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...

  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。

5G已经完成第一阶段全功能标准化工作 5G走出了“万里长征”的第一步

  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。

  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,据射频行业人士向集微网解释,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集微网讲到。

 

  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。

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