淺談射頻前端設計如何提高網(wǎng)絡效率和帶來更好的體驗感

　　射頻前端作（RFFE）為手機設計自問世以來最重要的一個環(huán)節(jié)，卻一直以來都被忽視。其實射頻前端系統(tǒng)設計是網(wǎng)絡效率和更佳用戶體驗的關鍵。本文就來講講他到底會帶來哪些影響呢？一起來關注下吧。

　　1.從LTE向5G的演進：提升網(wǎng)絡效率關鍵的設備升級注意事項

　　向LTE-Advanced （LTE-A）和LTE-Advanced Pro （LTE-A Pro）的網(wǎng)絡演進，是延長LTE生命周期的重要手段，并且也是確保平滑邁向5G的關鍵步驟。這些技術不僅使電信運營商能夠推出新的高帶寬服務，并且使他們能夠開啟新的業(yè)務機會，同時這些升級也將在覆蓋范圍、小區(qū)邊緣容量和頻譜效率等多個方面大大提升網(wǎng)絡性能。

　　使用這些網(wǎng)絡的智能手機將在提高網(wǎng)絡效率方面起到?jīng)Q定性作用。為了最大限度地發(fā)揮其效力，手機里所搭載的射頻前端（RFFE）技術是至關重要的。由此，射頻前端架構不僅需要支持4x4 MIMO、封包追蹤（ET）和天線諧調，同時還要確保所有這些恰當?shù)丶稍谝粋€結構合理的調制解調器-天線的設計中。本文將闡述這些組件在支持移動設備在有效利用這些網(wǎng)絡資源方面的重要性。

　　2.定義下一代網(wǎng)絡效率的關鍵參數(shù)

　　LTE網(wǎng)絡的演進對于應對新的業(yè)務案例以及提高網(wǎng)絡速度來說至關重要，同時也提供了適時的網(wǎng)絡升級來應對網(wǎng)絡容量和覆蓋問題。然而，技術供應商也必須尋找提高網(wǎng)絡效率的方法，來應對用戶市場海量的數(shù)據(jù)需求和提供更佳用戶體驗。這方法將主要依賴：網(wǎng)絡覆蓋、吞吐量、頻譜效率、網(wǎng)絡容量等關鍵參數(shù)。

　　MIMO的部署（包括4x4 MIMO和4x接收分集，如2x4 MIMO）可以解決許多這些基礎問題，因為它通過使用多個天線為無線鏈路提供穩(wěn)健性，并提高頻譜效率。與此同時，它還能夠實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、更大的覆蓋范圍以及更高的可靠性。

　　為了給所有人提供更好的體驗，設備中需要許多特定的組件來幫助進行網(wǎng)絡演進。撇開不談調制解調器和電池壽命的影響，這些組件中的大多數(shù)都與射頻前端相關。隨著這些新的先進網(wǎng)絡投入使用，射頻前端鏈上的每個元素都需要一定程度的升級，否則將會造成效率低下和用戶體驗不佳。

　　天線技術、功率放大器（PA）、濾波器、低噪聲放大器（LNA）和封包追蹤（ET）的選擇，在LTE場景中尤其是LTE-A Pro中變得至關重要，因為移動設備預計將會處理不同傳播參數(shù)的射頻。如果沒有仔細設計無線平臺來應對這種變化，將會導致整體傳輸衰減和系統(tǒng)功效低下。

　　3.射頻設計和關鍵組件集成是充分發(fā)揮網(wǎng)絡效率的必要條件

　　為了更好地處理這些LTE升級以及向5G演進所帶來的新功能，智能手機設計需要采用一些射頻前端機制才能夠充分利用實施這些升級后實現(xiàn)的網(wǎng)絡效率，也即：封包追蹤（ET）、天線諧調、4x4 MIMO射頻前端架構。

　　ET是至關重要的，因為消費者之間的內容共享越來越頻密，并且上行速率也呈現(xiàn)提升。降低射頻PA的功耗對智能手機OEM廠商來說是一個關鍵挑戰(zhàn)，畢竟這正迅速成為手機功耗的一個主要來源。與平均功率相比，采用ET可使功率效率提高30%，并且已經(jīng)成為在先進網(wǎng)絡中實現(xiàn)高效使用的智能手機的必備組件。然而，目前ET僅存在于高端智能手機當中，不過，隨著要求更高發(fā)射功率的上行載波聚合（CA）和高功率用戶設備（HPUE）的出現(xiàn)，ET向中低端手機快速滲透的需求正不斷增加。ABI Research預期ET將在2018年中期開始大規(guī)模涌入中端市場。

　　這種提供更高功率效率的驅動力，也將見證ET優(yōu)化的PA（ET-optimized PA）的到來，這將使收發(fā)器、ET和PA之間能夠進行更緊密地集成，從而在更高帶寬上的系統(tǒng)中實現(xiàn)更高的功率效率。移動設備功率效率的任何提升，不僅有助于電池壽命，從用戶的角度來看還將直接影響網(wǎng)絡的有效性能。一臺能夠以較低的電池電流傳輸更強信號的移動設備，實際上增加了上行鏈路受限場景下的室外和室內覆蓋范圍，例如在小區(qū)邊緣和室內VoLTE的使用環(huán)境。

　　可諧調天線可以大幅降低智能手機的占用面積，因為它們能夠被重新配置來覆蓋廣泛的頻率，并且能動態(tài)優(yōu)化鏈路，從而最大限度地減少實際使用條件下的發(fā)送/接收功率浪費。目前，智能手機已經(jīng)搭載了多個天線來支持多模多頻，因此增加額外的天線組在工業(yè)設計和射頻優(yōu)化都極具挑戰(zhàn)性。在智能手機非常有限的環(huán)境中，無論是在能源還是整體外形方面，射頻前端系統(tǒng)都需要進行精心設計，從而在不影響工業(yè)設計完整性和可靠性的前提下，實現(xiàn)設備整體性能的優(yōu)化以及對干擾的減輕。

　　通過使用最新的自適應天線諧調技術，手機可以實現(xiàn)發(fā)送或接收鏈路質量的自動最大化。這實質上提高了有效吞吐量，以及單個或多個載波的室外和室內覆蓋范圍。通過鏈路上2-6 dB的提高，以及CA鏈路中的動態(tài)信噪比平衡，手機可以在網(wǎng)絡上實現(xiàn)更高的性能。為了使手機能夠支持不斷擴大的頻率范圍，在保持功率效率的同時，天線可調諧性將成為滿足這些持續(xù)需求的關鍵所在。

　　有效的MIMO技術運用可以通過使用多個收發(fā)天線來提高網(wǎng)絡中的通信速度，有望在不使用額外發(fā)射功率和頻譜資源的前提下，顯著提高信號可靠性、網(wǎng)絡吞吐量、覆蓋范圍和頻譜效率。由于頻譜帶寬是一種昂貴且有限的資源，MIMO在推動更有效地使用可用帶寬的發(fā)展過程中，已經(jīng)成為一種越來越重要的無線技術。然而，這些改進將帶來一定的成本，尤其是在增加智能手機BOM和射頻級別復雜性的兩個方面，因為將MIMO天線擠入LTE設備仍非易事。

　　為了使4x4 MIMO和2x4 MIMO實現(xiàn)商業(yè)可行，射頻前端架構必須在性能、集成度和成本方面不斷優(yōu)化。射頻前端將繼續(xù)作為決定哪種空口技術在不久的將來是否切實可行的一個關鍵子系統(tǒng)。

　　如上所述，HPUE是一種技術補充，據(jù)悉能夠通過提升覆蓋來使網(wǎng)絡受益，因為它相較于標準用戶設備能夠多傳輸3 dB，這相當于將輸出功率提升了一倍。此外，由于LTE的吞吐量與發(fā)射功率直接相關，所以HPUE的另一個好處是吞吐量的提升。實施HPUE需要設備硬件上的升級，因此需要能夠處理更多電力產生的PA。相對而言，網(wǎng)絡僅需要進行軟件升級。然而，HPUE最終將會對射頻前端產生重大影響，因為鏈路上的所有元件，從收發(fā)器到PA濾波器，都必須在保持現(xiàn)有設備尺寸和功率限制下支持雙倍的功率。

　　4.網(wǎng)絡設備人口和技術組合的影響

　　在更高標準的LTE網(wǎng)絡中使用智能手機，用戶不僅能夠通過更高的數(shù)據(jù)傳輸速率獲得更好的用戶體驗，同時這些移動設備也將更加高效，因為它們僅需更少的網(wǎng)絡資源便可獲得更快的速度。這就是4x4 MIMO和256 QAM這樣的技術意義所在，因為每個LTE傳輸中可以打包更多比特（信息），也就是說，它們能夠以更少量的頻譜資源在空中傳輸更多比特（信息）。例如，高端千兆LTE設備利用網(wǎng)絡可以實現(xiàn)每1Hz頻譜發(fā)送4 bps，而相對低端的LTE設備在它們的分配頻譜上的發(fā)送量約為3 bps。

　　這種效率的提升大部分要歸功于使用了更多的天線。平均而言，一個LTE Cat6智能手機使用兩根天線，而一個千兆LTE設備則能使用三根天線來接收數(shù)據(jù)。換言之，這就是不存在在Cat6設備中的4x4 MIMO技術為網(wǎng)絡效率所能帶來的提升。

　　對移動運營商而言，在網(wǎng)絡邊緣擁有更多使用更高效（千兆）LTE智能手機的用戶，將會帶來以下好處：

　　·無論是否為使用這些類型的手機用戶，吞吐速度都將提升。

　　·千兆LTE設備使用更少的網(wǎng)絡資源來獲得所需的速度來服務于它們所產生的流量。

　　·無論是何種類型的設備，整體容量的增加將使網(wǎng)絡上所有的智能手機用戶受益。

　　例如，對于類似視頻流這樣的技術，千兆LTE和LTE Cat6智能手機用戶都會獲得相似的吞吐質量，但是相同質量的視頻，千兆LTE設備僅使用三分之一的頻譜資源。在一個不限量數(shù)據(jù)套餐計劃的時代，這對那些渴望升級至千兆LTE的移動運營商來說是有意義的，因為更高的網(wǎng)絡效率能夠提供更多的流量。

　　此外，隨著手機吞吐速度的提升，將有助于應對“突發(fā)”流量，例如在接收Twitter和Facebook的升級時，更高端的手機能夠更快地使用服務，并迅速地釋放網(wǎng)絡資源給其他用戶。更高的速度也意味著智能手機正開始在網(wǎng)絡上獲得與閃存相同的讀取速度，這將有助于在訪問云服務時提供更好的用戶體驗。

　　展望未來，隨著市場進一步邁向5G NR，HPUE將會至關重要，尤其是在6GHz以下頻段，因為它能夠使網(wǎng)絡上行覆蓋提高30%。雖然ET在降低功耗方面將起到至關重要的作用，但是HPUE也有望帶來更長的電池壽命。HPUE的實施看起來與ET密切相關，因此在中低端智能手機中迅速采用ET將會是產生顯著影響的一個基本要求。

　　雖然在智能手機中采用這些技術將會帶來網(wǎng)絡效率的提升，但是OEM廠商在采用這些技術的過程中仍面臨重重挑戰(zhàn)，進而導致目前市場上采用這些技術的機型非常鮮有。這情況預計將在未來12個月內發(fā)生變化，因為越來越多搭載這些必要技術的智能手機機型將會被推出，從而使它們與先進網(wǎng)絡的推出步調一致，因此將會在網(wǎng)絡效率和用戶體驗方面帶來顯著提升。

　　無論如何，創(chuàng)新是不會停止的，因為隨著行業(yè)向5G網(wǎng)絡演進，通過使用MIMO將會帶來額外的復雜性，對射頻前端的需求肯定會進一步擴大。Massive MIMO、波束成型和對額外頻段的支持將成為基本要求，從而帶來一整套全新挑戰(zhàn)。此外，行業(yè)所經(jīng)歷的復雜程度將取決于頻譜環(huán)境，因為5G MIMO實施將取決于頻段目標，要么是6GHz以下頻段，再或者是毫米波頻段。