性能最好的 5G 智能手機(jī)在低于 6GHz 頻段及毫米波范圍內(nèi)使用高通的調(diào)制解調(diào)器到天線解決方案

1   分析

1.1    背景

在新冠肺炎的大背景下，移動(dòng)應(yīng)用使更多在線活動(dòng)得以實(shí)現(xiàn)，特別是居家辦公、必需品訂購、遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)和遠(yuǎn)程醫(yī)療等，對(duì)無線數(shù)據(jù)的需求增長速度甚至超過了預(yù)期：

●   據(jù)威瑞森電信 (Verizon) 報(bào)道，互聯(lián)網(wǎng)的使用已經(jīng)從辦公樓轉(zhuǎn)移到居民區(qū)，同時(shí)引發(fā)無線和有線接入互聯(lián)網(wǎng)的需求激增。

●   愛立信 (Ericsson) 根據(jù)全球用戶調(diào)查指出，新冠肺炎大流行以來，消費(fèi)者智能手機(jī)數(shù)據(jù)使用平均增加了 25%。

●   甚至在新冠肺炎之前，無線運(yùn)營商就注意到無線數(shù)據(jù)的消耗只增不減。  例如，在 2020 年 2 月舉行的第 54 屆超級(jí)碗足球賽上，參與者的數(shù)據(jù)消耗量比去年第 53 屆超級(jí)碗增加了約 10%。

5G 將在提供無線容量方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，全球范圍正在加速采用 5G 技術(shù)。  Strategy Analytics 預(yù)計(jì)，今年將有約 2 億部 5G 智能手機(jī)出貨，明年這個(gè)數(shù)字會(huì)超過 5.5 億，占 2021 年所有智能手機(jī)出貨量的 46%。  盡管新冠肺炎大流行給消費(fèi)者帶來了經(jīng)濟(jì)收入壓力，但上述情況仍在發(fā)生。

目前，中國 5G 智能手機(jī)消費(fèi)約占總產(chǎn)量的 60%，這讓人得以窺見 5G 的未來。  今年，在中國購買的智能手機(jī)中，約 40% 將支持 5G。  在中國出售的 5G 智能手機(jī)中，華為、Vivo、Oppo 和小米占據(jù)了大多數(shù)（約 85% 或更多）。

1.2   5G 益處

隨著無線數(shù)據(jù)需求的爆炸式增長，無線運(yùn)營商將其網(wǎng)絡(luò)升級(jí)到 5G 并提供盡可能最快的 5G 設(shè)備是有其經(jīng)濟(jì)價(jià)值的：

●   5G 網(wǎng)絡(luò)的容量和效率降低了無線運(yùn)營商的每比特成本，提高了定價(jià)靈活性和無限數(shù)據(jù)計(jì)劃的可行性。

●   5G 設(shè)備擁有性能最好的蜂窩無線電芯片組，可盡早充分利用運(yùn)營商在 5G 上的投資來提高投資回報(bào)率。

●   快速 5G 設(shè)備為消費(fèi)者提供最高的下載和上傳速度，以及盡可能最好的連接可靠性和流媒體體驗(yàn)，從而提高客戶滿意度，減少投訴和客戶流失。

●   盡管大多數(shù)消費(fèi)者在選擇智能手機(jī)時(shí)依賴品牌忠誠度、風(fēng)格和功能，但運(yùn)營商提供和推廣具有最佳蜂窩無線電的智能手機(jī)對(duì)消費(fèi)者和自身都有百利而無一害。

不可否認(rèn)，5G 旗艦智能手機(jī)的價(jià)格確實(shí)會(huì)影響消費(fèi)者從 4G LTE 升級(jí)。  在我寫這篇文章時(shí)，我的運(yùn)營商 AT&T 提供的 5G 智能手機(jī)價(jià)格區(qū)間在 600 美元到 1500 美元不等，大多數(shù)都在 900 美元以上。  除了提供靈活的定價(jià)計(jì)劃外，運(yùn)營商還應(yīng)強(qiáng)調(diào) 5G 如何幫助消費(fèi)者在購買智能手機(jī)時(shí)確保其產(chǎn)品不會(huì)過時(shí)，并簡要說明購買一款擁有最佳無線芯片組設(shè)備的好處。

1.3   智能手機(jī)選擇

全球移動(dòng)設(shè)備供應(yīng)商協(xié)會(huì) (GSA) 表示，至少有 95 款支持 5G 的手機(jī)已出貨，并于 2020 年 7 月 8 日上市。  Strategy Analytics 運(yùn)用我們的 SpecTRAX 數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)計(jì)出 185 款出貨上市的型號(hào)變體（圖表 1）。  

我們的統(tǒng)計(jì)包括 射頻前端 (RFFE)  配置略有不同的其他相同型號(hào)。  大多數(shù)這些不同變體都支持地區(qū)和運(yùn)營商特定的頻段要求，同時(shí)仍然提供足夠的頻段允許漫游到其他地區(qū)和國家。  我們的統(tǒng)計(jì)不包括板載內(nèi)存或手機(jī)外殼不同的其他相同變體。

●   射頻前端 包括天線調(diào)諧器、發(fā)射功率放大器、用于信號(hào)路由往返于天線的射頻開關(guān)、特定頻段的射頻濾波器/雙工器/多工器、用于接收的低噪聲放大器和功率放大器管理集成電路（用于封包或平均功率追蹤）。  

●   蜂窩無線電的另一部分， 無線電芯片組 主要由射頻收發(fā)器、基帶（通信）處理器和應(yīng)用處理器組成。

●   射頻收發(fā)器和基帶處理器可被稱為蜂窩調(diào)制解調(diào)器。

●   通常，通信處理器和應(yīng)用處理器會(huì)組合為一體，并稱為“處理器”，而芯片組只是指處理器的名稱或部件號(hào)，這便是蜂窩無線電的核心。  

●   無線電“平臺(tái)”（一些半導(dǎo)體供應(yīng)商用這個(gè)詞）通常用來描述無線電芯片組和任何其他提供的芯片，例如 Wi-Fi 和 GPS 芯片。

圖表 1 中哪款手機(jī)擁有最好的蜂窩無線電和最快速度？

接下來我們將討論這個(gè)問題。

1.4 最快的 5G 智能手機(jī)使用毫米波

如果您想要最快的 5G 智能手機(jī)，請(qǐng)選擇一款具有毫米波 (mmW) 功能的智能手機(jī)。 5G 環(huán)境下的“毫米波”是指高于 24 GHz 的無線電頻率。

圖表 2 Ookla 速度測試結(jié)果：美國 5G 毫米波

Ookla 進(jìn)行的速度測試中，在毫米波下運(yùn)行的 5G 提供的下載速度大約是 4G LTE 的 20 倍。 見圖表 2。

●   如果一款智能手機(jī)支持毫米波頻率，則與在無毫米波覆蓋范圍區(qū)域內(nèi)運(yùn)行 5G 相比，您可以預(yù)期下載數(shù)據(jù)速率約為其 5 倍。 若無法使用毫米波，在可能的情況下，手機(jī)將恢復(fù)為低于 6 GHz 頻段運(yùn)行的 5G。

●   與 4G LTE 典型的 55 Mbps 下載速度相比，低于 6 GHz 頻段的 5G 下載速度是其 4 倍，5G 毫米波下載速度是其 20 倍。 4G LTE 速度估計(jì)來自 Ookla 2020 年第 1 季度報(bào)告。

●   測試中的毫米波網(wǎng)絡(luò)提供了 400 MHz 的帶寬。 部分毫米波網(wǎng)絡(luò)提供 800 MHz 的帶寬，這將使設(shè)備的峰值可用數(shù)據(jù)速率加倍。

●   該圖表基于 Ookla^? 對(duì) Speed Test Intelligence^? 數(shù)據(jù)的分析，比較了頂級(jí)提供商使用 2020 年第 1 季度部署的毫米波的結(jié)果并由高通公布。

截至 2020 年 7 月 31 日，只有高通提供支持毫米波的芯片組和毫米波射頻子系統(tǒng)（毫米波射頻天線封裝 (AIP) 模塊）支持 5G 設(shè)備。 明年，華為、三星和聯(lián)發(fā)科技 (MediaTek) 可能會(huì)推出毫米波蜂窩無線電芯片組和毫米波射頻子系統(tǒng)，但高通在技術(shù)上至少領(lǐng)先市場 18 個(gè)月。

圖表 3 支持毫米波的出貨 5G 智能手機(jī)（2020 年 7 月）

圖表 3 中原始設(shè)備制造商生產(chǎn)的一些毫米波智能手機(jī)版本略有不同，185 款支持 5G 的出貨智能手機(jī)變體中有 23 款支持毫米波（見圖表 4）。 其中所有毫米波手機(jī)都使用高通蜂窩無線電芯片組和高通毫米波射頻組件。

截至 2020 年 7 月，已有 10 個(gè)國家/地區(qū)為 5G 分配了毫米波，將有更多國家/地區(qū)將緊隨其后：

●   這包含的三十五 (35) 家運(yùn)營商在美國、意大利、希臘、芬蘭、愛爾蘭、香港、日本、泰國、俄羅斯和韓國采用毫米波提供 5G服務(wù)。

●   在提供或即將提供具有已發(fā)布的明確定義規(guī)則的毫米波頻譜的 28 個(gè)國家/地區(qū)中，每個(gè)國家/地區(qū)可用的平均毫米波頻譜高達(dá) 2174 MHz。

●   還有 40 多個(gè)國家/地區(qū)或在計(jì)劃拍賣，或在認(rèn)真考慮 5G 毫米波技術(shù)：

●   盧森堡、馬來西亞、斯洛文尼亞和英國計(jì)劃在 2020 年下半年拍賣和分配毫米波給運(yùn)營商。

●   澳大利亞、奧地利、比利時(shí)、巴西、智利、克羅地亞、法國、黑山、波蘭和羅馬尼亞計(jì)劃在 2021 年進(jìn)行拍賣和分配。

受到新冠肺炎的影響，其中許多國家/地區(qū)推遲了原定于 2020 年進(jìn)行的頻譜拍賣。

圖表4 按品牌劃分的 5G 毫米波智能手機(jī)型號(hào)變體

1.5 毫米波的重要性

毫米波將形成 5G 無線接入網(wǎng)的大容量和高速度核心：

●   毫米波能夠提供 5 倍于低于 6 GHz 頻段的峰值數(shù)據(jù)速率，因此它可以在密集的城市中心、繁忙的郊區(qū)購物區(qū)和像體育場館這樣擁擠的開放區(qū)域提供超常的容量。

●   毫米波的射程相對(duì)較短，不能很好地穿透墻壁，但可以從障礙物反彈到障礙物，因此可以利用這一點(diǎn)來減少阻礙。 基于這些原因，人們認(rèn)為它非常適合大型工業(yè)空間、企業(yè)、機(jī)場和交通樞紐的工廠自動(dòng)化，以及私人室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)。

●   毫米波可以讓運(yùn)營商略過最后一英里的光纖部署，實(shí)現(xiàn)高速互聯(lián)網(wǎng)接入，從而更輕松地提供 固定無線服務(wù)：

●   毫米波 5G 允許運(yùn)營商利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資產(chǎn)，在現(xiàn)有覆蓋范圍內(nèi)為城市、郊區(qū)和農(nóng)村地區(qū)的更廣泛客戶群提供多千兆位、低延遲的固定無線服務(wù)。

●   使用毫米波，運(yùn)營商可以用快速經(jīng)濟(jì)的方式將固定無線接入部署到傳統(tǒng)寬帶難以到達(dá)且成本高昂的區(qū)域。

●   據(jù) Ookla 稱，全球有線寬帶下載平均速度為 75 Mbps，隨著新冠肺炎推動(dòng)視頻通話和娛樂需求的上升，許多消費(fèi)者發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有有線寬帶速度不夠快，尤其是在有多個(gè)并發(fā)用戶的家庭中。

毫米波頻譜相對(duì)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。 運(yùn)營商通常能夠以相對(duì)較低的成本獲得毫米波頻譜，每兆赫覆蓋單位人口如圖表 5 所示。   5G 毫米波的經(jīng)濟(jì)性是一個(gè)超出本報(bào)告范圍的復(fù)雜話題，但獲取毫米波頻譜的成本是一個(gè)巨大的優(yōu)勢，尤其是低于 6 GHz 頻段稀缺的情況下。

當(dāng)然，運(yùn)營商運(yùn)營 5G 既需要低于 6 Ghz 的頻段也需要毫米波頻段，以較低頻率、低于 6 GHz 的頻段提供覆蓋范圍。

圖表 5 一些近期拍賣的頻譜估值

已為 5G 定義了超過 51 個(gè)頻段，每個(gè)頻段都是由全球至少一家無線運(yùn)營商所要求的。 這些頻段基于監(jiān)管規(guī)劃，充分考慮可用頻譜和現(xiàn)有無線電用戶，在可能的情況下嘗試重新分配使用不足的頻譜，并盡量減少干擾：

●   毫米波頻段可以支持大量下行鏈路和上行鏈路速度，從運(yùn)營商的角度來看，毫米波在并發(fā)用戶數(shù)量方面擁有巨大容量，能夠改善所有用戶體驗(yàn)。 這些頻段對(duì)于 5G 以下的手機(jī)來說是新頻段。

●   1 GHz 以下的低頻段提供最佳范圍和穿透墻壁能力。 許多國家/地區(qū)的監(jiān)管機(jī)構(gòu)已經(jīng)為 5G 分配了小到 2 x 5 MHz 的低頻段頻譜；最初指定用于 2G、3G 和廣播電視的 100 MHz 帶寬 (BW) 連續(xù)刈幅非常適合 5G，但通常無法用于低頻段。 這意味著，低頻段通常能夠提供可靠的 5G 覆蓋，但如果不增加其他頻段，就無法給用戶帶來良好的寬帶體驗(yàn)。

●   3.5 GHz 頻段對(duì)許多國家/地區(qū)而言都是新頻段，這就需要重新定位衛(wèi)星地面站和軍方等現(xiàn)有頻譜用戶使用的頻率，并在現(xiàn)有頻譜用戶周圍創(chuàng)建頻譜共享規(guī)則和蜂窩網(wǎng)絡(luò)禁區(qū)。 3.5 GHz 頻段實(shí)現(xiàn)了毫米波及低頻段的帶寬和覆蓋優(yōu)勢之間的平衡，并且已經(jīng)成為 5G 中使用最多的頻段。 在美國，用于移動(dòng)通信的 3.5 GHz 頻譜拍賣已經(jīng)開始開始。

圖表 6 顯示了 5G 使用中最受歡迎的一些頻段：

●   在公布的 5G 智能手機(jī)中，約 80% 的頻段是中頻段。

●   大約 5% 是毫米波頻段。

●   越來越多的運(yùn)營商和設(shè)備可以使用 1 GHz 以下的低頻段，其中 700 MHz、800 MHz 和 900 MHz 頻段因其提供的范圍、室內(nèi)穿透力和覆蓋范圍而備受歡迎。 未來 18 個(gè)月內(nèi)，還有 28 個(gè)國家/地區(qū)計(jì)劃為 5G 分配低頻段頻譜，特別是 700 MHz 左右的頻譜。

如果特定的 5G 頻段不可用，則設(shè)備可以切換到其他低、中、高頻段，并且可以使用載波聚合同時(shí)利用頻段組合。 5G 電話和網(wǎng)絡(luò)還利用了多天線 (MIMO) 的優(yōu)勢，與 4G LTE 相比，應(yīng)用更短時(shí)間和高效頻率接入電波，即使在許多用戶的情況下，也能實(shí)現(xiàn)每個(gè)用戶更高的數(shù)據(jù)速率和更好的用戶體驗(yàn)。

圖表 6 定義的 5G 低、中、高頻段

在已公布 5G 設(shè)備中出現(xiàn)的頻段大約占百分比。 在美國，美國聯(lián)邦通信委員會(huì) (FCC) 已經(jīng)將中頻段擴(kuò)展到 7.125 GHz，但與 5.9 GHz 以上的 Wi-Fi 6E 共享。