5G即将到来!智能手机将面对什么样的挑战?
在一定程度上，由于标准制定的速度加快，5g正迅速迈向全球部署，给智能手机制造商带来了许多新的射频（rf）挑战。移动运营商今年开始安装基础设施，首批5g手机有望于2019年推出。尽管在未来许多年内，4g lte仍将是最主要的蜂窝网络接入技术，但据业内估计，5g智能手机的销量将稳步增长。最新的爱立信移动报告预测，到2023年底，5g移动用户数将超过10亿，占全球移动数据流量的20%。
随着首批5g部署即将问世，智能手机制造商面临巨大压力，他们需要制定实施策略，将5g技术应用到手机产品上。这不是一项简单的任务，因为5g会极大地增加射频的复杂性，在带宽、线性度和电源管理等方面带来挑战。
5g概况
针对5g规范所做的早期工作主要侧重于增强型移动宽带(embb)，即第一个5g用例。embb提供的数据速率预计会达到现今lte速度的20倍。于2017年12月发布的3gpp 15版（见图1）的第一阶段包含了非独立(nsa)5g新无线电(nr)的草案规范。nsa利用lte锚频段进行控制，并使用5g nr频段提供更快的数据速率（见图2），这是为了让运营商能够使用其现有的lte网络来更快地提供5g速度。
图13gpp 5g标准时间线。
图2nsa和sa实施选项（与lte相比）。
2018年6月，3gpp接着推出了5g独立(sa)nr规范。sa无需lte锚点，但需要建设一个全5g网络。如图1所示，该标准组还制定了未来18个月的时间线，包括“后期放弃”15版的额外特性，以及16版的工作计划，这些内容会开始将5g规范的范围扩展到移动宽带以外的各种新应用，包括自动驾驶汽车和物联网。
为了实现加快数据速度的承诺，以及支持更高的容量，5g将大幅增加用于手机通信的频谱范围和带宽。频谱分配到两个频率范围：低于6ghz，指定为fr1；毫米波，指定为fr2（见图3）。最初的移动部署将使用fr1，其中包括若干3ghz以上的新5g频段。目前正在开发在手机中支持毫米波频率的技术方法，但该技术不如支持低于6ghz频段的技术成熟。
图35g频谱将包括6ghz以下和毫米波频率的新频段。
在fr1中，单个载波的最大带宽为100mhz，是lte的最大带宽20mhz的5倍。5g规范强制要求手机支持频段在1ghz以上的2个上行载波和4个下行载波，以分别实现200和400mhz的总带宽。15版规范包含600多个新载波聚合(ca)组合，包括许多4g和5g波段的nsa组合。管理这一前所未有的带宽和ca组合所面临的挑战波及了整个射频子系统。5g定义了两种替代波形，这进一步增加了复杂性：cp-ofdm和dft-s-ofdm。cp-ofdm在资源模块中提供了很高的频谱封装效率，并为mimo提供了良好的支持。dft-s-ofdm是用于lte上行链路的同一波形，其频谱封装效率更低，但范围更广。
对手机设计的影响
5g将对手机射频前端(rffe)产生巨大影响，该标准要求手机在基本同样大小的空间中解决额外的复杂射频问题（见图4）。需要采用创新方法来支持多个同步上行链路和下行链路连接的要求，且rffe在支持这种海量带宽的同时，需要提供非常高的线性度并管理好功耗。
图45g智能手机射频前端的复杂性，还不包括任何毫米波频段。
nsa双连接
尽管5g nsa为运营商提供了加快5g部署的方法，但也增加了射频复杂性，因为它要求实现lte和5g双连接。在某些情况下，手机可能会在一个或多个lte频段中传输数据，同时在一个5g频段上接收数据。这就大大增加了传输频率谐波降低接收器灵敏度的可能性。其中一个示例就是lte频段1、3、7和20与新5g fr1频段n78的ca组合。n78占用的频率范围比lte频段要高，且非常广泛，从3.3至3.8ghz。这样一来，在其中一个lte频段上传输数据生成的谐波将更有可能落入n78频率范围。通过滤波来衰减谐波可能增加rffe插入损耗、提高所需的功率放大器(pa)输出功率，并降低系统的总效率。
海量带宽和新波形
海量带宽、新cp-ofdm波形和更高输出功率相结合，给射频线性度和功率管理造成了重大挑战。4g手机广泛采用包络跟踪(et)来最大程度降低pa功耗。et通过不断调整pa电源电压以跟踪射频包络的方式来提高效率。但是，在首次部署5g时，包络跟踪器预计最大只能支持60mhz带宽，该带宽不足以支持100mhz的5g载波。因此，pa必须在固定电压平均功率跟踪(apt)模式下运行，以实现宽带传输，这会降低效率和缩短电池续航时间。
新的cp-ofdm波形拥有更高的峰均功率比(par)，这进一步增加了难度。结合更高的信道带宽，5g需要比lte更高的pa回退值，以避免超过规定限制，并维持高质量数据链路所需的线性度。最后，许多运营商都计划实施2级功率标准，以最大程度扩大5g手机的工作范围。2级功率让手机天线的输出功率翻倍，以克服更高频率的fr1频段遇到的传输损耗增大的问题。
增加带宽、新波形和更高输出功率这三种需求相结合，给pa设计带来了非常具有挑战性的线性度要求，且有可能会降低传输链效率。
4×4 mimo
lte需要两条下载通道，用于接收分集，而5g需要四条1ghz以上频段的独立射频下行链路，以通过4× mimo和ca提供更高的数据速率。在某些频段上，5g还会指定两条可选的上行链路。手机制造商面临的挑战是如何将这些额外的信号路径装入分配给rffe的有限空间中。
解决这个问题的关键在于提高集成度，即使用通常集成了pa、开关和滤波器的集成模块。除了节省空间和提高性能外，集成模块还提供预测试射频构建模块，这有助于手机制造商满足行业严苛的手机开发周期。以前从3g过渡到4g时，手机主要采用分立式元件，而此次过渡与之前不同，几乎所有手机制造商都一致认同使用集成式rffe来加快其首批5g设备的上市速度。
天线的空间
射频复杂性的提高也使得天线数量有所增加，接近手机可达到的实际极限。为了支持4×下行链路mimo、双上行链路mimo、范围更广泛的频段和要求（例如2× wi-fi mimo），如今lte手机的天线数量预计会从3个增加到5个，5g智能手机则会从4个增加到8个，或者更多。与此同时，随着手机行业转而采用全屏设计，放置手机天线的边框区域会缩小，因此天线可用的空间实际上也会缩小。需要在更小的空间内安装更多的天线就意味着天线的尺寸必须缩小，因此天线的效率会降低。
这些趋势将推动rffe采用两类天线解决方案。一类是天线调谐，可以将每根天线都调谐到工作频段，使它更加高效。在某种程度上，lte手机已经采用了天线调谐，主要用于提高性能。对于5g手机，鉴于其天线数量有限，且必须支持更广的频率范围，因此必须使用天线调谐来维持性能。另一种天线技术是天线转换开关，它在一些lte手机中是一种高性能选项，而在5g手机中将成为必不可少的技术。天线转换开关利用单个模块覆盖多个频率，使得多条射频通道可以同时连接至天线，同时防止通道之间的干扰。天线转换开关目前被有些lte手机用于路由ca信号，但它将会成为5g手机不可缺少的组件，用于支持15版和之后版本的规范所定义的海量双连接ca选项。
应对挑战
在大肆宣传5g的背后，现实中部署的速度远远快于最初的预期，让智能手机制造商添加5g功能的压力越来越大。新标准带来了前所未有的射频挑战，包括更高程度的复杂性、海量带宽、线性度和功率管理。
在3gpp制定5g标准的同时，qorvo和其他rffe供应商通过与无线基础设施制造商、网络运营商、芯片提供商和智能手机制造商合作，为这些工作提供支持。如同在之前的技术过渡过程中，解决复杂的5g挑战将需要创新型射频解决方案，让制造商能够为消费者推出新的产品。
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随着首批5g部署即将问世，智能手机制造商面临巨大压力，他们需要制定实施策略，将5g技术应用到手机产品上。这不是一项简单的任务，因为5g会极大地增加射频的复杂性，在带宽、线性度和电源管理等方面带来挑战。
5g概况
针对5g规范所做的早期工作主要侧重于增强型移动宽带(embb)，即第一个5g用例。embb提供的数据速率预计会达到现今lte速度的20倍。于2017年12月发布的3gpp 15版（见图1）的第一阶段包含了非独立(nsa)5g新无线电(nr)的草案规范。nsa利用lte锚频段进行控制，并使用5g nr频段提供更快的数据速率（见图2），这是为了让运营商能够使用其现有的lte网络来更快地提供5g速度。
图13gpp 5g标准时间线。
图2nsa和sa实施选项（与lte相比）。
2018年6月，3gpp接着推出了5g独立(sa)nr规范。sa无需lte锚点，但需要建设一个全5g网络。如图1所示，该标准组还制定了未来18个月的时间线，包括“后期放弃”15版的额外特性，以及16版的工作计划，这些内容会开始将5g规范的范围扩展到移动宽带以外的各种新应用，包括自动驾驶汽车和物联网。
为了实现加快数据速度的承诺，以及支持更高的容量，5g将大幅增加用于手机通信的频谱范围和带宽。频谱分配到两个频率范围：低于6ghz，指定为fr1；毫米波，指定为fr2（见图3）。最初的移动部署将使用fr1，其中包括若干3ghz以上的新5g频段。目前正在开发在手机中支持毫米波频率的技术方法，但该技术不如支持低于6ghz频段的技术成熟。
图35g频谱将包括6ghz以下和毫米波频率的新频段。
在fr1中，单个载波的最大带宽为100mhz，是lte的最大带宽20mhz的5倍。5g规范强制要求手机支持频段在1ghz以上的2个上行载波和4个下行载波，以分别实现200和400mhz的总带宽。15版规范包含600多个新载波聚合(ca)组合，包括许多4g和5g波段的nsa组合。管理这一前所未有的带宽和ca组合所面临的挑战波及了整个射频子系统。5g定义了两种替代波形，这进一步增加了复杂性：cp-ofdm和dft-s-ofdm。cp-ofdm在资源模块中提供了很高的频谱封装效率，并为mimo提供了良好的支持。dft-s-ofdm是用于lte上行链路的同一波形，其频谱封装效率更低，但范围更广。
对手机设计的影响
5g将对手机射频前端(rffe)产生巨大影响，该标准要求手机在基本同样大小的空间中解决额外的复杂射频问题（见图4）。需要采用创新方法来支持多个同步上行链路和下行链路连接的要求，且rffe在支持这种海量带宽的同时，需要提供非常高的线性度并管理好功耗。
图45g智能手机射频前端的复杂性，还不包括任何毫米波频段。
nsa双连接
尽管5g nsa为运营商提供了加快5g部署的方法，但也增加了射频复杂性，因为它要求实现lte和5g双连接。在某些情况下，手机可能会在一个或多个lte频段中传输数据，同时在一个5g频段上接收数据。这就大大增加了传输频率谐波降低接收器灵敏度的可能性。其中一个示例就是lte频段1、3、7和20与新5g fr1频段n78的ca组合。n78占用的频率范围比lte频段要高，且非常广泛，从3.3至3.8ghz。这样一来，在其中一个lte频段上传输数据生成的谐波将更有可能落入n78频率范围。通过滤波来衰减谐波可能增加rffe插入损耗、提高所需的功率放大器(pa)输出功率，并降低系统的总效率。
海量带宽和新波形
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射频复杂性的提高也使得天线数量有所增加，接近手机可达到的实际极限。为了支持4×下行链路mimo、双上行链路mimo、范围更广泛的频段和要求（例如2× wi-fi mimo），如今lte手机的天线数量预计会从3个增加到5个，5g智能手机则会从4个增加到8个，或者更多。与此同时，随着手机行业转而采用全屏设计，放置手机天线的边框区域会缩小，因此天线可用的空间实际上也会缩小。需要在更小的空间内安装更多的天线就意味着天线的尺寸必须缩小，因此天线的效率会降低。
这些趋势将推动rffe采用两类天线解决方案。一类是天线调谐，可以将每根天线都调谐到工作频段，使它更加高效。在某种程度上，lte手机已经采用了天线调谐，主要用于提高性能。对于5g手机，鉴于其天线数量有限，且必须支持更广的频率范围，因此必须使用天线调谐来维持性能。另一种天线技术是天线转换开关，它在一些lte手机中是一种高性能选项，而在5g手机中将成为必不可少的技术。天线转换开关利用单个模块覆盖多个频率，使得多条射频通道可以同时连接至天线，同时防止通道之间的干扰。天线转换开关目前被有些lte手机用于路由ca信号，但它将会成为5g手机不可缺少的组件，用于支持15版和之后版本的规范所定义的海量双连接ca选项。
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