7 月 3 日消息,继第五代移动通信技术标准(5G NR)独立组网功能冻结后,短短半个月时间,国内三大运营商、移动芯片厂商和手机厂商等各方面均在加快 5G 商用部署的脚步,为 5G 手机的到来打下坚实基础。

 

6 月 14 日,5G NR 独立组网功能实现冻结,加上去年 12 月完成的非独立组网 NR 标准,5G 已经完成第一阶段全功能标准化工作,进入产业全面冲刺的新阶段。5G 标准的最终确定,实现了 5G“万里长征”的第一步。

 

在上海举办的 MWCS 2018 上,国内三大运营商纷纷表态,为 2020 年实现 5G 正式商用作出详实部署。

 

中国移联合大唐电信等合作伙伴发布“5G SA(独立组网)启航行动”,打通全球首个基于 5G 独立组网端到端系统的全息视频通话。同时公布 5G 商用计划表,预计 2018 年底面向行业客户开放 5G 产品测试,明年 10 月实现友好用户测试,2020 年正式商用。中国联通副总经理邵广禄宣布,今年将在全国 16 个城市开展 5G 规模试点,预计 2019 年开始预商用,2020 年正式商用。中国电信发布《中国电信 5G 技术白皮书》,提出 5G“三朵云”目标网络架构和“一个前提、三个原则”的网络演进策略,采用 SA 组网方案,通过核心网互操作实现 4G 和 5G 网络的协同,初期主要满足 eMBB(增强移动宽带)场景需求。

 

今年在深圳举办的 IMT-2020(5G)峰会上,工信部副部长陈肇雄表示,目前 5G 第一阶段的国际标准已经制定完成,我国企业全面参与了 5G 国际标准制定,新型网络架构等多项技术方案被国际标准组织采纳。目前,我国已经突破大规模天线、网络编码等关键技术,各项测试工作将加速进行。确保今年底前推出符合第一版本 5G 国际标准的商用系统设备。

 

5G 给我们带来什么?

提到 5G 网络,与 4G 时代不同,将具有更高速率、更低时延和海量的连接。较 4G 提升数十倍的速度、低于 1ms 的低时延、全球超过 500 亿台设备相互连接。以此,也建立了超宽带移动通信(eMBB)、超低延时通信(uRLLC)、海量物连(mMTC)三大 5G 应用场景。正是基于这三大场景让 5G 时代催生了更多 AR/VR、无人驾驶和远程医疗、万物互连等市场的应用。从人与人的交互,转变成物与物的沟通,实现电信级的蜂窝物联,或将引发人类社会的一场新变革。

  图:5G 时代三大应用场景

 

通信行业专家指出,射频在 5G 手机的设计中尤为关键。4G 手机最大的制造成本在屏幕与处理器,但 5G 手机最大的成本或许会转向整套的射频方案。市场调查机构 Navian 预测,2020 年仅移动终端中射频前端芯片的市场规模将达到 212 亿美元,年复合增长率达 15.4%。

 

5G 时代将有更多的频段资源被投入使用,多模多频使得射频前端的芯片需求增加,同时 Massive MIMO、波束成形、载波聚合、毫米波等关键技术也将助长射频前端芯片需求增加这一趋势,直接推动射频前端芯片市场成长。

 

射频前端的挑战对于即将到来的 5G 通信,射频前端面临的挑战主要表面在以下方面:

 

- 更多射频通路下的布局空间挑战。

- 更多射频通路下的成本挑战。

- 更高功率输出、更高工作频段对射频器件性能的挑战。

 

更多射频通路下的布局空间挑战。以当前 5G 通信频谱使用中,主要分为 Sub-6GHz 与 6GHz 以上频段两个频谱。Sub-6GHz 指的是 6GHz 以下频段,6GHz 以上指的是 26GGHz 以上的毫米波频段。针对于最接近商用的 Sub-6GHz 频段,中国使用的频段为 3.3G~5GHz 频段,频谱高于 4G 时代的最高频段 2.7GHz,并且未来 5G 可能需要覆盖的频段更多。整个射频前端需要搭配更多、功率更高的射频器件以实现频率的覆盖。以 Sub-6GHz 为例,一部支持 3.5GHz 和 4.9GHz 两个频段的 5G 智能机,其 4G/5G 射频功放的通路个数至少从现在的 3 路增加至 5 路。若未来支持毫米波的话,还要提升到 6 路或者更多。这在智能设备尺寸越来越小的趋势下,对射频前端的尺寸提出了非常高的要求。

 

 图:终端通信模式与支持频段的演进

 

另外,据射频行业人士解释,对于 Sub-GHz 以下的射频器件,还会采用多进多出(MIMO)的技术方案实现更高速率的信号传输,在 MIMO 中,不论是发射还是接收,都需要倍数级的射频前端器件进行支持。以 CPE(Customer Premise Equipment,无线路由器的简称)为例,其接收和发射一般为 4 路及 8 路,也就代表了其射频部件以 x4,x8 的倍数级增长。而在毫米波频段,由于路径衰减大,通信距离将变短,射频厂商就无法做到全向的大功率传输。以此,射频器件将采用波束成形+MIMO 的方案满足网络需求。波束成型需要将阵列级别的射频信号进行空间波束成型,通路数量一般在 8 路合成以上,每路至少需要一组射频前端通路。所以,不论是 Sub-6GHz,还是毫米波频段,都需要倍数级的射频前端来进行射频传输,这对手机体积方面产生了巨大挑战。更多射频通路下的成本挑战。由于增加射频通路个数,需要单独的硬件进行支持。所以射频前端的成本,与射频通路的通路数目成正比例关系。射频前端本身不断增加的通路个数,与不断降低的连接终端成本之间的价格矛盾,也对单个射频前端通路的成本,提出巨大挑战。

 

更高功率输出、更高工作频段对射频器件性能的挑战对于 Sub-6GHz 频段,由于 5G 频段的频率更高、衰减多,未来可能还需射频套件的输出功率从原有的 23dBm 提升至 26dBm,以支持更好的空间覆盖,即功率等级将由 Power Class 3 转换成 Power Class 2,这对射频厂商的设计难度也提出新的挑战。

 

对于毫米波频段,欧美传统射频厂商一般采取 IDM 模式,即设计与代工同时兼顾。

 

Skyworks 与 Qorvo 都拥有自建的 GaAs 封装厂,这在成本控制、技术演进方面可以带来优势。但 GaAs 传统 HBT 工艺的特征频率无法满足 26G~29GHz 及更高频率的要求,无法应用于毫米波频段。在毫米波应用中,欧美传统射频厂商在 GaAs HBT 工艺下线性功率的优势,在 5G 时代将不复存在。对于包括 Skyworks、Qorvo 等在内的传统射频厂商,必须进行新技术的开发。“尽管在 GaN、InP 工艺升级方面也有尝试,目前仍无法找到一个实现技术成熟和经济效益的平衡点。”射频行业人士分析道,这对于拥有 Foundry 厂的传统射频厂商来说挑战非常大,似乎到了技术分岔口。

 

 图:频率及功率应用与工艺选择的关系

 

可重构射频前端,适用于 5G 演进的射频前端技术为了解决常规方案射频前端面临尺寸、成本、性能多方面压力,国内一家射频厂商:慧智微电子,借助 RF CMOS 及 SOI 技术,运用 “软件可重构”架构进行全新的射频前端设计,满足未来 4G 演进及 5G 对射频器件小尺寸、低成本、高性能多方面的需求,顺应市场及技术发展。以 4G 时代为例,覆盖全部频段,Skyworks 及 Qorvo 等传统方案至少采取 3 个射频通路完成信号的放大,采用慧智微可重构技术的 4G 手机射频功放芯片,仅需要 2 路射频通路就可以满足所有 4G 频段需求。相比 Skyworks 等竞争对手,至少可以节省一个射频通路。“在 5G 时代,传统欧美厂商需要将射频套件增加到 6 路,而慧智微利用可重构技术期待可将射频通路个数保持在 2 路,甚至 1 路就能够满足对频段的需求。与传统方案下需要 6 个通路相比,无论是成本还是芯片尺寸,都会是非常明显的减少。”慧智微 CEO,国家千人计划专家李阳博士对讲到。

 

 图:采用传统架构(上)与慧智微可重构架构(下)实现的 4G 射频前端方案对比

 

对于毫米波频段,高通已经在毫米波上使用 CMOS 工艺,这也许成为射频厂商的一个新方向,而且,随着工艺节点的下降,CMOS 工艺的射频性能还能够继续提升。虽然 CMOS 在大功率输出中还不如 GaAs 等工艺,然而,由于毫米波使用了波束成形技术,对每一路的要求都下降了一个数量级,这也使 CMOS 成为更适用于毫米波应用的工艺技术。
 

图:CMOS 工艺特征频率随时间的演进

 

李阳博士表示,在这轮 5G 射频前端市场的变革中,慧智微的可重构技术优势愈加明显。不仅帮助 5G 终端解决了因覆盖更多频段产生的尺寸和成本增加问题,还能实现性能的进一频提升,并且可以借助 CMOS/SOI 制造工艺延续带来的性能提升,持续进行性能、尺寸、成本的演进。

 

此外,从支持高数据率、多天线方面,可重构技术能够让射频器件对未来 5G 终端的功率、环境负载动态调配方面提供灵活的支持。无论在系统性能、场景优化、功耗控制等任何方面,5G 的应用场景越复杂,可重构技术的优势将表现得越加明显。