)于將輸出功率提升了一倍。此外，由于LTE的吞吐量與發(fā)射功率直接相關(guān)，所以HPUE的另一個(gè)好處是吞吐量的提升。

實(shí)施HPUE需要設(shè)備硬件上的升級(jí)，因此需要能夠處理更多電力產(chǎn)生的PA。相對(duì)而言，網(wǎng)絡(luò)僅需要進(jìn)行軟件升級(jí)。然而，HPUE最終將會(huì)對(duì)射頻前端產(chǎn)生重大影響，因?yàn)殒溌飞系乃性瑥氖瞻l(fā)器到PA濾波器，都必須在保持現(xiàn)有設(shè)備尺寸和功率限制下支持雙倍的功率。

4.網(wǎng)絡(luò)設(shè)備人口和技術(shù)組合的影響

在更高標(biāo)準(zhǔn)的LTE網(wǎng)絡(luò)中使用智能手機(jī)，用戶不僅能夠通過更高的數(shù)據(jù)傳輸速率獲得更好的用戶體驗(yàn)，同時(shí)這些移動(dòng)設(shè)備也將更加高效，因?yàn)樗鼈儍H需更少的網(wǎng)絡(luò)資源便可獲得更快的速度。

這就是4x4 MIMO和256 QAM這樣的技術(shù)意義所在，因?yàn)槊總€(gè)LTE傳輸中可以打包更多比特（信息），也就是說，它們能夠以更少量的頻譜資源在空中傳輸更多比特（信息）。例如，高端千兆LTE設(shè)備利用網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)每1Hz頻譜發(fā)送4 bps，而相對(duì)低端的LTE設(shè)備在它們的分配頻譜上的發(fā)送量約為3 bps。

這種效率的提升大部分要?dú)w功于使用了更多的天線。平均而言，一個(gè)LTE Cat6智能手機(jī)使用兩根天線，而一個(gè)千兆LTE設(shè)備則能使用三根天線來接收數(shù)據(jù)。換言之，這就是不存在在Cat6設(shè)備中的4x4 MIMO技術(shù)為網(wǎng)絡(luò)效率所能帶來的提升。

對(duì)移動(dòng)運(yùn)營商而言，在網(wǎng)絡(luò)邊緣擁有更多使用更高效（千兆）LTE智能手機(jī)的用戶，將會(huì)帶來以下好處：

·無論是否為使用這些類型的手機(jī)用戶，吞吐速度都將提升。

·千兆LTE設(shè)備使用更少的網(wǎng)絡(luò)資源來獲得所需的速度來服務(wù)于它們所產(chǎn)生的流量。

·無論是何種類型的設(shè)備，整體容量的增加將使網(wǎng)絡(luò)上所有的智能手機(jī)用戶受益。

例如，對(duì)于類似視頻流這樣的技術(shù)，千兆LTE和LTE Cat6智能手機(jī)用戶都會(huì)獲得相似的吞吐質(zhì)量，但是相同質(zhì)量的視頻，千兆LTE設(shè)備僅使用三分之一的頻譜資源。在一個(gè)不限量數(shù)據(jù)套餐計(jì)劃的時(shí)代，這對(duì)那些渴望升級(jí)至千兆LTE的移動(dòng)運(yùn)營商來說是有意義的，因?yàn)楦叩木W(wǎng)絡(luò)效率能夠提供更多的流量。

此外，隨著手機(jī)吞吐速度的提升，將有助于應(yīng)對(duì)“突發(fā)”流量，例如在接收Twitter和Facebook的升級(jí)時(shí)，更高端的手機(jī)能夠更快地使用服務(wù)，并迅速地釋放網(wǎng)絡(luò)資源給其他用戶。更高的速度也意味著智能手機(jī)正開始在網(wǎng)絡(luò)上獲得與閃存相同的讀取速度，這將有助于在訪問云服務(wù)時(shí)提供更好的用戶體驗(yàn)。

展望未來，隨著市場(chǎng)進(jìn)一步邁向5G NR，HPUE將會(huì)至關(guān)重要，尤其是在6GHz以下頻段，因?yàn)樗軌蚴咕W(wǎng)絡(luò)上行覆蓋提高30%。雖然ET在降低功耗方面將起到至關(guān)重要的作用，但是HPUE也有望帶來更長的電池壽命。HPUE的實(shí)施看起來與ET密切相關(guān)，因此在中低端智能手機(jī)中迅速采用ET將會(huì)是產(chǎn)生顯著影響的一個(gè)基本要求。

雖然在智能手機(jī)中采用這些技術(shù)將會(huì)帶來網(wǎng)絡(luò)效率的提升，但是OEM廠商在采用這些技術(shù)的過程中仍面臨重重挑戰(zhàn)，進(jìn)而導(dǎo)致目前市場(chǎng)上采用這些技術(shù)的機(jī)型非常鮮有。這情況預(yù)計(jì)將在未來12個(gè)月內(nèi)發(fā)生變化，因?yàn)樵絹碓蕉啻钶d這些必要技術(shù)的智能手機(jī)機(jī)型將會(huì)被推出，從而使它們與先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的推出步調(diào)一致，因此將會(huì)在網(wǎng)絡(luò)效率和用戶體驗(yàn)方面帶來顯著提升。

無論如何，創(chuàng)新是不會(huì)停止的，因?yàn)殡S著行業(yè)向5G網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)，通過使用MIMO將會(huì)帶來額外的復(fù)雜性，對(duì)射頻前端的需求肯定會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。Massive MIMO、波束成型和對(duì)額外頻段的支持將成為基本要求，從而帶來一整套全新挑戰(zhàn)。此外，行業(yè)所經(jīng)歷的復(fù)雜程度將取決于頻譜環(huán)境，因?yàn)?G MIMO實(shí)施將取決于頻段目標(biāo)，要么是6GHz以下頻段，再或者是毫米波頻段。