高通：5G手机背后的网络设计到底有多难？

“5G时代的频谱、带宽、通信制式等与传统4G有所不同，这给手机设计带来了前所未有的挑战，尤其是在射频前端。”2019年是5G部署元年，全球重要市场的运营商和设备制造商均已推出覆盖毫米波及6 GHz以下的5G服务和终端。昨天，Qualcomm Technologies产品市场资深经理李洋在一次线上技术分享会上从5G时代下终端设计面临的种种挑战，到射频前端如何与调制解调器作为一个统一系统，再到影响5G设计复杂性的主要趋势进行了深度解读，并揭秘了骁龙5G调制解调器及射频系统。

“5G时代的频谱、带宽、通信制式等与传统4G有所不同，这给手机设计带来了前所未有的挑战，尤其是在射频前端。” 李洋的一句话，点名了5G通信与4G的核心变化与区别。

回顾4G时代，大约十年前，其早期部署阶段就没有5G如此复杂，制式单一，带宽仅10MHz，也只有少数运营商参与其中，初期也只有少数重点城市进行布局，与之一起配合的OEM厂商也较少。曾经较大的OEM厂商都来自海外，而如今大部分顶级手机厂商都集中在中国。

那么，5G初期部署为啥就这么难？入场门槛到底高在哪里？

李洋表示，5G初期部署时，网络制式就非常复杂，其同时瞄准TDD和FDD网络。其次，还引入了Sub-6GHz频段，对基站建设、网络覆盖、手机设计实现上都有难度，新的频谱以为需要新的一整套生态支持。

难点不止如此，再拿毫米波来说，虽然在中国还没有正式商用，目前韩国和美国已进入商用阶段。其是一个全新的通信交互方式，对手机、基站的网络要求也不一样。

5G初期的大带宽，似乎是对通信要求的一步到位。当然，5G还需要考虑与传统2/3/4G的兼容性，其中包括联合组网钙奶按钮。

与此同时，5G的部署节奏已与十年前的4G大不一样，对每个国家来说，都肩负着一个通信革命，成为一个战略高度。中国也希望量产全球第一张5G网，几乎所有的运营商都在积极布局。

除了以上所说的技术难点，5G还承载了对未来信息革命的希望，如AI、自动驾驶、VR、远程医疗等，都依托于5G来实现。“所以说，不管是前期部署，还是后面的工业布局，以及产业意图，5G时代的挑战是前所未有的。”李洋如此说道。

下面这张图显示，5G为系统设计需求带来的影响，仅仅是6GHz以下的5G NR需求。

简单的从天线、能效和架构三方面来说，1，天线部分，曾经LTE网络是下行两路、上行一路。5G NR引入Sub-6GHz，导致上行两路，下行四路，天线基本翻倍。“整机角度来说，5G比4G天线数量翻了1.5倍。”李洋表示：“天线需要覆盖大的带宽，而天线效率和带宽无法兼得，要兼顾两者平衡是个难点。”此外，与Wi-Fi、GPS天线共享以及天线调谐优化也是天线设计难点。

2，能效部分，其高发射功率、高峰值对均值功率比、宽带功率追踪都在增加功耗和发热功率。3，架构方面，要实现高性能天线交换、5G功率追踪、高度集成的功率放大器+滤波器模组，会对整个射频前端架构造成影响，需要更多的PCB面积，手机厂商们用集成模块等来解决问题。

当然，以上挑战并不包括毫米波。

“系统级集成对于高效的5G终端至关重要。”李洋用一句话总结了挑战背后的方法。此前在传统4G手机年代，高通主要负责制解调器、射频收发器设计研发，在射频前端部分，高通会和友商都会做一些方案。如今5G时代，高通将调制解调器和射频系统结合来做集成式系统方案。背后的原因和目的，李洋表示：1，可以达到好的实际吞吐量；2，更广的覆盖范围；3，更紧凑的手机外形尺寸，设计更为漂亮；4，更低的能耗；5，更好的散热性能；6，更快的5G手机上市，形成规模效应。

与此同时，IHS Markit也在2019年8月28日发布的报告称，射频前端和调制解调器一起成为5G智能手机设计中的双子星，不再扮演传统的支持性角色。

关于射频的重要性，李洋用一张简易的实际电路框架图概括。如下图，L形PCB版上镶嵌着一个骁龙855芯片和5G单独调制解调器，黑色和灰色的方块都是射频部分，图中可以看出，其占据了不少面积，数量也较多。除此之外，三条红色的部分，也是预估的毫米天线模组位置，如果放进去，对手机设计的挑战将更大。

下图是射频前端的构成模块简化视图，李洋简单介绍了信号的收发过程：调制解调器对信号进行调制解调，把数字信号变成模拟信号，传给射频收发器器、随后将信号推到功率放大器，将信号放大，达到能在空中传输的目的。上面是包络跟踪器，为功率放大器提供电源，随后通过滤波器，把信号杂音滤掉，通过天线开关的选型。天线调谐器是用来调节天线性能。

接收部分则通过低噪放大器，放大到射频和调制解调器系统能够识别的维度。下面还有一条通路叫分集通路，这整张图所表示的就是LTE的一发射两接收模型。

那5G呢？

“5G可以简单的理解为将这部分在复制拷贝一下，但并不是简单的翻倍概念，不过至少在复杂度上呈现翻倍的状态。”李洋如此形容5G时代射频前端架构的复杂度：“把Sub-6GHz引入后，其是全新的器件，还不能复用LTE时的器件。”

他还表示，进入5G，如果没有先进的封装技术，就基本没法玩这个游戏了。

需求不断演进以实现高性能5G射频前端，以下几点都是新的需求：

1，就是刚刚所谈封装问题，需要新一代封装实现更好的散热性能和高频寄生。

2，功率追踪——更高峰值对均值功率比、线性和带宽需求；

3，功率放大器（PA）——部分带宽、基带带宽、高功率传输（HPUE）、峰值对均值功率比、线性、高频工作；

4，体声波（BAW）滤波器技术插入损耗和功率处理。低5G频率分区；

5，开关——改善TDD切换时序vs插入

6，低噪放大器（LNA）——更高运行频率增益；新封装技术。

那么高通是怎么做的呢？李洋说到：“作为一个系统厂商，高通骁龙X55 5G调制解调器及射频系统提供了一整套从调制解调器到天线的完整5G解决方案。”如下图。

“系统级解决方案让不可能变成可能。”李洋演讲时的其中一张PPT如此写到，像是在宣扬自己化挑战为机遇的神奇力量。

下图可以看出，蓝色柱体代表手机吞吐率上升趋势，从2012年到2019年，手机下行速率峰值大概翻了20倍，高吞吐率带来的是高数据处理能力，也造成了更高的功耗。红色折现代表的是7年来电池容量的变化，并没有像吞吐率增加那么迅猛，只增加1.6倍。并且，这1.6倍有一部分得益于手机尺寸变大。远远不能满足整机功耗的需求。

“所以我们不仅要从硬件，还要从软件出发，提供功耗优化，满足这20倍的增长。”

关于高通的系统级方法，李洋介绍了5大技术——1，移动毫米波；2，Smart Transmit；3，宽频带包络追踪；4，Signal Boost；5，5G PowerSave。

对此，李洋一一解释道：1，Qualcomm Smart Transmit，能让多路无线管理系统在满足射频发射功率限制的同时，实现上行链路的高度优化。

2，毫米波在中国没有商用，其在智能手机大小的终端中部署5G毫米波将带来链路预算、功耗、移动性、严苛的尺寸限制、散热管理和监管合规的巨大挑战。李洋此处介绍了高通的QTM525毫米波天线模组，支持小于8mm厚度智能手机设计。

3，高通天线调谐技术能够帮助解决多项设计挑战，其中有源天线可在200ms内智能切换，以优化信号并减少延迟。

4，Qualcomm 5G PowerSave技术旨在为5G终端带来“全天候”电池续航的全面解决方案。其中基于联网状态下的非连续接收（C-DRX）是该技术的关键特性之一，简言之，C-DRX可以实现信号动态检测，如存在有数据就接收，没有就低功耗运行。

5，宽频带包络追踪，用下面一张图可以解释。PA输出的信号是波动的。右下角中，给PA供电的电压是平的，根据平均值波动，效率并不是很高，存在非常多功率损失，其中图中蓝色都是损失。而右上角，完全跟踪包络。虽看起来简单，但高频都是毫秒级跟踪，需要调制解调器预知发送的包络是什么，做到完美的匹配，稍微错位，就导致PA性能很差。

对应的高通产品则是QET6100 5G NR包络追踪器。

从一场高通的线上技术研讨会可以看出，5G时代所存在的巨大挑战，也是一些大厂设立技术门槛的机遇。