5nm數據機以頻譜聚合推進全球5G部署

作者 : 邵樂峰, EE Times China

高通支援頻譜聚合的第三代Snapdragon X60 5G數據機RF系統,讓營運商利用片段頻譜資源提升5G性能與傳輸速率...

高通(Qualcomm)宣佈推出第三代5G數據機到天線解決方案——驍龍(Snapdragon) X60 5G數據機射頻(RF)系統。Snapdragon X60採用全球首個5奈米(nm) 5G基頻晶片,同時是全球第一個支援頻譜聚合的5G數據機RF系統,涵蓋使用分頻多工(FDD)與分時多工(TDD)的毫米波(mmWave)和Sub-6GHz頻段,為營運商利用片段頻譜資源提升5G性能提供絕佳靈活度。

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首款以5nm打造的5G數據機-RF系統(來源:Qualcomm)

第三代5G毫米波解決方案

在X60之前,高通先後推出了第一代/第二代5G數據機RF系統SnapdragonX50/X55。2017年推出的X50採用10nm製程,支援Sub-6GHz及毫米波、非獨立組網(NSA)、TDD和多SIM卡;而X55採用7nm製程製造,支援5G PowerSave、Smart Transmit、寬頻封包追蹤以及Signal Boost等先進技術,提供高達7.5Gbp的峰值速率。

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5G數據機-RF系統持續擴展(來源:Qualcomm)

在X50和X55的基礎之上,Snapdragon X60成為首款支持毫米波~Sub-6GHz頻譜聚合的5G數據機RF系統,可協助營運商盡可能利用頻譜資源,以提升網路容量與覆蓋範圍。

除了支援5G FDD-FDD和TDD-TDD載波聚合(CA)以及動態頻譜共用(DSS),Snapdragon X60還包含首款Sub-6GHz頻段5G FDD-TDD載波聚合解決方案,從而為營運商提供包括重新規劃LTE頻譜的廣泛5G部署選項和能力,協助營運商有效提高平均網路速率,加速5G擴展。

X60能夠實現最高達7.5Gbps的下載速度和最高達3Gbps的上傳速度。與不支援載波聚合的解決方案相比,獨立組網(SA)模式下的Sub-6GHz頻段載波聚合能夠實現5G SA峰值速率翻倍。

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為營運商提供5G部署的靈活性與性能(來源:Qualcomm)

針對載波聚合的概念,高通產品市場資深總監沈磊介紹,如果能夠把5G頻譜中Sub-6GHz以及毫米波的不同頻段有機地組合在一起,將會帶來諸多優勢。第一,由於每個國家和地區的頻譜和頻段劃分不一致,全球頻譜和頻段極其複雜,只有載波聚合能將Sub-6GHz和毫米波各有特性的離散頻譜聚合在一起,提供更好的用戶體驗、識別率、覆蓋率和網路容量。

其次,毫米波和Sub-6GHz頻段隨著頻譜的升高或降低,頻寬、速率、覆蓋性都會發生變化,載波聚合可以根據實際可用的頻譜靈活地為網路特性最佳化。例如毫米波的1個載波大概是100MHz,在毫米波內部進行載波聚合可以做到4個/8個載波的聚合甚至更高;Sub-6GHz頻段TDD的1個載波是100MHz,FDD的1個載波是20MHz或更高,可以使用1個/2個載波,隨著時間的演進今後將支援更多的聚合。此外,如果能夠支援FDD內部的載波聚合,就可以在Sub-6GHzTDD和FDD之間進行載波聚合,並支援Sub-6GHz和毫米波聚合。

在沈磊看來,雖然不同國家的5G演進路徑不太一樣,但是未來5G網路的架構將呈現較統一的情況,就是藉由高頻段毫米波支援重點地區的高速率傳輸,利用5G中低頻段、尤其是低頻段和FDD頻段進行全國範圍的覆蓋。由於5G網路對低、中、高頻段分層支持,所以毫米波和Sub-6GHz的TDD、FDD處於共存狀態,很多國家和地區的頻譜實際上要透過拍賣或授權才能獲得,有些則需要時間從2G、3G、4G重新把頻譜釋放到5G,所以在一個相對較長的時間裡,5G的這些頻譜資源並不是很優質,也並沒有很寬鬆的頻譜,所以在這個過程當中,透過Sub-6GHz、毫米波的各種載波聚合組合,有助於完善使用者體驗。

值得一提的是,Snapdragon X60支援5G新空中介面承載語音(Voice-over-NR;VoNR)功能,加速網路轉移至5G SA模式。手機不僅要傳輸資料,也要能接聽電話、撥打電話,目前全球所有5G手機的語音通話功能都是依靠4G VoLTE。隨著5G部署擴展和技術成熟,從2020年開始,5G網路架構將從NSA向SA演進。SA部署完成後,整個網路中各網路單元基本上都支援5G,沒有網路結構可以支撐4G業務,所以必須採用5G才能實現語音通話,支援VoNR就成了5G手機必備特性。

用於搭配Snapdragon X60的是QTM535毫米波天線模組。在此之前,上一代毫米波模組QTM525已經整合了毫米波RF鏈路上的所有元件,包括收發器、RF前端一直到天線陣列,只需要2-4個這樣的模組,就可以輕鬆打造一部厚度僅8毫米的5G毫米波商用手機。

Qualcomm計畫於2020年第一季送樣Snapdragon X60和QTM535,採用全新數據機RF系統的商用旗艦級智慧型手機預計於2021年初推出。

5G部署方興未艾

沈磊表示,2020年初全球5G發展態勢強勁,有45+營運商部署了5G網路,40+終端廠商宣佈發佈5G終端,超過115個國家的340多家營運商針對5G進行了投資。相較於10年前4G剛開始部署的情況有著巨大的差別:2011年左右,首個4G網路開始部署。在4G部署的第一年中,全球只有4家營運商、3家終端廠商推出了相關的商用產品及服務,因此5G的部署和發展速度要遠遠超過4G。

從頻譜角度來看,5G主要支援兩大頻譜部署範圍,一是Sub-6GHz頻段,頻率範圍大約是600MHz到6GHz範圍;另一個是毫米波頻段,頻率覆蓋範圍落在26GHz-39GHz甚至更高。整體而言,頻譜越高,頻寬越寬,頻譜資源越多,所能承載的資料量也就越大,這是高頻譜優勢。但是,隨著頻譜增加,其傳輸性能及覆蓋能力會有所下降;相反地,頻譜越低,頻寬降低,數據率也有所降低,但其傳輸速度和覆蓋能力將有所提升。因此,高低頻譜各有優劣。

目前Sub-6GHz頻段範圍內頻譜的多工方式主要分為兩種:FDD和TDD。FDD指的是手機訊號的收發透過兩個子頻段完成。由於兩個頻段是錯開的,因此可以同時接收和發射訊號;TDD指的是手機訊號的收發透過一個頻段完成,因此訊號的接收和發射不能同時進行,收發時間相互錯開。

FDD和TDD使用情況不同緣於各個國家和地區的歷史背景和頻段部署狀況各異。總體而言,Sub-6GHz頻段範圍內的頻段越低,FDD的頻段越多,例如Sub-6GHz頻率範圍內的600MHz、700MHz、1.8GHz等低頻段,大部分都是FDD;而Sub-6GHz頻率範圍內的2.6GHz、3.5GHz、4.9GHz等高頻段較多屬於TDD。

從TDD和FDD的部署時間來看,TDD是優先部署的,因為TDD頻段基本上已經就緒,而FDD大部分頻段已被現有的4G佔用,4G向5G頻段的釋放和重耕的過程需要時間,因此TDD的部署時間相對較早些,FDD的相關部署後續出現。上述都是在Sub-6GHz頻率範圍內的頻譜多工方式,如果在毫米波頻率範圍內則基本上就都是TDD。

另外一個概念在2019年討論得比較多,即NSA和SA模式的組網概念。4G和5G部署的初期,網路的核心採取同一架構,既包含無線接取網路(Radio Access Network;RAN),也包含核心網路(Core Network)。5G部署初期,我們把RAN部分換成5G設備,核心網路仍使用4G,這種組網方式即NSA,在NSA模式中仍需要依靠一定的4G核心網路能力。隨著5G技術成熟,核心網路將從4升級成5G,即核心網路和RAN都採用5G組網方式,稱為SA,在SA模式中5G可以獨立工作。從部署的時間來看,整體趨勢是先啟動NSA,隨著5G核心網路的成熟,將開始部署SA。

從下圖可以看到,截至2020年初,5G的部署均圍繞著Sub-6GHz頻段的NSA模式,包括美國、中國、歐洲、韓國和澳洲均已部署這一模式;同時,美國也開始部署毫米波。從長遠來看,沈磊解釋,毫米波和Sub-6GHz的部署是殊途同歸的,很可能經過一段時間的發展後,大部分的國家和地區會同時部署Sub-6GHz和毫米波頻段。毫米波的優勢在於資料率非常高,可以對一些熱點地區做重點覆蓋,而Sub-6GHz頻段覆蓋性較佳,可為更大範圍內(如全國範圍)實現大面積覆蓋。

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全球5G部署規劃展望(來源:Qualcomm)

頻段的使用需要國家來劃分,頻段就緒也需要一定的時間,所以在5G部署初期不同國家頻譜的使用不同,毫米波和Sub-6GHz頻段部署的時間也不同,例如目前美國已經率先部署毫米波。2020年還會有更多的5G頻譜組合和技術將在全球範圍內部署,NSA Sub-6GHz TDD會在包括日本、拉丁美洲、東南亞等地區部署,毫米波也會在歐洲一些國家(俄羅斯、義大利的一部分)以及日本和韓國部署。由於Sub-6GHz FDD頻段目前大部分被4G佔用,2020年之後將逐步釋放並部署5G,所以在2020年大部分國家都將試行FDD與部署。

在Sub-6GHz FDD、TDD頻譜都得以部署後,為了追求更好的性能與體驗,各個國家和地區還會開始在Sub-6GHz內部進行TDD+TDD、FDD+FDD、TDD+FDD等各種載波聚合部署。

此外,在2020年,包括中國、日本、美國、韓國等國家將進行SA的初期商業部署,預計到2021年及其後,其他的技術也都會進行部署。這兩年或更長的一段時間後,基本上不同的頻譜組網方式、多工方式將在全球實現較大的部署。2021年,其他一些國家也會開始測試與部署毫米波,SA模式也將在全球逐漸完成部署,成為較為主流的組網模式。Sub-6GHz和毫米波的聚合,將在更多同時擁有這兩個頻段範圍的國家進行部署。

支援超過1萬個頻段組合

5G帶來巨大的RF複雜性,5G發展初期即有超過10,000個頻段組合,而像手機、CPE、模組、連網PC等終端側如何因應大量頻段組合的複雜性,成為關鍵而又必須解決的難題,但如果能順利解決將成為重要的競爭優勢。

例如,與X60同步推出的全新ultraSAW濾波器技術,能夠讓插入損耗提升1分貝(dB),在2.7GHz以下頻段範圍提供較體聲波(BAW)濾波器更高性能的競爭優勢。

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眾所周知,RF濾波器是將手機發射和接收的無線電訊號從不同頻段中分離出來的元件,提升RF性能讓OEM為消費者帶來具有出色連線性能和持久續航的5G終端。相較於具有相似性能指標的其它解決方案,高通認為其ultraSAW技術可在600MHz至2.7GHz頻率範圍內提供高性能支援,並具備出色的發射、接收和交叉隔離能力、高頻率選擇性、品質因數高達5000、低插入損耗、出色的溫度穩定性,以及個位數ppm/開爾文範圍的極低溫度漂移等優勢,可支援OEM在5G和4G多模行動終端中以更低成本實現更高能效的RF路徑。

ultraSAW對於進一步提升高通先進的RFFE產品組合和Snapdragon 5G數據機RF系統性能至關重要。沈磊稱,高通正在多條產品線中整合ultraSAW技術,包括功率放大器模組(PAMiD)、前端模組(FEMiD)、分集模組(DRx)、Wi-Fi分離器、GNSS分離器和RF多工器等,採用該技術的一系列離散式和整合產品於2020年第一季量產,商用旗艦終端預計於2020年下半年推出。

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