射频前端的成本伴随着LTE网络逐步提升

过去十几年的时间，通讯行业经历了从2G到3G，再由3G到4G的逐步迭代。更多频段得开发、新技术得引入令高速网络普及，手机也由当年短信电话的功能机转变为更加多元的智能终端，满足我们即时下载、社交直播、在线游戏等需求。伴随着这种转变，通讯性能成为衡量一款手机的重要指标。这其中射频前端(RFFE)作为核心组件，其作用更是举足轻重。

提及射频前端，相信不少朋友对射频前端还不太了解。它是射频收发器和天线之间的一系列组件，主要包括功率放大器(PA)、天线开关(Switch)、滤波器(Filter)、双工器(Duplexer和Diplexer)和低噪声放大器(LNA)等，直接影响着手机的信号收发。如果没有射频前端，你的手机根本无法连接到移动网络。

近期国际知名研究机构IHS通过拆解多款智能手机，发布了一份关于手机射频前端的研究报告，并对近年的手机射频前端设计趋势做了一定解读。

射频前端的成本伴随着LTE网络逐步提升

IHS表示，由于近年在全网通、LTE网速上的追求，一款终端往往需要支持多个频段，这种频段的增加直接导致射频前端设计复杂度的提升，往往方寸之间就要容纳上百个元器件。

特别是千兆级网络的来临，多载波、高阶的调制、4x4 MIMO等技术的融入令前端设计复杂度直线提升，通过拆解三星S8，IHS指出其采用了堪称目前最复杂的前端设计。当然，复杂度的提升直接意味着成本的增加，并在手机BOM成本中占有越来愈高比例，足见其重要性。

拆解三星S8

另外IHS还指出，伴随着手机设计的轻薄化发展，机身内可被利用的空间实际上是减小的，尤其是主板的空间。因此尽管射频前端的复杂度和重要性与日俱增，但尴尬的是，主板上留给它的空间却越来越少。

射频前端越来越复杂，但是主板留下的空间越来越少

可以说，一面是高速网络的直接需求、另一面是美学设计的行业趋势，这种矛盾如何权衡始终是个困难的问题。作为深耕通讯领域30余年的企业，高通给出了行业内系统的射频前端解决方案，具备完整的射频前端核心技术组合、先进的模块集成功能，并结合自身modem方面的优势，衍生出了先进的射频前端技术，让手机在“高速网络”和“美学设计”之间达成鱼和熊掌兼得的效果。

Trusignal天线增强

TruSignal天线增强分为三个技术部分，分别是主分集天线切换技术、动态天线调谐以及高阶分集接收技术。其中动态天线调谐技术正是依靠骁龙modem与射频前端的配合，数据传输时modem方面会持续对传输通道进行检测，及时调整天线和射频前端功率放大器之间的适配，从而减少传输过程中信号损失，避免掉话和通信速率下降。

主分级天线切换技术会在信号损失临界点交换主副天线的上下行传输，以此确保手机数据传输的顺畅，避免手机轻薄化设计下的“死亡之握”问题。而高阶接受技术则是依靠额外的天线设计保证手机能够感知来自各个方向的细微信号，直接提升信号质量，这其中都离不开射频前端的作用。

值得一提的是，由于Trusignal技术在天线效率方面的提升，对应地也较少了无谓的电量消耗，变相增加了设备续航时间。

包络追踪

包络追踪是指功率放大器(PA)供电的电压是跟着射频信号的包络来调整，通过与modem的协调工作，可以达到最大的省电效果。从高通方面给出的数据来看，相比于提供固定电压的平均功率追踪，包络追踪的能效提升可达到30%。由此带来的省电与低发热直接影响着用户体验，特别是低发热，功率放大器在长时间工作后有着明显的发热迹象，包络追踪技术对其进行了很好的解决。

当然，上述的这些先进技术并不是纸上谈兵，骁龙modem+射频前端的设计已经将这些技术带给众多智能手机，包括三星S8、OPPO R11等，让这些手机不仅拥有绝佳的连接性能，更在设计方面留下了更多可能。可以预见，未来5G时代的到来，伴随着多频段的引入，射频前端的作用将更加显著，而高通系统的方案将为终端设计和消费者体验带来全面革新。

如何设计射频前端才能提高网络效率？

1.从LTE向5G的演进：提升网络效率关键的设备升级注意事项

向LTE-Advanced （LTE-A）和LTE-Advanced Pro （LTE-A Pro）的网络演进，是延长LTE生命周期的重要手段，并且也是确保平滑迈向5G的关键步骤。这些技术不仅使电信运营商能够推出新的高带宽服务，并且使他们能够开启新的业务机会，同时这些升级也将在覆盖范围、小区边缘容量和频谱效率等多个方面大大提升网络性能。

使用这些网络的智能手机将在提高网络效率方面起到决定性作用。为了最大限度地发挥其效力，手机里所搭载的射频前端（RFFE）技术是至关重要的。由此，射频前端架构不仅需要支持4x4 MIMO、封包追踪（ET）和天线谐调，同时还要确保所有这些恰当地集成在一个结构合理的调制解调器-天线的设计中。本文将阐述这些组件在支持移动设备在有效利用这些网络资源方面的重要性。

       

2.定义下一代网络效率的关键参数

LTE网络的演进对于应对新的业务案例以及提高网络速度来说至关重要，同时也提供了适时的网络升级来应对网络容量和覆盖问题。然而，技术供应商也必须寻找提高网络效率的方法，来应对用户市场海量的数据需求和提供更佳用户体验。这方法将主要依赖：网络覆盖、吞吐量、频谱效率、网络容量等关键参数。

MIMO的部署（包括4x4 MIMO和4x接收分集，如2x4 MIMO）可以解决许多这些基础问题，因为它通过使用多个天线为无线链路提供稳健性，并提高频谱效率。与此同时，它还能够实现更高的数据传输速率、更大的覆盖范围以及更高的可靠性。

为了给所有人提供更好的体验，设备中需要许多特定的组件来帮助进行网络演进。撇开不谈调制解调器和电池寿命的影响，这些组件中的大多数都与射频前端相关。随着这些新的先进网络投入使用，射频前端链上的每个元素都需要一定程度的升级，否则将会造成效率低下和用户体验不佳。

天线技术、功率放大器（PA）、滤波器、低噪声放大器（LNA）和封包追踪（ET）的选择，在LTE场景中尤其是LTE-A Pro中变得至关重要，因为移动设备预计将会处理不同传播参数的射频。如果没有仔细设计无线平台来应对这种变化，将会导致整体传输衰减和系统功效低下。

3.射频设计和关键组件集成是充分发挥网络效率的必要条件

为了更好地处理这些LTE升级以及向5G演进所带来的新功能，智能手机设计需要采用一些射频前端机制才能够充分利用实施这些升级后实现的网络效率，也即：封包追踪（ET）、天线谐调、4x4 MIMO射频前端架构。

ET是至关重要的，因为消费者之间的内容共享越来越频密，并且上行速率也呈现提升。降低射频PA的功耗对智能手机OEM厂商来说是一个关键挑战，毕竟这正迅速成为手机功耗的一个主要来源。

与平均功率相比，采用ET可使功率效率提高30%，并且已经成为在先进网络中实现高效使用的智能手机的必备组件。然而，目前ET仅存在于高端智能手机当中，不过，随着要求更高发射功率的上行载波聚合（CA）和高功率用户设备（HPUE）的出现，ET向中低端手机快速渗透的需求正不断增加。ABI Research预期ET将在2018年中期开始大规模涌入中端市场。

这种提供更高功率效率的驱动力，也将见证ET优化的PA（ET-opTImized PA）的到来，这将使收发器、ET和PA之间能够进行更紧密地集成，从而在更高带宽上的系统中实现更高的功率效率。移动设备功率效率的任何提升，不仅有助于电池寿命，从用户的角度来看还将直接影响网络的有效性能。

一台能够以较低的电池电流传输更强信号的移动设备，实际上增加了上行链路受限场景下的室外和室内覆盖范围，例如在小区边缘和室内VoLTE的使用环境。

可谐调天线可以大幅降低智能手机的占用面积，因为它们能够被重新配置来覆盖广泛的频率，并且能动态优化链路，从而最大限度地减少实际使用条件下的发送/接收功率浪费。

目前，智能手机已经搭载了多个天线来支持多模多频，因此增加额外的天线组在工业设计和射频优化都极具挑战性。在智能手机非常有限的环境中，无论是在能源还是整体外形方面，射频前端系统都需要进行精心设计，从而在不影响工业设计完整性和可靠性的前提下，实现设备整体性能的优化以及对干扰的减轻。

通过使用最新的自适应天线谐调技术，手机可以实现发送或接收链路质量的自动最大化。这实质上提高了有效吞吐量，以及单个或多个载波的室外和室内覆盖范围。通过链路上2-6 dB的提高，以及CA链路中的动态信噪比平衡，手机可以在网络上实现更高的性能。为了使手机能够支持不断扩大的频率范围，在保持功率效率的同时，天线可调谐性将成为满足这些持续需求的关键所在。

有效的MIMO技术运用可以通过使用多个收发天线来提高网络中的通信速度，有望在不使用额外发射功率和频谱资源的前提下，显著提高信号可靠性、网络吞吐量、覆盖范围和频谱效率。

由于频谱带宽是一种昂贵且有限的资源，MIMO在推动更有效地使用可用带宽的发展过程中，已经成为一种越来越重要的无线技术。然而，这些改进将带来一定的成本，尤其是在增加智能手机BOM和射频级别复杂性的两个方面，因为将MIMO天线挤入LTE设备仍非易事。

为了使4x4 MIMO和2x4 MIMO实现商业可行，射频前端架构必须在性能、集成度和成本方面不断优化。射频前端将继续作为决定哪种空口技术在不久的将来是否切实可行的一个关键子系统。

如上所述，HPUE是一种技术补充，据悉能够通过提升覆盖来使网络受益，因为它相较于标准用户设备能够多传输3 dB，这相当于将输出功率提升了一倍。此外，由于LTE的吞吐量与发射功率直接相关，所以HPUE的另一个好处是吞吐量的提升。

实施HPUE需要设备硬件上的升级，因此需要能够处理更多电力产生的PA。相对而言，网络仅需要进行软件升级。然而，HPUE最终将会对射频前端产生重大影响，因为链路上的所有元件，从收发器到PA滤波器，都必须在保持现有设备尺寸和功率限制下支持双倍的功率。

4.网络设备人口和技术组合的影响

在更高标准的LTE网络中使用智能手机，用户不仅能够通过更高的数据传输速率获得更好的用户体验，同时这些移动设备也将更加高效，因为它们仅需更少的网络资源便可获得更快的速度。

这就是4x4 MIMO和256 QAM这样的技术意义所在，因为每个LTE传输中可以打包更多比特（信息），也就是说，它们能够以更少量的频谱资源在空中传输更多比特（信息）。例如，高端千兆LTE设备利用网络可以实现每1Hz频谱发送4 bps，而相对低端的LTE设备在它们的分配频谱上的发送量约为3 bps。

这种效率的提升大部分要归功于使用了更多的天线。平均而言，一个LTE Cat6智能手机使用两根天线，而一个千兆LTE设备则能使用三根天线来接收数据。换言之，这就是不存在在Cat6设备中的4x4 MIMO技术为网络效率所能带来的提升。

对移动运营商而言，在网络边缘拥有更多使用更高效（千兆）LTE智能手机的用户，将会带来以下好处：

·无论是否为使用这些类型的手机用户，吞吐速度都将提升。

·千兆LTE设备使用更少的网络资源来获得所需的速度来服务于它们所产生的流量。

·无论是何种类型的设备，整体容量的增加将使网络上所有的智能手机用户受益。

例如，对于类似视频流这样的技术，千兆LTE和LTE Cat6智能手机用户都会获得相似的吞吐质量，但是相同质量的视频，千兆LTE设备仅使用三分之一的频谱资源。在一个不限量数据套餐计划的时代，这对那些渴望升级至千兆LTE的移动运营商来说是有意义的，因为更高的网络效率能够提供更多的流量。

此外，随着手机吞吐速度的提升，将有助于应对“突发”流量，例如在接收Twitter和Facebook的升级时，更高端的手机能够更快地使用服务，并迅速地释放网络资源给其他用户。更高的速度也意味着智能手机正开始在网络上获得与闪存相同的读取速度，这将有助于在访问云服务时提供更好的用户体验。

展望未来，随着市场进一步迈向5G NR，HPUE将会至关重要，尤其是在6GHz以下频段，因为它能够使网络上行覆盖提高30%。虽然ET在降低功耗方面将起到至关重要的作用，但是HPUE也有望带来更长的电池寿命。HPUE的实施看起来与ET密切相关，因此在中低端智能手机中迅速采用ET将会是产生显著影响的一个基本要求。

虽然在智能手机中采用这些技术将会带来网络效率的提升，但是OEM厂商在采用这些技术的过程中仍面临重重挑战，进而导致目前市场上采用这些技术的机型非常鲜有。这情况预计将在未来12个月内发生变化，因为越来越多搭载这些必要技术的智能手机机型将会被推出，从而使它们与先进网络的推出步调一致，因此将会在网络效率和用户体验方面带来显著提升。

无论如何，创新是不会停止的，因为随着行业向5G网络演进，通过使用MIMO将会带来额外的复杂性，对射频前端的需求肯定会进一步扩大。Massive MIMO、波束成型和对额外频段的支持将成为基本要求，从而带来一整套全新挑战。此外，行业所经历的复杂程度将取决于频谱环境，因为5G MIMO实施将取决于频段目标，要么是6GHz以下频段，再或者是毫米波频段。