着眼未来提升5G性能，骁龙X60先行一步

2019年是5G元年，近一年多个国家和地区都推出了5G商用服务。2020年，5G的部署将会更进一步，在2月22日，中国工信部召开了加快推进5G发展，做好信息通信业复工复产工作电视电话会议，强调要在做好疫情防控工作的同时，要做好5G发展和复工复产工作，加快5G商用步伐。
 
截止2月20日，中国联通已累计开通5G基站6.4万个，网络覆盖所有直辖市、主要省会城市，以及京津冀、长三角、大湾区等区域的重点城市。中国联通更是表示要在今年上半年与中国电信力争完成47个地市、10万基站的建设任务，三季度力争完成全国25万基站建设，较原定计划提前一个季度完成全年建设目标。截至1月底，中国移动已开通5G基站7.4万个，已在50个城市实现5G商用；并将力争2020年底5G基站数达到30万，确保2020年内在全国所有地级以上城市提供5G商用服务。
 
其实，就全球来看，2020年5G发展势头也很强劲，目前已经有超过45家运营商部署了5G网络，超过40家终端厂商宣布发布5G终端，超过115个国家的340多家运营商对5G进行了投资。与10年前4G刚开始部署的情况相比有着巨大的数量级差别：2011年左右，首个4G网络开始部署。在4G部署的第一年中，全球只有4家运营商、3家终端厂商推出了相关的商用产品及服务，因此5G的部署和发展速度要远远超过4G。
 
5G时代已经来临，关于5G改变生活、赋能产业、提振经济的预测数据不胜枚举，但是，如何让消费者感受到实实在在的性能提升，让消费者愿意为5G买单？如何洞察全球5G部署的演进方向，助力移动产业提前为5G网络和终端的下一步发展铺平道路？这些都需要实实在在的创新技术和产品来给出答案。
 

5G调制解调器是推进全球5G部署的关键

 
不论是手机、CPE，还是模组和联网PC等终端侧设备，如果要连上5G网络，都需要有5G调制解调器的支持，目前推出5G调制解调器的厂商主要有高通、联发科技、华为、紫光展讯等几家。其中最先商用化的有高通骁龙X50、X55，华为巴龙5000等几款。
 
在2月18日，高通更是更进一步，推出了更为先进的第三代5G调制解调器及射频系统——骁龙X60。其中的5G基带采用5nm工艺，支持聚合全部主要频段及其组合，包括毫米波和Sub-6GHz的FDD和TDD频段，以及5G VoNR能力，加速5G网络部署向独立组网（SA）演进。
 

图1：高通第三代5G调制解调器及射频系统——骁龙X60。

 
目前，全球所有5G手机的语音通话功能都是依靠4G VoLTE。但随着5G部署的扩展和技术的成熟，特别是SA部署完成后，整个网络里的各个网元基本上都是支持5G的，没有网络结构可以支撑4G业务，所以必须采用5G来支撑语音通话，支持VoNR就成了5G手机必备的特性。
 

图2：高通骁龙X60对5G网络性能的提升。

 
根据高通披露的信息，骁龙X60主要具有以下几个特性：
 
•      业界首个采用5纳米工艺，使5G基带芯片能效更高，占板面积更小。
•      支持5G FDD-TDD 6GHz以下频段的载波聚合，有助于最大化网络可用频谱资源，以提升网络容量及峰值速率。
•      支持5G TDD-TDD 6GHz以下频段的载波聚合，能够实现5G SA峰值速率翻倍（相比于骁龙X55）。
•      业界首次引入毫米波~6GHz以下聚合，为运营商提供全面丰富的选择，以兼顾实现最优网络容量及覆盖。
•      搭配骁龙X60的全新Qualcomm QTM535毫米波天线模组，较上一代产品具有更小巧紧凑的设计，支持打造全新、纤薄的毫米波智能手机设计，实现更为出色的毫米波性能。
 
5G峰值下行速率为7.5Gbps，峰值上行速率为3Gbps。而且支持5G双SIM卡。
 
高通官网显示的骁龙X60 5G 解决方案的亮点主要有四个：为运营商5G部署提供极致灵活性、更广泛可靠的网络覆盖、更佳能效和更快的5G速率。
 

图3：骁龙X60的新特性。

 
对于骁龙X60的四大新特性，高通产品市场高级总监沈磊在接受媒体采访时介绍说，虽然不同国家5G演进路径不太一样，但是未来5G网络的架构将呈现出比较统一的情况，就是借助高频段毫米波支持重点地区的高速率传输，利用5G中低频段、尤其是低频段和FDD频段进行全国范围的覆盖。
 
他认为，5G网络从低频段、中频段和高频段都有一个分层的支持，因此，毫米波和Sub-6GHz的TDD、FDD是处于一个共存的状态的。通过Sub-6GHz和毫米波的各种载波聚合的组合可以完善用户的体验。而动态频谱共享（DSS）能够支持运营商使用低频段来提供5G服务。Sub-6GHz频段的聚合，以及Sub-6GHz频段和毫米波频段的聚合，能够为运营商带来最高的部署灵活性。
 
对于载波聚合，在沈磊看来，如果能够把5G频谱中6GHz以下以及毫米波的不同频段有机地组合在一块，将会在以下几方面带来优势：
 
一是，由于每个国家和地区的频谱和频段划分不一致，所以全球频谱和频段复杂性非常高，只有载波聚合能够把6GHz以下以及毫米波离散的、各有特性的频谱聚合在一起，提供更好的用户体验、识别率、覆盖率和网络容量。
二是，毫米波和6GHz以下频段随着频谱的升高或降低，频宽、速率、覆盖性都会发生变化，各具特性，载波聚合可以灵活地根据实际可用的频谱来优化网络的特性。比如毫米波的一个载波大概是100MHz，在毫米波内部进行载波聚合可以做到4个/8个载波的聚合甚至更高；6GHz以下频段TDD一个载波是100MHz，FDD一个载波是20MHz或更高，可以使用1个/2个载波，随着时间的演进今后将支持更多的聚合。
除此之外，骁龙X60能够支持FDD内部的载波聚合，可以支持6GHz以下TDD和FDD之间的载波聚合，并支持6GHz以下和毫米波聚合。
 
其实骁龙X60是高通的第三代从调制解调器到天线的5G解决方案，在此之前还有第一代/第二代5G调制解调器及射频系统——骁龙X50/骁龙X55。其中，2016年10月推出的骁龙X50采用10纳米制程工艺，支持6GHz以下及毫米波、NSA、TDD和多SIM卡；而X55采用7纳米工艺制造，支持宽带包络跟踪以及动态频谱共享等诸多先进技术，具备高达7.5 Gbp的峰值速率。
 

图4：高通三代5G调制解调器及射频系统。

 
毫米波天线模组

 
在骁龙X60 5G调制解调器及射频系统中，还有重要的新产品，那就是毫米波天线模组QTM535，相比上一代的QTM525，它更加轻薄、性能更优，这对移动终端而言，好处多多。
 

图5：高通QTM535毫米波天线模组。

 
QTM535集成了毫米波射频链路上的所有元器件，包括收发、射频前端器件，以及天线阵列。据沈磊介绍，只需要2~4个这样的模组，就可以很容易做出一部支持毫米波的手机了。“使用QTM525，我们已经能够支持客户做出厚度仅为8毫米的支持5G毫米波的商用手机了，现在QTM535可以让手机更加时尚轻薄。”
 
QTM535可以支持26GHz、28GHz和39GHz这几种北美、韩国、日本、欧洲和澳大利亚已经批准的毫米波频谱，中国目前还没有批准毫米波频段的使用，目前还用不到。
 

如何应对5G初期的1万个频段组合挑战

 
从4G演进到成熟的5G并非一蹴而就，而是一个阶段性的发展过程。2019年，许多地区正式开始部署5G，2020年至2021年全球运营商将会加快5G部署，扩大覆盖范围，持续增加网络容量，并平滑地过渡到5G SA模式。
 
众所周知，5G主要有两大类可部署的频谱资源，一个是6GHz以下频段，频率范围大约是600MHz到5GHz、6GHz范围；另一个是毫米波频段，频率范围大约是26GHz、28GHz、39GHz，甚至更高。
 
总的来说，频谱高低各有优劣。比如频谱频率高的话，其频宽就越宽，频谱资源就越多，能承载的数据量也就越大。但随着频谱频率增高，它的传输性能及覆盖性能会有一定的下降；相反，频谱频率越低，它的频宽降低，数据传输速率会有所降低，但传输性能及覆盖能力会有所提升。
 
实际上，在Sub-6GHz频段范围内频谱的多工方式，主要分为两种：频分多址（FDD）和时分多址（TDD）。FDD指的是手机信号的收发通过两个子频段完成。这两个频段是错开的，因此可以同时接收和发射信号；TDD指的是手机信号的收发通过一个频段完成，因此信号的接收和发射不能同时进行，收发时间相互错开。FDD和TDD使用情况的不同是由各个国家和地区的不同历史背景和频段部署状况导致的。总体而言，Sub-6GHz频段范围内的频段越低，FDD的频段越多。例如Sub-6GHz频率范围内的600MHz、700MHz、1.8GHz等低频段，大部分都是FDD；而Sub-6GHz频率范围内的2.6GHz、3.5GHz、4.9GHz等高频段，则TDD比较多。
 
据沈磊介绍，从TDD和FDD的部署时间来看，TDD是优先部署的，因为TDD频段基本比较就绪，而FDD大部分频段已经被现有的4G占用，4G向5G频段的释放和重耕的过程需要时间，因此TDD的部署时间要相对早一些，后续会有FDD的相关部署。上述都是在Sub-6GHz频率范围内的频谱多工方式，如果在毫米波频率范围内则目前都是TDD。
 
一般来说，目前5G网络组网方式主要分两种，即非独立组网（NSA）和独立组网（SA）。其实网络组网的核心架构包含了接入网（Radio Access Network）和核心网（Core Network）。5G部署初期，我们把接入网部分换成5G设备，核心网还使用4G，这样的组网方式叫NSA，在NSA模式中需要依靠一定的4G核心网能力。随着时间的发展和技术的成熟，我们再将核心网也从4G换成5G，即核心网和接入网都是5G的组网方式，我们称之为SA，在SA模式中5G可以独立工作。从部署的时间上来看，整体趋势是先启动NSA，随着5G核心网的成熟，将开始部署SA。
 
5G还有一个比较核心的技术就是载波聚合，即把5G频谱中Sub-GHz和毫米波不同频段有机组合在一起的技术。
 
就目前来说，不同的国家和地区采用了不同的频谱、组网方式和载波聚合的组合，每个国家和地区的部署并不一致，都有自己独特的频段、组合情况，对技术的引入也都有自己的时间表。
 

图6：全球5G部署规划展望。

 
从图6中，我们可以看到，截至2020年2月，目前的5G部署基本都是围绕Sub-6GHz频段的NSA模式来部署的，这包括美国、中国、欧洲、韩国和澳大利亚。美国已经率先开始部署毫米波频段了，欧洲部分国家、日本、韩国也将在今年跟进。
 
在沈磊看来，不论是Sub-6GHz，还是毫米波频段的部署，从长远来看都是殊途同归的，很有可能经过一段时间的发展之后，绝大部分的国家和地区会需要依靠Sub-6GHz和毫米波覆盖的配合来提供更佳的5G服务。因为毫米波的优势是数据率非常高，可以对一些热点地区做重点覆盖；而Sub-6GHz频段的覆盖性较好，可以进行大面积覆盖。
 
预计，在2020年更多的5G的频谱组合和技术将在全球范围内部署，NSA的Sub-6GHz TDD会在包括日本、拉丁美洲、东南亚等地区部署，毫米波也会在欧洲一些国家（俄罗斯、意大利的一部分）以及日本和韩国部署。Sub-6GHz中被4G占用的FDD频段，2020年之后将逐步释放并部署5G，预计2020年绝大部分国家都将进行FDD的实验和部署。
 

图7：5G发展初期的频谱组合超过了1万个。

 
由于每个国家和地区的历史、经济和政策都非常不一样，在5G发展的策略方面也都有自己的考量，为了追求更好的5G体验和性能，他们都会根据自己特定的情况制定不同的时间表，并向前推进。
 
在这种情况下，5G初期的频谱组合已经非常复杂，而且这种射频的组合数量还在快速上升当中，就目前来看，频谱组合方式已经超过了1万个。对于手机、CPE、模组和联网PC等终端设备而言，如何处理这么多的频谱组合，将是一个相当重要的课题。因为这关乎着如何支持全球运营商应对高复杂性，最大化5G频谱资源利用效率，从而为消费者提供高速稳定的5G连接
 
射频（RF）滤波器将手机发射和接收的无线电信号从不同频段中分离出来。滤波器能够从多方面影响射频前端的性能，很多射频前端模组中都有分立式或集成式滤波器，包括功率放大器模组、分集接收模组等。因此，提高滤波器器件的性能能够为整个射频系统带来性能上的巨大提升。
 
虽然单个功率放大器能够覆盖多个频段，但目前单个滤波器基本上还只支持对应特定的频段，也就是说一个频段就需要一个特定的滤波器。
 
从信号收发的角度来说，接收信号一般都是有分级的，可以一路收，但一般至少是两路接收。其实从LTE手机开始，至少是两路收，到了5G时代，5G手机可以达到四路收，每一个频段每收一路基本上就需要一个滤波器。另外，发射链路也需要滤波器，数量根据发的路数而定，目前一般是发一路，SA模式下能够实现发两路。
 
从频段角度而言，采用滤波器的具体数量也受具体频段的影响。有些频段的收发条件非常苛刻，这些频段的频段很窄，收发位置非常靠近，对滤波器的要求极高，因此需要采用性能更好一些的滤波器。
 

图8：高通ultraSAW滤波器特性及性能参数。

 
在推出骁龙X60的同时，高通还公布了一项ultraSAW滤波器技术，据沈磊介绍，ultraSAW滤波器能够实现将插入损耗提升整整1分贝（dB），在2.7GHz以下频段范围内可以提供比与之竞争的体声波（BAW）滤波器更高的性能。
 
据高通发布信息，ultraSAW滤波器可在600MHz至2.7GHz频率范围内提供出色的发射、接收和交叉隔离能力；品质因数高达5000；具有极低的插入损耗；以及出色的温度稳定性，可维持在个位数的ppm/开尔文范围内的极低温度漂移。
 
射频性能的提升可支持OEM厂商为消费者带来具有出色连接性能和持久续航的5G终端。据悉，采用高通ultraSAW技术的一系列分立式和集成式产品于2020年第一季度开始量产，OEM厂商采用该技术推出的商用旗舰终端预计于2020年下半年推出。