5G手机要来了!谁是下一个诺基亚?

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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。

“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。

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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。 

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随后,“战斗机”在“山寨机”的浪潮中被淹没。

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… 

5G手机要来了!谁是下一个诺基亚?

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***5CC载波聚合(LTE***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,***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***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***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手机要来了!谁是下一个诺基亚?
▲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)
5G手机要来了!谁是下一个诺基亚?
▲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: 

5G手机要来了!谁是下一个诺基亚?

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。 

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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。

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***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?

责任编辑:未丽燕 来源: 网优雇佣军
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