儘管與博通(Broadcom)的博弈還在持續進行中,但這絲毫難掩高通(Qualcomm)對即將到來5G時代的渴望。高通執行長Steve Mollenkopf就曾表示,「5G將在2035年產出價值高達12兆美元的產品和服務,創造2,200萬個工作崗位,其對世界經濟的影響將類似於電力或汽車的出現。」

作為5G基礎技術的重要貢獻者,高通無論在5G還是物聯網(IoT)領域,都有著深厚的積累。而一年一度的世界行動大會(MWC),則當仁不讓的成為集中釋放技術利多消息的絕佳平台。

5G進入商用衝刺倒計時

3GPP 5G標準化進程開啟於2015年。伴隨著技術的不斷發展,經過各方的溝通、探討與合作,2017年12月21日,首個可實施的非獨立(Non-Standalone,NSA)5G新空中介面(5G NR)規範在葡萄牙里斯本舉行的3GPP TSG RAN全體會議上成功完成,包括高通在內的30家參與標準制定的產業鏈上下游企業一致認為,首個5G新空中介面標準的完成將為全球行動產業開啟5G新空中介面的全面發展,為在2019年儘早實現5G新空中介面大規模試驗和商用部署奠定了基礎。

此次標準的完成被視作是支持5G新空中介面高效、全面發展的重要里程碑,極大增強了3GPP系統的能力,有助於創造更多進入垂直市場的機會。由於5G新空中介面底層規範旨在同時支援獨立(SA)和非獨立5G新空中介面,因此,3GPP決定在該基礎上繼續制定Release 15,包括增加對獨立5G新空中介面的支持,以確保讓全球產業受益於大規模單一5G新空中介面生態系統。

這意味著,從2018年開始,5G已進入商用衝刺倒數計時。

首個真實5G網路類比,展示5G巨大潛力

理論上,5G的網路容量將是現有4G網路的1,000倍,5G速率可以達到10Gbit/s,但5G在真實的網路上性能究竟如何一直沒有清晰的定義。為了展現未來5G用戶的體驗,高通在過去數月中進行了業界首個詳細的5G新空中介面網路與終端類比實驗,可為運行於非獨立多模4G/5G新空中介面網路的5G,以及千兆級LTE終端的預期真實性能與用戶體驗提供定量洞察,從而展示5G的巨大潛力。

高通開展的第一項實驗模擬在德國法蘭克福的一個NSA 5G新空中介面網路,在頻寬為100MHz的3.5GHz頻譜上運行,底層千兆級LTE網路跨5個LTE頻段運行;第二項實驗模擬在加利福尼亞州舊金山的一個假定NSA 5G新空中介面網路,在頻寬為800MHz的28GHz毫米波頻譜上運行,底層千兆級LTE網路跨4個 LTE許可頻段及多個許可輔助接入(LAA)頻段運行。實驗顯示,對於單純的LTE網路來說,實現向5G新空中介面網路的遷移後,下行鏈路容量可提升高達5倍。此項實驗還在3.5GHz頻譜上實現了高達4倍的頻譜效率均值提升,為大規模MIMO技術所能帶來的性能增益提供了令人信服的證據。

5G新空中介面,下一階段走向何方?

2017年底,高通與中興通訊(中頻段)和愛立信(毫米波頻譜)合作完成了5G新空中介面系統互通測試,其中與中興的合作則是業界創舉。在上月初,高通又與華為、諾基亞分別成功完成了5G新空中介面系統互通測試,從而為2018年開始的無線路測和2019年開始的增強型移動寬頻(eMBB)商用網路的上市清除了障礙。

高通市場行銷總監 Peter Carson說,「高通在5G技術上的領導力也反映在我們與生態系統合作夥伴的合作上。」目前全球18家運營商和20家領先的終端製造商已選擇採用高通Snapdragon X50 5G數據機用於首批5G網路試驗和消費終端,業界已準備就緒,將在2019年上半年為用戶提供這些令人驚歎的5G用戶體驗。

「養兵千日,用兵一時」。今年稍晚,美國、中國、歐洲和亞洲的全球領先行動網路運營商——AT&T、英國電信、中國電信、中國移動、中國聯通、德國電信、KDDI、韓國電信公司、LG Uplus、NTT DOCOMO、Orange、新加坡電信、SK電訊、Sprint、Telstra、TIM、Verizon和Vodafone就將開展基於3GPP Release 15 5G新空中介面標準的試驗,他們用來測試並確認這些新興網路性能的關鍵設備就是驍龍X50 5G數據機,以確保消費者在2019年可以使用5G。

消費者手中能否會有5G行動設備來使用這些網路?20個主要的OEM廠商都給出了「是」的答案,包括華碩、富士通、富士通連接技術(Fujitsu Connected Technologies Limited)、HMD Global(生產諾基亞手機的公司)、HTC、Inseego/Novatel Wireless、LG、NetComm Wireless、NETGEAR、OPPO、夏普、Sierra Wireless、Sony Mobile、Telit、vivo、聞泰科技、啟碁科技(WNC)、小米和中興通訊等公司均宣佈採用驍龍X50 5G新空中介面數據機系列,自2019年開始實現支持6GHz以下和毫米波頻譜頻段的5G移動終端的商用。

與此同時,基於Release 15基礎,高通方面認為下一階段的5G新空中介面重點將轉移到增強型移動寬頻以外的用例。為此,在剛落幕的MWC 2018上,高通重點展示了三個5G新空中介面擴展領域,分別是:

5G新空中介面頻譜共用。5G頻譜共用技術有望在免許可及共用頻譜中提升移動寬頻性能,並有望發揮重要作用將5G拓展至如面向工業物聯網的私有網路這類的新型部署。該演示展示了依賴於空間域多工(SDM)和協作多點(CoMP)概念的先進空間域頻譜共用技術。通過在免許可與共用頻段上實現更緊密的用戶協調,該技術可提升網路容量和使用者輸送量。

業界首個5G新空中介面無線PROFINET工業乙太網。針對工業物聯網的私有5G網路是3GPP 5G新空中介面下一階段的重點關注領域。在無線網路上運行工業乙太網的能力可推動工廠重新配置以提高生產力和靈活性,而這正是工業4.0的關鍵概念。該演示預展了支援亞毫秒級延遲的5G新空中介面超可靠低延遲通訊(URLLC)全新用例,包括在要求嚴格的工廠自動化應用中進行精確指揮和控制的能力。

基於5G新空中介面的蜂巢V2X技術。C-V2X在實現自動駕駛中發揮著重要作用,可幫助汽車交流其意圖,從而支援先進路徑規劃所需的高預測能力。基於5G新空中介面的C-V2X技術通過補充型功能增強現有的C-V2X技術,支援高輸送量和URLLC功能的同時與舊版相容,以支援先進的自動駕駛汽車使用案例,包括高輸送量感測器、意圖分享和3D高解析地圖更新。

意義非凡的5G模組與X24數據機

除了進行5G網路容量類比實驗外,高通還於MWC 2018期間發佈了高通Snapdragon 5G模組解決方案,透過將最基本的5G元件整合進簡單模組,簡化終端設備設計、降低擁有權總成本並支持更快商用時間,幫助那些希望以便捷的方式充分利用5G技術的原始設備製造商,支援他們在智慧手機和主要垂直產業中快速商用5G。

高通的全新5G模組解決方案在幾個模組產品中整合了1,000多個元件,涵蓋數位、射頻、連接和前端功能的元件。其中關鍵元件包括應用處理器、基頻數據機、記憶體、PMIC、射頻前端(RFFE)、天線和被動元件,OEM僅利用組合幾個簡單模組就可進行設計,避免採用1,000多個元件打造其終端的複雜性。這意味著高通成為首家提供劃時代的、整體交鑰匙型商用5G模組解決方案的公司。

從目前正在使用的4G網路來看,4G LTE將繼續保持演進態勢,其中千兆級LTE將是5G行動體驗必不可少的一個重要支柱,特別是在5G網路發展初期覆蓋不全面的時候,更需要千兆級網路提供充分的支援,才能確保使用者統一的高速網路體驗。資料顯示,截止2017年11月,全球已有25個國家的43家運營商正在測試或規劃部署千兆級LTE網路,為5G鋪展道路。

繼X16和X20千兆級LTE數據機之後,高通在MWC2018上展示了第三代千兆LTE數據機——Snapdragon X24,這也是全球首款商用發佈的7奈米(nm)晶片組,並與愛立信、NETGEAR和Telstra共同進行現場展示。

作為全球首款商用發佈的、支持高達2Gbps下載速度的Category20 LTE數據機,驍龍X24提供了2倍於第一代千兆級LTE數據機的速度。而在上行鏈路方面,Snapdragon X24可支援Category 20上傳速度、3×20 MHz載波聚合和高達256-QAM的調製方式。此外,Snapdragon X24還實現了兩個行動產業界首創——最高可支援下行鏈路七載波聚合(7Xca),並在最多5路聚合的LTE載波上支持4x4 MIMO,從而使其能夠同時支援最多達20路的LTE空間資料流程。

極致下載速度並非X24的全部意義所在。由於能夠同時支持許可頻譜、許可輔助接入(LAA)和全維度多輸入多輸出(FD-MIMO),X24的真正意義在於能夠幫助行動運營商充分調動其頻譜資源,提高其千兆級LTE網路的容量。同時將千兆級LTE的各項功能擴展為多模式5G設備和網路的基礎。

射頻前端:手機中的無名英雄

過去的十年間,手機產業經歷了從2G/2.5G到3G,再到4G兩次重大產業升級。在4G普及過程中,「五模十三頻」、「五模十七頻」等概念成為手機廠商重要的宣傳熱點。它不但體現了智慧手機相容不同通訊制式的能力,也是手機通訊性能的核心競爭力指標。這其中,射頻前端模組(RFFEM)作為核心元件,扮演著極為重要的幕後英雄角色。

射頻前端模組主要包括功率放大器(PA)、天線開關(Switch)、濾波器(Filter)、雙工器(Duplexer和Diplexer)和低雜訊放大器(LNA)等。讓我們用一種更為直接的敘述,來說明市場對射頻前端模組的巨大需求。2015年,一款頂級智慧手機中大概需要50個濾波器,用以支持15個頻段;而到2020年,一款頂級智慧手機中將包含約100個濾波器,以支持30~40個頻段。根據Mobile Expert的預測,2015~2020年,全球用於行動通訊終端的射頻前端市場年複合成長率(CAGR)將達13%,到2020年,市場規模可達180億美元。

正是提前預判到了這一趨勢,2016年1月,高通宣佈與TDK成立RF360控股新加坡有限公司(RF360控股公司)。新公司將擁有包括表面聲波(SAW)、溫度補償表面聲波(TC-SAW)和體聲波(BAW)在內的一系列全面的濾波器和濾波技術。此外,RF360控股公司還將提供包括CMOS、SOI與GaAs功率放大器、廣泛的開關產品組合、天線調諧、低雜訊放大器(LNA),以及業界領先的包絡追蹤(Envelope Tracking)解決方案。

之所以選擇與TDK進行合作,高通方面此前曾表示,一是看中了TDK所擁有的全線濾波器和功率放大器產品。另一方面,隨著射頻前端解決方案的複雜度越來越高,封裝技術的重要性越發被工業界認可。

以手機射頻前端為例,隨著整體架構複雜度不斷上升,為滿足小型化的要求,需要將功率放大器、濾波器和Switch開關電路整合為一顆晶片。然而,它們各自通常採用不同工藝製造,多種工藝技術的應用使得它們的整合嚴重依賴以SiP模組(PAMiD)為代表的先進封裝技術,而TDK在該領域具有極強的競爭優勢。目前,PAMiD已經整合了天線開關、功率放大器、多工器與濾波器,而最新的趨勢是再將低噪放大器也整合進去。

在RF360控股公司成立後的數個月內,高通就在全球領先的智慧手機關鍵設計領域中取得了一系列重大成就。除了包絡線跟蹤和天線調諧等傳統強項外,高通還為LG V30、Sony Xperia XZ Premium等高階智慧手機提供了PAMiD模組(功率放大器模組,包括雙工器);三星Galaxy S8等設備則採用了包絡跟蹤器、阻抗調諧器、分集接收模組、孔徑調諧器、低雜訊放大器、提取器和BAW濾波器;一些中端智慧手機則採用了FEMiD模組(包括雙工器的前端模組)。

而在今年1月舉辦的 2018 高通中國技術與合作峰會上,聯想、OPPO、vivo 和小米分別與高通簽署射頻前端解決方案跨年度採購諒解備忘錄,四家公司表示有意向在3年內向高通採購價值總計不低於20億美元的射頻前端元件。

隨著智慧手機達到千兆級LTE速率,手機中蜂巢頻段的數量也在迅速增加以提供支援。為了在廣泛的頻率頻段上支援載波聚合、同時管理干擾問題並提供卓越的無線電性能,先進的濾波技術是必需的。在今年的MWC 2018上,RF360控股公司就宣佈推出全新的六工器解決方案。該方案可整合在包括雙工器模組在內的功率放大器模組(PAMiD)中,並為下一代PAMiD模組提供關鍵的聲學構建模組。基於BAW和SAW的六工器是前代四工器的升級,通過在千兆級LTE和未來的5G多模終端中支援面向載波聚合的、極具競爭力的射頻性能,它們將成為設計具備輕薄外形的單天線終端的關鍵。

5G技術擁有更高的設計複雜度,因此要求數據機、收發器、RFFE、天線和網路之間的結合更緊密。顯然,僅僅光靠功率放大器或濾波器來構建5G解決方案無異於杯水車薪,設備製造商真正需要的,是包含從「數據機到天線」系統解決方案所需的全部軟、硬體產品。

擁有自己的數據機,這是高通與協力廠商射頻元件廠商相比所擁有的非常重要的差異化優勢。在此前的採訪中,高通方面認為,「協力廠商僅僅擁有一個或幾個簡單的射頻元件,只能獨立地工作實現一些硬體上的功能。但有些技術,比如包絡追蹤、TruSignal天線訊號增強等,必須要與高通的數據機平台緊密配合才能實現最好的性能。」

也就是說,當高通的數據機與這些元件一起配合,以實現一個自我調整的調諧系統時,它能夠展現最佳化不同場景下的天線性能。這並不是一個簡單的切換頻率,在不同頻段下進行調諧的處理,而是要能夠識別不同的場景,並在不同的場景下去最佳化天線性能。要做到這一點,這些技術就必須和數據機配合,否則無法實現。

作為半導體產業首家能夠為頂級智慧手機帶來一套完整的從數據機到天線埠解決方案的公司,高通的解決方案由一套射頻前端組件構成,包括含雙工器的功率放大器模組、QET4100包絡追蹤器、先進天線調諧,以及QDM3620、QDM3630、QDM3640分集接收模組。在今年的MWC 2018上,Sony Mobile和華碩就分別宣佈將在全新Xperia XZ2智慧手機和始終連接的PC中首次完整採用高通射頻前端所有套件,以及整合X20千兆級LTE數據機的高通Snapdragon 845行動平台。