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2018年6月，3GPP 5G NR独立组网标准完成，标志着移动产业进入一个全新的时代——5G时代。 5G来了！5G手机也要来了！ 不久前，《2018年爱立信移动报告》发布，报告里“5G设备展望”部分引入注目… 报告指出， 首批支持5G中频段的商用智能手机预计将于2019年初推出，而支持5G高频段（毫米波频段）的商用智能手机预计于2019年中期推出。 众所周知，现有的4G手机支持GSM/WCDMA/LTE等制式共计20多个频段，而5G NR支持从450MHz到52.6GHz更广泛的频段范围，5G手机不但要支持现有LTE频段，还要支持频率更高、范围更广的5G频段，这为5G手机设计提出了新的挑战。 5G频段分为小于6GHz和毫米波两大频段范围，两大频段范围面对不同的挑战。
一，对于小于6GHz频段，射频前端是块难啃的骨头。 对于6GHz以下频段，5G手机估计会沿用4G基本设计构架，但射频前端是一大挑战。 所谓射频前端（RFFE：Radio Frequency Front End），位于Transceiver和天线之间，包括滤波器、功率放大器、低噪声放大器、双工器、射频开关等，其性能直接影响手机信号强度、通话质量、连接可靠性、连接速度和功耗等。 最早的手机射频前端非常简单，一根天线连接一个双工器、功率放大器和低噪声放大器就搞定。但随着手机支持的频段越来越多，每一个频段都需要独立的双工器、功率放大器和低噪声放大器，导致了射频前端越来越复杂，在集成难度、成本和性能上均面临越来越大的挑战。 比如，一部手机若支持20个频段，就需要20个双工器（40个滤波器），如果这部手机支持4*4MIMO，也就是配置4根天线，滤波器的数量可达160个。 总之，进入5G时代，早期5G部署采用与4G混合组网的方式，新引入的5G频段、载波聚合、MIMO、双连接等技术意味着要想在智能手机狭小的空间里实现高性能、低成本射频功能，对射频元器件、新材料工艺和集成设计提出了更高的要求，射频前端整体设计将面临更加严峻的挑战。
二，对于毫米波频段，5G手机设计面临新挑战。 先说为什么5G手机需支持毫米波频段？ 从技术上讲，提升手机上网速率无非四大技术：无线频率带宽、QAM调制方式、载波聚合和MIMO技术。 对于4G手机，理论上讲，若支持最大5CC载波聚合（LTE最大信道带宽为20MHz，5CC载波聚合即100MHz带宽）、256QAM调制方式和4×4 MIMO技术，最大下载速率可接近2Gbps。 不过，这只是4G手机速率的理论极限，在实际设计中，支持更高阶的调制方式和更多的载波聚合，意味着更耗电，需要更复杂、更高性能的射频和基带电路；更高阶的MIMO技术，即支持更多的天线，则意味着面临天线的物理尺寸、隔离度和辐射效率的限制。 可5G的KPI是支持10-20Gbps的峰值速率，显然这是4G手机无法完成的任务。 因此，5G手机需要支持毫米波频段，原因主要有两点： 首先，毫米波频段支持更宽的带宽，5G NR在毫米波频段的最大单信道带宽为400MHz，远大于4G LTE的20MHz，更宽的、连续的频率带宽可大幅提升5G速率。 其次，毫米波频段意味着天线尺寸大幅减小，可实现波束赋形（beamforming）和多天线空间复用技术，利于智能手机小型化、轻薄化的外观设计。 相较于小于6GHz频段，高频段毫米波的传播损耗更高，覆盖距离更近，信号穿墙能力弱，还受氧气、湿度、雾和雨的影响，鉴于此，为提升信号覆盖，需在基站和手机两端采用多天线和波束赋形技术。 问题来了，毫米波波束赋形面临的最大问题是——人体阻挡衰减。 简单的说，我们的手握住手机，放在耳边打电话，都会阻挡毫米波波束信号。 为此，根据一份IEEE的技术报告，为了支持毫米波波束赋形，5G手机需引入多个波束赋形模块（5G Beamforming Module），并将这些波束赋形模块分布式设计于手机后壳。
▲5G手机系统基本构架图（新引入波束赋形模块，波束赋形模块内包含多天线单元组成的相控阵）
▲多个波束赋形模块分布于5G手机后壳周围
为何要这样设计呢？ 就是为了避免人体阻挡衰减。 研究表明，我们握手机的姿势主要有以下四种：
每一种姿势都可能对毫米波波束造成阻挡，但是，如果手机周围分布多个波束赋形模块，那就意味着，我们不管采用怎样的姿势握手机，总会有两个波束不会被阻挡。比如，第①种握姿，波束赋形模块1和2不会受阻挡。 这是一种以“数量”换“质量”的设计方案，以克服人体阻挡衰减。 同时，这种设计方式还有可获得更高的空间复用增益、利于散热等优点。 值得一提的是，这种设计方式可能意味着传统SIM卡卡槽消失，取而代之的直接焊接入电路板的eSIM卡。 因为要在手机后壳周围安装多个波束赋形模块，这种设计方式也可能导致早期支持5G毫米波的手机（或原型机）较为笨重，样子较丑。 前几天，有媒体爆料称摩托罗拉将为其Moto Play Z3智能手机配了一个5G通信模块。 如上图，这个5G通信模块就像是一个手机盖子，背后印有5G logo，网友普遍吐槽这“盖子”太丑。 由于没有更多的关于该5G通信模块的信息，不知道该5G通信模块是否支持毫米波，但有业内人士猜测，这个“盖子”可能就是采用分布式波束赋形模块设计。 所以看起来有点笨重，有点丑。
回顾历史，移动产业每次更新换代，都会引发终端领域的设计变革，也会引发行业重新洗牌。
“4300万个模拟手机用户，这个市场错不了。”在1G向2G过渡时期，摩托罗拉一位高管在面对数字化威胁时毫不在意。 “我们并没有做错什么，但不知道为什么，我们输了。”在3G向4G过渡时期，诺基亚手机未能把握智能机时代机遇而衰落，前诺基亚CEO在公司并入微软的记者会上说了这句话。
你还记得“手机中的战斗机”吗？当年这广告词牛逼到赵本山拿到春晚。 波导曾多次荣登国产手机销售冠军。可惜，随着联发科推出其著名的Turn-Key解决方案后，“踏平”了手机行业的门槛，而坚持做“手机中的战斗机”的波导为保持其技术优势，选择坚持与德州仪器合作，拒绝了联发科的解决方案。 随后，“战斗机”在“山寨机”的浪潮中被淹没。
过去，我们谈论的是摩托罗拉、诺基亚和黑莓，今天登上舞台的是苹果、华为和三星等，正所谓你方唱罢我登场，各领风骚三两年。 5G手机要来了，首先在设计上将面临前所未有的挑战和变革，竞争异常激烈的手机行业的城头是否会再次变换大王旗？谁会是下一个摩托罗拉？谁会是下一个诺基亚？ | 
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发表于 2018-6-26 08:58:19
