酷派 5G手提式有线电电话机亮相:为什么首先瞄准NSA发力?

  • vivo开发团队于2018年11月26日,公开基于真实5G手机环境与设计(而非工程样板)成功连通的5G毫米波无线通信

  • vivo
    5G毫米波手机依托于旗舰机型NEX,以满足市场与用户对视觉和无线需求与体验的极致追求

  • vivo还将于近期展出外观更为精致的5G手机与业界分享,同时将继续推进研究进程,旨在为行业发展做出更多贡献、为用户提供更多服务

原标题:vivo 5G手机亮相:为何首先瞄准NSA发力?

1 5G发展概述

毫米波因其高的工作频率,而造成较大的有效带宽,可大幅提高通信的资料传输速率,以使用户能有更快速﹅更高量,与更即时的无线体验,故毫米波技术是5G(第五代移动通信)极为重要的核心技术之一,且尤其适用于热点高容量(hot
spot)的场景,如:办公室﹅购物商城﹅娱乐中心﹅体育馆等人潮密集的场合。

从2001年TDS(Rel-4)标准冻结,到第一款0.13um基带芯片推出历经4.5年时间,3.25年后TDS发牌,共计历经7.75年;从2009年TDL(Rel-8)标准冻结,到TDL开启商用历经5年时间;从2018年6月5G
Rel-15冻结到2020年全球商用,5G需要至少在2.5年时间内完成标准到商用的推动。

如今,4G移动通信已在世界范围内大规模商用,我们已经感受到信息时代带给我们的非凡体验,以大信息量为基础的虚拟现实、全息图像等新型业务对移动通信技术的要求不断提高,一些更大胆的想法,如超密集型物联网、车联网,需要更高效的通信技术支持,5G移动通信技术呼之欲出。

vivo首席天线专家黄奂衢博士公开演讲时表示:“5G是一个新的无线通信世代,新的无线通信世代对无线性能有着新的需求,而天线又是扮演着无线接收链路的第一棒,也同时肩负着无线接收链路的最后一棒,故天线性能对于整体系统的无线性能,至关重要。而5G的通信频段基本可分为sub-6
GHz与毫米波两大区块,此两区块的电磁特性有明显差异,故对相应的天线设计与性能指标也截然不同。在5G
sub-6
GHz频段的手机天线设计,主要的设计需求来自是量(quantity)的增长,如通信频段数目上量的增长,与天线数目上量的增长,其本质是现今天线设计在战术上进一步的细化与优化,故可视为是现今天线的演进,即evolution;然而,毫米波天线设计因为是采用阵列设计,而非单立(stand-alone)天线设计,以补偿毫米波所致的高路损,且是可做波束成形(beamforming)的天线阵列,以达较宽广的空间覆盖,故其设计本质相较于现今手机天线设计是战略上质的跳跃,故可视为是revolution。”

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鉴于4G的LTE技术已经成为移动通信的主流技术,因此5G移动通信系统的首要发展方式就是在这个技术基础上兼容构建。相比于4G,5G将具有更显著的频谱利用率,更高数量级的传输速率,更高的无线覆盖性能、系统安全和用户体验。

如果以2020年全球5G商用时间节点倒推,留给5G终端产业链的时间并不多,商用终端首先支持NSA才是最为现实的举措。

5G移动通信的关键技术主要体现在无线传输技术和网络技术两方面,前者主要包括大规模天线阵列、超密集组网、新型多址和全频谱接入等技术,后者主要有自组织网络、软定义网络和网络功能虚拟化等[1]。本文主要论述毫米波通信技术和大规模天线技术。

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近日,
vivo基于NEX平台初步完成了面向商用的5G智能手机软硬件开发,包括架构规划、主板堆叠、射频和天线设计以及优化电池空间等方面的工作,并且在尺寸和外观上达到了可商用级别。vivo的这一版本5G终端支持NSA模式下的LTE和NR双连接。接下来,vivo
5G手机即将进入和网络设备联调测试工作阶段。

2 毫米波通信技术

vivo 5G手机毫米波信号连通仪表显示图。

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2.1 毫米波特性

vivo开发团队于(2018年)11月26日公开基于真实5G手机环境与设计(而非工程样板)成功连通的5G毫米波无线通信,正式宣告vivo为5G手机产业再一次扎实的助力与率先的拉抬。vivo此5G毫米波手机依托其今年红火的旗舰机NEX为主架构,以金属框的外观设计,搭配无刘海的全面屏﹅伸缩摄像头,及屏下指纹辨识,而同时设计了2G,3G,4G(4
x 4 MIMO),5G sub-6 GHz(4 x 4
MIMO),双频5G毫米波(两组),双频GNSS,及双频WiFi
MIMO等多种天线,以满足市场与用户越来越丰富及越来越严格的视觉和无线需求与体验。

vivo是国内最早开始5G研发的手机企业之一。2016年,vivo在北京成立了5G研发中心,参与5G核心技术标准的研究,在
3GPP标准化组织的RAN1(物理层), RAN2(高层),
RAN4(射频),SA2(核心网),
CT1(非接入层)小组均贡献了大量技术输入;2017年,vivo已经成为了3GPP技术贡献最大的手机企业之一;2017年,vivo启动了5G天线和射频关键技术的预研。

毫米波通信属于微波通信,频率范围为30GHz-300GHz,波长范围为1mm
-10mm。相比于4G的分米波波段,其频率更高,波长更短,但其散射与绕射能力较差,因此毫米波通信更接近光通信,主要依赖直视路径进行传输,而且毫米波波束窄,具有良好的方向性,但遇到阻挡就会被反射或被阻断。

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在5G手机产品化方面,vivo也与电信运营商以及芯片方案厂商紧密合作,共同推进5G原型机、商用手机的研发进程。

2.2 通信频段选择

vivo 5G毫米波手机连通架设图。

vivo公司创始人兼CEO沈炜认为,5G和人工智能技术的结合,将会使得智能手机演进到智慧手机的新阶段。2017年12月,沈炜在国际手机产业领袖峰会上曾经透露,vivo将会在2018年推出5G手机,并参与运营商的5G网络测试;2019年,vivo将会推出5G预商用手机;2020年,配合中国5G网络的规模商用,vivo也将正式推出5G商用手机。

大气中的云、雾、雨等小水滴会对电波进行热吸收,水分子、氧分子会对电波进行谐振吸收,当波长短于3cm,大气层对电波的衰减将趋于严重[2]。试验结果显示,因氧气分子作用,60
GHz和119 GHz两个频段衰减明显,因水蒸气作用,183
GHz频段衰减明显,因此这3个频段被称为3个衰减窗口。于此相对应,毫米波频段还有4个被大气衰减相对较小的透明窗口,其中心频率分别为35GHz、94GHz、140GHz和220
GHz,在5G通信中会优先考虑这几个频段。图1展示了3个衰减窗口和4个透明窗口。

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此外,黄奂衢博士也提到:“vivo不久后尚有外观更为极致的5G手机和大家分享,而vivo对5G相关的技术预研﹅专利申请,与对3GPP的提案,持续进行了相当的积累并交付了显著的成果,期待能为5G产业及用户做出多维度突出与关键的服务和贡献。”

手机依然是终端形态规模最大的产业,中国一年销售5亿部手机,整个产业规模的带动依然需要手机,PC和平板也是5G终端非常重要的品类,此外,在5G消费级市场,由于高带宽和低时延的应用,AR和VR也将有一定的市场空间。

图1 毫米波在大气中的衰减曲线

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相关运营商人士指出,5G终端对射频、功耗的挑战非常大。由于考虑上行流量的增长需求,需5G终端支持上行256QAM,带来基带功耗、锁相环功率放大器的EVM噪声、收发机线性度等新挑战。

我国在2017年7月召开的APG会议期间,阐述了优先研究24.75GHz-27.5GHz和37GHz

vivo 5G毫米波手机环境与设计。

同时,终端天线数量受限于频段、手机尺寸、材质、天线布局的限制,在Sub
6GHz商用终端上支持4/8天线的设计难度较大。

  • 42.5 GHz频段的观点。表1为我国当前4G通信使用频段。

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此外,单载波100MHz带宽对滤波器、数模转换等器件提出了更高要求。

表1 LTE频段分配

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从GSM时代“一模四频”,到LTE时代“六模29频”,近千种CA组合,以及MIMO提升终端传输速率和体验,射频在终端中的价值地位正在大幅提升。

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vivo射频总监崔献博士预估,5G时代将出现七模43频。移动通信制式的“四世同堂”将对多模多频下5G移动终端的射频、天线和电池等带来挑战。

由于最大信号带宽与载波频率成正比,因此提高载波频率,我国5G通信的带宽将扩展到9.25GHz,相比于4G通信210Mhz的带宽,提高了一个数量级。

多模多频段将使得5G手机内部的电磁兼容环境更为复杂,移动通信频段和WLAN及GPS的共存,手机其他功能模块如LCM,摄像头工作时对接收频段的干扰等,都属于终端自干扰的范畴。随着5G手机基带处理能力的提升和功能的增加,自干扰问题会更恶劣。

2.3 毫米波天线

同时,在Sub 6GHz SA方面,UPLink
MIMO支持2路同时发射,因此,相对单路发射的LTE终端,功耗需要更高要求。在NSA方面,LTE和NR同时工作,保证各自上下行的链路,因此,同时发射功耗相对较高,且FDD功耗会比TDD更高一些。5G对终端电池的挑战也是业界重点关注的……

在天线的电参数中,增益系数表征天线在特定方向上辐射立体角度内的能量与天线在所有方向上辐射立体角度内的能量的比率,其计算公式如下:

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公式中,η为天线的孔径系数,D为天线直径,λ为电波波长。保持其他变量,只改变电波波长,波长越短,天线增益越大。

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