《5G手机发展白皮书》了解一下(中)

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 5G手机的芯片
 
5G手机设计具有一般手机设计的通用性,但由于5G是全新的通信技术,面临新的适配问题和技术特征,以下部分将从芯片、天线、材质、摄像头、电池和其他等多方面解析5G手机设计关键及背后的产业链。
 
标准未定,芯片先行,只有一颗5G的芯片,才能根本定性5G手机身份。因此5G芯片是5G手机设计最关键一环。
 
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1、5G芯片的要求
 
频段:实际上,芯片的设计要充分考虑基于5G频段的划分,目前业界公认的两组5G频率,其一是Sub 6GHz,频率在6GHz以下,在国内5G的建设中,已经确认将首先使用这一频段。同时这也是5G初期最基础的频段。其二是毫米波,这是5G成熟期的主要运营频段,优点是传输带宽极大,但缺点是覆盖范围很小,穿透障碍物的能力很弱,因此需要更专业的天线调谐。
 
组网形式:5G的组网有NSA(非独立组网)和SA(独立组网)两种形式,NSA简单来说就是可以与4G网络混合组网,对运营商而言在核心网方面可以共用,建网相对容易。而SA则是终极演进方向,5G组网自成一体,与4G完全分开。目前,3GPP R15 NSA和R15 SA都已冻结。
 
5G手机对相关芯片也会提出新的要求。5G基带芯片需要采用多模设计,不仅要兼容2G、3G、4G,还要支持5G。这意味着5G手机需要不停地寻址,采取不同的模式,但是不同技术标准是不一样的,情况更为复杂,对芯片算力要求更高,28nm工艺芯片可能满足不了5G手机的要求,需要7nm、10nm、12nm工艺。
 
其他:除了在频段和带宽上的需求外,在子载波间隔、调制模式、功率等方面也都需要考虑。例如调制模式方面,中国联通要求必须支持QPSK、16QAM、64QAM、256QAM方式,而上行必须支持π/2-BPSK、QPSK、16QAM、64QAM、256QAM方式。
 
 
 
2、5G芯片的进程
 
芯片和终端产品都需要一年到几年不等的开发周期,如果等5G频段确定后再进行产品的研发显然难以在5G市场获得竞争优势。因此我们看到即便需要面对标准未定带来的诸多挑战,产业链各方早已积极投入5G研发(见表2:5G芯片进程一览)。
 
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在当前阶段,已经发布或已有消息即将发布的5G基带芯片共有7款,分属于高通、海思、联发科、紫光展锐、英特尔和三星这几大产业链上核心厂商。
 
高通:高通是3G/4G时代毫无疑问的芯片大鳄,5G时代,虽然遭遇华为和英特尔来自核心专利方面的挤压,但稳固的商业模式和标准专利让其仍旧是不可或缺的重要玩家。除了在标准上的诸多贡献,高通凭借与中国市场手机市场的良好合作,仍旧不断蚕食终端侧份额已经是不争的事实。
 
目前业界使用最广的一款5G基带骁龙X50便出自高通之手,与高通骁龙855处理器的搭配让2019年大部分的5G手机将基于上述组合研发,目前已经确认的手机有小米MIX3 5G版、三星S10 5G版、一加7、索尼Xperia 5G、LG V50 5G等。高通骁龙X50的最大优点是目前应用阵营强大,但其为单模单芯片,只支持5G NSA,不支持5G SA,不能向下兼容2G/3G/4G网络,且毫米波频段缺少26GHz的支持。
 
不过,外行看热闹,内行看门道。深谙游戏规则的高通在MWC 2019上宣布其全球首款集成5G基带的骁龙移动平台芯片将在2020年上半年商用。高通这一宣布表明,已经先人一步集成5G芯片。更说明2020年之前上市的5G手机大多都是采用“捆绑式”5G芯片,而此前无论3G还是4G手机都采用集成式芯片。
 
随着高通骁龙X55的官宣,高通目前最成熟的5G基带宣布完成,也不再像X50那样必须搭配骁龙855处理器才能使用,其兼容性表现更好。同时在技术上支持Sub 6 GHz和毫米波以及NSA/SA标准。
 
华为海思:华为巴龙5000则是目前性能表现最全面的商用5G基带芯片之一,Sub-6 GHz、mmWave和NSA、SA一并支持,而且也符合3GPP Release 15标准。在MWC 2019上,华为采用Balong 5000+麒麟980的组合推出首款5G手机华为MateX,并将在年内进行销售。
 
紫光展锐:紫光展锐马卡鲁春藤510也是在MWC2019上发布的基带芯片之一,面向中端产品,它采用台积电12nm制程工艺,支持多项5G关键技术,可实现2G/3G/4G/5G多种通信模式,符合最新的3GPP R15标准规范,支持Sub-6GHz频段及100MHz带宽,是一款高集成度、高性能、低功耗的5G基带芯片。主要针对智能手机、CPE、Mi-Fi设备和物联网领域。当然基于工艺限制,其12nm制程工艺相比竞品稍显不足。
 
联发科:另一玩家联发科也于近日揭晓其首款5G基带芯片Helio M70,这款基带芯片依照3GPP Rel-15 5G新空口标准设计,包括支持SA和NSA网络架构、 Sub 6GHz 频段、高功率终端(HPUE)及其他5G关键技术,联发科计划在2019年开始出货Helio M70。
 
三星:三星作为为数不多的同时拥有手机品牌和基带芯片的厂商,三星也推出适用于5G NR release-15的5G调制解调器Exynos 5100,速率方面,Exynos调制解调器5100支持在5G通信环境6GHz以下的低频段内实现最高2Gbps的下载速度,比4G产品快1.7倍;在高频段环境下也同样支持5倍速的下载速度,最高达6Gbps。
 
英特尔:或许是因为竞争对手的进展给英特尔带来了太大的压力,2018年11月,英特尔发布XMM 8160 5G调制解调器,英特尔称其加速了该款调制解调器的进度,将发布日期提前了半年以上。不过就在2019年4月17日,失去苹果这一大客户的英特尔宣布停止5G芯片基带研发工作,英特尔已正式退出5G手机战局。
 
 
 
3、破解“捆绑式”5G芯片势在必行
 
虽然各家基带芯片看似蓄势待发,但行至此刻,5G标准未定还是让整个产业面临亟需破局时刻,即如何破解“捆绑式”5G芯片(见图:5G芯片时间进展)。
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上文曾提及,高通提供的骁龙X50是单一的5G基带芯片(单模),只支持5G网络,需要外挂在一个4G/3G/2G全网通基带芯片(如骁龙845上的骁龙X20基带芯片)上才能正常使用。相比4G手机,采用高通骁龙X50芯片的5G手机必然会面临信号切换慢和能耗大等问题。
 
华为发布的Mate X折叠屏手机采用的也是捆绑式5G芯片,不过麒麟980处理器捆绑的巴龙5000是业界首款7nm 5G单芯多模终端芯片,已经把2G/3G/4G/5G集成到了一块芯片上。
 
虽然高通已经宣布全球发布第二代5G基带芯片X55,也采用7纳米单芯片,支持5G和4G网络。但其供货时间的战线正在延长,“解绑”芯片的战役仍在继续。
 
有分析认为,之所以目前的5G基带芯片并未完全整合,并非厂商能力不足,而是厂商考虑到5G最终的标准还未完全落地,频谱的分配方案和5G牌照的相关发放工作还在梳理,运营商的组网方式也在测试过程中,这时如果完全押宝一种方案,则存在的风险无法评估。
 
在这种情况下,手机厂商采用捆绑式5G芯片可以理解。采用捆绑式芯片,厂商能迅速实现5G网络通信,见效最快、一针见血。同时一两年内还是以4G为主,所以5G外挂4G是当下最合理的选择。此外,5G手机的特点是多天线,干扰情况复杂,折中方案就是选择外挂5G芯片,同时对于成本的降低也能做到最优。
 
 
 5G手机的天线
 
5G天线是5G手机收发装置,因为5G天线特征,使得5G手机的天线收发设计成为5G手机的另一个主要环节。
 
 
 
1、5G低频天线:累加而不是替代
 
在5G时代,由于频段的客观现状,天线的适配正朝sub 6GHz和毫米波天线两个方向发展,天线从2G/3G/4G到5G,是纯粹的增量。5G手机中,此前4G/3G的功能都会同时存在,以前的天线也都会存在,因此对于天线而言,通信技术的升级,对于不同制式的天线是累加而不是替代。
 
为了提高传输速率,sub-6G将采用MIMO天线并且增大MIMO天线的数量,比如8x8MIMO、16x16MIMO等。
 
 
 
2、5G毫米波天线:摆放更复杂
 
而5G毫米波天线的分布则会复杂很多,业界将采用阵列天线,在天线制作原理以及加工工艺上与传统天线都有很大的不同。
 
5G毫米波由于频率高,传输距离短,只能通过阵列天线以及波束成型来增加天线的增益,以克服在空气中传输距离短的问题,因此5G天线由原来4G的全向天线变为了定向天线。
 
波束成形模块只提高了毫米波的传输能力,但没有解决信号受到阻碍物衰减过快的问题,目前主要有两种解决方案:一是利用数字相移器与衰减器的算法,来控制波束追踪手机用户,以维持讯号的稳定度;二是增加波束成形模块的数量,以达到通信无死角的设计方案。
 
毫米波天线需要新的加工工艺,可分为线阵、方阵。天线尺寸跟工作频率成反比,毫米波的频率变高,天线尺寸变小,简单的加工形式精度不够,还得借助于其他的加工形式,如高通毫米波天线模块采用的LTCC工艺。
 
 
3、产业链上下受益
 
天线模组厂商也受益于5G时代。
 
高通于2018年最新发布的5G毫米波天线模组(QTM525),同时支持6 GHz以下5G和LTE的全新单芯片14纳米射频收发器,以及6GHz以下射频前端模组,提供面向全部主要频谱频段的新一代从调制解调器到天线的完整解决方案。
 
经过多年的投入,天线隐形冠军厂商硕贝德也在5G射频前端模组方面实现产品突破,已实现了从24GHz到43GHz全频段覆盖的技术突破。硕贝德开发的24GHz到43GHz全频段覆盖的射频前端模组产品于2018年6月IEEE举办的IMS上成功展出。随着5G手机放量,硕贝德的天线产品有望逐步推广,打开成长新空间。
 
反观硕贝德的“老对手”信维通信则5G前景受限, 5G的业绩红利释放期还有数年,而当下智能手机红利结束,对于电子制造业影响十分明显,为此信维通信虽然极力强调5G血统,却在实际业务中进行泛射频领域的横向布局,加强在汽车电子领域业务的开展,也是其5G前“青黄不接”的无奈举措。
 
此外,国内外厂商立讯精密和Murata等厂商不断加入战局抢占份额,也将引起市场的多重变化。此外,在天线设备对应的射频芯片方面,巨头Qorvo、Skyworks将继续领跑。(见图:手机天线产业链市场占有率)。
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不过需要注意的是,上述提及的天线供应商提供的并不是一体化的完整解决方案,手机厂商往往需要根据自身处理器类型等特点,进行手机构造设计和性能适配。而这项软硬件的设计研发工作比4G时代要复杂得多,对智能手机厂商的研设计和量产都提出了新挑战。
 
由于手机内部天线数量、射频开个器件数量都要大幅增加,如何摆放设计才能保证信号良好、散热正常是第一难题;其次,在满足上述基本条件的同时保持手机的纤薄化是困扰手机厂商的第二大问题。
 
有业内专家分析称,外界都误认为手机厂商只是组装,实际上,随着近几年技术更新周期的不断缩短,产品技术迭代的速度非常惊人,从芯片到整机,手机厂商要做的工作比想象中要更多。
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