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全球迈向5G,但能全球漫游的5G手机不会出现
材料来源:《微波杂志》2019年7/8月号           录入时间:2019/8/1 14:59:57

Global 5G Rush But No Global 5G Handsets

Ben Thomas, Qorvo

我们正在见证全球迈向5G。国家、移动运营商和手机制造商都争先恐后地提供新一代蜂窝连接,或至少占得先机。然而,全球迈向5G并不意味着就会出现能全球漫游的5G手机。与LTE的情况不同,生产支持在全球5G网络漫游的5G手机也许不可行,或不符合经济性原则。相反,5G可能会将手机市场推向相反的方向——更加区域化。

5G频段不是全球性的

首先,新的“全球”FR1频段(n77、n78和n79)实际上根本不是全球性的;在很多情况下,各个国家是在分配这些频段的不同子集(参见1和图2)。其次,FR2毫米波频段分配也是类似的,从而使问题倍增。第三,许多运营商最初会部署非独立(NSA)5G,这将在5G和区域LTE频段之间引入复杂的难以控制的交互作用问题。

1全球”n77n78频段的使用因国家而异。

2中国和日本计划使用不同的、小部分的n79频段。

有些人可能还记得LTE时代的黎明时分,当时频段1和7被视为全球性频段。遗憾的是,这两个频段都仅在部分地区采用。被视为全球性频段的其他频段(如频段41)在部署时也产生了地区分配差异。例如,美国分配了全部可用的频段,而中国仅选择了一部分。直到现在,才考虑更加统一地分配频段41,目的是在重新分配的频段n41中部署5G NR。

出于相同的原因,新的“全球”频段n77、n78和n79也产生了同样的碎片化问题。各国和地区向移动运营商分配频谱或拍卖频谱的方式几乎没有改变。

手机问题

由此产生的地区分配差异对手机制造商产生了重大影响,他们必须弄清楚如何支持相互冲突的需求。运营商通常希望手机针对自己使用的频段进行优化。但是,手机制造商想在全球销售,或至少在一个大区域内销售,从而要支持其所有目标市场使用的不同频段和载波聚合(CA)组合。

此外,领先制造商已经选择参加全球认证论坛(GCF)的互操作性认证,此认证提供使用LTE手机漫游的优势。GCF的常见做法是在指定频段的全部频率范围内验证互操作性。这就引出了一个问题:当一个运营商或一组运营商只部署了分配到的频段的子集时,会发生什么情况?

考虑n77的情况,它涵盖了3.3至4.2GHz。理论上,单个n77解决方案将支持使用此频段的手机在全球所有地区使用。而实际上,运营商需要解决方案专为其各自地区中分配的频谱的子集而优化——在某些情况下,窄至100MHz。如果n77不能作为全球解决方案,那么3.3至3.8GHz的n78呢?请三思。迄今为止,只有少数运营商打算部署n77或n78的3.3至3.4GHz部分。手机制造商是否需要在一个甚至还未部署的频率范围内实现互操作?而运营商当然不需要这样做。

实施更具区域性的解决方案可以提供性能优势,这主要是因为手机制造商可以定制滤波,并优化为频段子集调谐的功率和低噪声放大器。例如,在最初推出时,即使并非全部,也有大部分n77的前端模块将使用非声学滤波器,这为非常宽的900MHz频谱(比现在任何LTE频段都要宽得多)提供良好性能。使用n78的子集时,比如400MHz,具有陡峭滤波器裙边的体声波(BAW)滤波器提供更好的性能,从而改进带外频率抑制,降低频段边缘的插入损耗。这是手机制造商权衡方案的一个示例。专注于区域解决方案将提高移动运营商的网络性能,但会失去全球漫游功能。

频段n79(4.4至5GHz)也存在同样的窘境。中国倾向于该频段的4.8至4.9GHz部分,而日本则考虑4.5至4.6GHz。支持整个频段的解决方案将适用于这两个国家,但不会为任一更窄的子集进行优化。如果您是这两个国家中的一家运营商,您会选择全球n79解决方案还是为您所在国家用户提供更高性能的解决方案?另一方面,作为制造商,您是希望为中国和日本提供不同的手机还是在两个国家推出同一款手机?

FR2频谱的区域分配使得碎片化问题变得更具挑战性,且区域之间以及各区域内的运营商之间都有差异(参见3)。考虑到天线,毫米波的手机射频实施可能比6GHz以下更具频率相关性。如果手机必须支持多个宽间隔毫米波频率范围,则可能需要多个天线阵列,或至少是更复杂、有损耗的天线。更大的挑战是,毫米波前端可能会在手机的多个配置中实现,每个配置都会占用宝贵的空间,而手机本身就面临着尺寸限制。考虑到手机大小正在接近便携性的极限,因此这是一个难题。

3毫米波5G频段的使用也会因国家而异。

NSASALTE

各区域实现5G的初始方法各不相同。在全球许多地区,运营商计划通过采用NSA 5G来加速5G部署。NSA利用LTE锚频段进行控制,并使用更宽的5G频段提供更快的数据速率。利用该方法,运营商只需利用其现有的LTE网络即可快速实现5G,无需构建全新的5G核心网。但是,一些中国运营商计划快速从NSA过渡到独立(SA) 5G,或在一些地区,直接从LTE过渡到SA 5G。SA无需LTE锚点,需要建设一个全5G网络,但简化了多频段CA组合的实现,特别是在上行链路(UL)上。

尽管NSA帮助运营商加快实现5G,但引入了极高的射频复杂性:需要双LTE和5G连接。在很多情况下,运营商会在多个FDD LTE频段的现有区域CA组合中添加一个5G频段,并将一个LTE频段用作锚点。NSA规范要求手机在一个或多个LTE频段中发送数据,同时在一个更高频率的5G频段中接收数据。这就增加了LTE和5G频段之间交互作用的可能性,且LTE发射频率的谐波可能劣化5G接收器。

用5G频段n78和LTE锚频段3或66的NSA组合来进行说明。在LTE频段传输期间产生的谐波频率落入n78频段,这可能会降低接收灵敏度。为了减少这种可能性,可能对频段3路径应用额外滤波,而这将增加频段3的损耗。这就给全球使用的手机设计带来了问题,特别是在5G尚不可用或运营商没有n78频谱的地区。在这些地区,频段3将是主要数据路径,而增加的损耗将导致手机性能降低,对用户没有任何好处。

对于一些5G频段来说,全球的情况更加复杂,因为需要支持SA和NSA操作。例如,LTE频段41将被重新分配为5G频段n41,其提供的单通道带宽比60MHz LTE限值大得多。北美手机将需要同时使用LTE频段41和5G n41支持双传输NSA操作。然而,这种额外的5G带宽也会有损失。由于同时在LTE频段41和n41上传输时产生的反向互调产物,输出功率必须降低以符合发射屏蔽,这可能减小覆盖范围。然而,在中国,n41可用于宽带SA模式,无需支持双传输。在SA模式中使用n41允许更宽带宽的UL,同时保持运营商在频段41上通过LTE实现的覆盖范围,并可通过单个功率放大器提供支持,从而减少实现方案的尺寸和成本。

随着各地区迁移至SA 5G,其中许多问题将变得更简单。但是,这种情况不太可能很快发生。我认为要十年或更长时间,5G SA才能成为全球的主流。在全球5G部署竞技中,我们必须接受由NSA标准造成的长时间射频复杂性。

消费者会购买全球5G手机吗?

如果没有这些挑战,是否有可能生产全球5G手机?可能。但是,全球漫游是否能够抵消成本和其他需要权衡的问题?

消费者是否已经准备好购买更加昂贵的全球5G手机,这是个问题。不管手机是区域性的还是全球性的,成本都会增加,因为除了现有的LTE费用,制造商还必须支付5G技术许可费。后续为提供全球5G覆盖范围而增加射频频段(特别是考虑到区域频段差异时)会增加成本。这可能让人很难接受,即使对于那些不管在哪里旅行都希望有数据漫游的专业高级商务旅行者群体来说也是如此。

回想LTE的早期阶段,那时在区域内实施LTE,并使用GSM进行漫游。当全球LTE手机兴起时,大部分手机的LTE射频部件通常都处于休眠状态。为未使用的射频部件增加成本通常是短命的,特别是在市场从婴儿期走向成熟时。

即使采用区域性设计,增加单个5G频带都会增加射频部件和成本。5G频段以及通过日益复杂的天线信号路径管理信号流都需要额外的组件,这主要是因为运营商要求的NSA和各种CA组合。为覆盖LTE的现有频率,天线已经不堪负荷;而5G将进一步扩大这个范围。尽管可以使用天线调谐和天线转换开关来解决这一挑战,但这两种解决方案都会增加手机的射频部件。

5G也将意味着更大的手机,至少一开始是这样。额外的射频部件需要额外的空间,特别是使用毫米波时,这将难以适应今天的手机尺寸。制造商不想减少分配给电池和其他直接吸引消费者的功能的空间。要容纳额外的射频部件,5G手机可能需要更多尺寸。即使是区域性5G手机,标准尺寸一开始也可能行不通。环顾四周,您会发现并不是所有人都喜欢大型手机,它的销量一直都是少数。我们可能不得不等待进一步缩小尺寸的技术,然后才能将5G装入可轻松放入口袋的小巧手机中。

结论

5G正在推动手机市场进一步区域化。消费者不想为自己不使用的射频频段付费,制造商也不能证明增加很少使用的部件的成本是合理的。制造商也可能发现,在把更多射频部件挤进手机的同时,很难保持电池续航时间和消费者重视的其他功能。希望将手机成本和复杂性保持在合理范围内将促使制造商设计区域性5G手机,类似于如今许多中端LTE智能手机的区域化。

确切地说,这些因素都不会减慢5G部署,而只会将市场进行分割。简言之,全球性5G手机不可行。


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