What Is 5G? & How 5G Will Change The World!

來源：万物云联网

圖1、RF產業中的公司名人堂　　

雖然行動行業上個月，已經完成了在巴塞隆納舉行的，年度行動世界大會愛情般的狂歡活動，但高科技供應商，系統原始裝置製造商和行動電信商所面臨著，現在尚未真正解決5G發展障礙的問題。事實上，這些發展障礙才剛剛開始。

圖2、高頻毫米波和低頻電波的傳播損耗對比

5G發展的技術問題是多方面的。其中，用於5G毫米波(通常預計工作頻率為28 GHz，39 GHz或60 GHz)的智慧天線，和射頻前端，可能嚴重影響尚未出現的5G mmWave(毫米波)手機的效能。

圖3、5G生態系統

從行動世界大會回來後，市場研究公司(YoleDéveloppement)的射頻(RF)電子業務負責人Claire Troadec告訴我們：「儘管許多公司如高通、英特爾、聯發科和三星，都在使用手機原型作為5G mmWave(毫米波)的演示平台，但我們不相信目前手機，將成為5G mmWave(毫米波)的首選應用終端形態。

相比之下，5G毫米波將更加可能成為桌面或者桌面上的固定式資料調變解調器的選擇，以便消費者可以下載，或者傳輸大規模流式寬頻應用」。

圖4、高通的5G 毫米波原型樣機

為什麼這樣？

鑑於5G的mmWave(毫米波)頻段的高傳播損耗，方向性和對阻塞的敏感性，而在業界工程師看來臭名昭著，困難重重，設計一款始終運作，而不會丟失訊號的5G手機，並不是一件容易的事。消費者可能會被迫停留在某頁面字上，或者某幅圖片上，系統轉而需要尋找其它頻段的訊號。

　　圖5、5G在韓國冬奧會中得到應用

在行動手機中，部署5G毫米波無線電的另一個挑戰，是電池的壽命和耗電問題。在平昌2018年冬季奧運期間，三星相信已經展示了自己的5G平板電腦。雖然它執行良好，但是在行動世界大會圍繞這個酷炫的應用，卻是一個驚人的警告：電池在30分鐘後就沒電了。

　　圖6、智慧手機需要支援的頻段數越來越多

當被問到這個傳聞時，Yole的Troadec說她認為「手機5G mmWave(毫米波)廣播訊號傳輸時，有具有很高的能耗的問題。」她懷疑「大多數廠商的領導人，都在廣泛地關注這個領域。」

但她補充說，她發現這些技術供應商，可能會為5G新無線電(5G New Radio)應用中，這個明顯有問題的系統，及功耗問題，提出了一些補救措施。她說，沒有人願意在展會上，進一步討論這個問題，大家都在有意迴避這個問題。

　圖7、28GHz 上行鏈路預算

5G mmWave(毫米波)的RF(射頻)模組，將給新興5G市場帶來的干擾，並不侷限於技術的變化。深受影響的，是目前供應3G和4G射頻元件，和模組的供應鏈中的供應商們。

　　圖8、28GHz 下行鏈路預算表

由於5G mmWave(毫米波)可能允許供應商，使用CMOS或者SOI技術，在SoC中設計射頻前端模組，因此該領域將為針對，目前在手機生態系統架構中的，「先進CMOS設計和製造廠商」，進軍射頻市場敞開大門。

除了英特爾和高通之外，具有進軍這一領域的候選人，還包括聯發科、三星，和華為。

更多的頻段，更多的射頻(RF)前端(RFFE，RF front ends)

隨著技術供應商，與能夠處理越來越多數量的頻段的，複雜RF前端(RFFE，RF front ends)模組搏鬥，行動行業取得了長足的進步。根據Troadec的說法，隨著蜂窩標準從3G發展到4G，RF前端必須應對的頻段數量，從4個增加到了30個。

　　圖9、終端射頻前端的設計越來越複雜

智慧手機中支援的頻段數量的增加只會增加射頻前端的複雜性。

但隨著5G技術和應用逐漸上線，事情將變得更加複雜。雖然理論上5G是一個單一的標準，但它有三個主要的要素：5G支援的物聯網(IoT)應用，使用sub-6 GHz頻段的5G以及使用mmWave(毫米波)的5G。

在射頻技術方面，Troadec觀察到「這意味著將需要非常不相似的效能的技術，一起彙集在一種裝置中」。

　　圖10、智慧手機的發貨量越來越大

這意味著5G將遵循「不同的實施階段，不同的5G版本並行開發」。換句話說，不會有單一的，統一的5G 射頻(RF)前端(RFFE，RF front ends)，而是「5G IoT，5G sub-6 GHz和5GmmWave(毫米波)，將遵循他們自己的發展路徑，並用它們各自的RF SiP開發建立並行的生態系統，」她說。

　　圖11、射頻前端產業鏈中的主要玩家

當被要求評估每種5G技術的不同射頻(RF)前端(RFFE，RF front ends)的研究路徑時，Troadec說她看到5G mmWave(毫米波)技術，帶來了最具顛覆性的創新。她預計5G mmWave(毫米波)需要重新更改設計和採用新材料。

好訊息是，5G mmWave(毫米波)，可以終結目前用於2G，3G和4G射頻前端系統中的基於系統級封裝(SiP，System-in-Package )技術的複雜的前端模組的實踐。

「您可以根據先進的CMOS或SOI技術設計每個構建模組 - 包括功率放大器，低噪聲放大器，濾波器，開關和無源器件，」Troadec解釋說。

這將為許多以前幾乎沒有無線電專業知識的數位晶片供應商，提供開發SoC前端模組的機會。

　　圖12、Beamforming在 5G 網路中有重要的應用

同時，對於在6 GHz以下頻段中的5G技術，Troadec認為它將建立在漸進式創新之上。她解釋說，在這個頻段上預計目前的射頻封裝架構的修改只需在物料清單(BoM，bill of materials)中做出最少的更改即可。

由於5G 物聯網(IoT)將使用低於1 GHz 頻段的頻率，因此Troadec認為在這個頻段5G 射頻(RF)前端(RFFE，RF front ends)的半導體封裝所需的「很少或者幾乎沒有創新」。

儘管如此，旨在解決由許多物聯網(IoT)裝置，生成的資料的傳輸問題的5G 物聯網(IoT)規範和協議，尚未完成定義和標準化。

　　圖13、不同口味的5G技術正在並行發展

今天的射頻(RF)器件或者元件供應鏈中的名人堂

在深入研究5G中的詳細的射頻(RF)解決方案之前，讓我們先仔細研究，當前的RF元件和模組供應商。

通常，射頻(RF)前端模組是由諸如RF開關，功率放大器(PA)/低噪聲放大器(LNA)，RF濾波器和天線裝置(調諧器和開關)之類的射頻(RF)器件元件組成的。

　　圖14、5G使用者終端中電路的功能劃分

射頻(RF)前端模組擁擠的供應鏈中的主要廠商包括：索尼、Murata(2014年末收購Peregrin Semiconductor)、Skyworks、Qorvo、英飛凌、Broadcom(博通) / Avago，Cavendish Kinetics、TDK EPCOS、高通、海思等。

　　圖15、一個智慧手機的典型結構

每家公司都有自己的特殊射頻(RF)組件，這些組件通常需要部署各種襯底和技術。他們的技術選擇範圍，從RF-SOI和BiCMOS到批量CMOS，GaN和RF MEMS等。

圖16、智慧手機的Beamforming

由於不同型別RF元件，採用了多種技術，因此今天射頻(RF)模組的整合路徑，選擇是SiP形式，而不是SoC形式。

　　圖17、5G網路中的Beamforming技術

今天，對於2G，3G，4G和5G 6 GHz以下頻段(針對6 GHz以下的所有頻段)的頻段，「滿足智慧手機中的嚴格的無線電效能，要求將只有SiP技術這一個方法，」Troadec證實。

　　圖18、智慧手機中的功能佈局

目前沒有任何單一的射頻(RF)元件供應商，擁有一切最好的技術。 Troadec解釋說，在RF前端整合中，「每個構建模組都需要非常專用的技術：使用GaAs技術的最佳PA，使用SOI技術的最佳開關，使用SAW和BAW技術的最佳濾波器，以及使用SiGe技術的最佳LNA等。」

當被問及是誰會為射頻前端模組提供SiP技術時，Troadec表示：「Broadcom、Murata、Qorvo、Skyworks，和TDK/Qualcomm，是今天唯一能夠提供SiP技術的廠商。」

她解釋說，每種產品都有自己的特性要求，例如高頻模組，中頻模組，低頻模組和多樣化接收模組，要麼採用PAMiD整合形式(高度整合的定製模組，效能驅動但帶有強大功能，因此僅限於蘋果，三星，華為等玩家)要麼採用FEMiD整合形式(在效能和成本方面提供良好折中，並受到LG和中國手機玩家等，二線智慧手機製造商的青睞)。

　
圖19、5G系統中涉及到的關鍵技術

「我們確實看到只有少數公司能夠在這種高技術混合的環境中發揮作用，」她總結道。

幾個GHz頻段以內的5G：仍然採用的是SiP方法

隨著蜂窩產業向5G方向發展，對於GHz級的5G的射頻前端模組而言，同樣的原則(即採用SiP整合方法)仍將繼續存在。

　　圖20、SiP技術在5G時代中可能的應用

但據Yole稱，就SiP和封裝內部的更多整合而言，將會有一些變化。 Troadec解釋說，這些新措施包括，基於SOI平台，在同一晶片(die)上整合LNA和開關，以及更多用於濾波器的晶圓級封裝，以獲得裸片尺寸收益(例如，今天只有Broadcom(博通)採用這種方法，而Qorvo正在開發這種方法)。

此外，晶圓級方法將適用於封裝功率放大器(今天仍然採用導線連線)，以獲得裸片(die)尺寸收益。

5G mmWave(毫米波)：從SiP到SoC

5G mmWave(毫米波)射頻前端模組，毫無疑問將會徹底改變最複雜的RF(射頻)元件/模組供應鏈。透過使用不同的技術，製造了大量複雜的RF(射頻)元件。相反，即將出現的，是基於先進CMOS或者SOI技術，實現的SoC中實現mmWave(毫米波)前端模組的可能性。

5G mmWave(毫米波)可以在SoC中，設計RF(射頻)模組的原因有很多。

首先，5G mmWave(毫米波)意味著行動，到可用的超頻寬頻譜區域，Troadec解釋說。「因此，我們不需要很多離散的頻段，來傳送資訊。因此射頻收發信機的架構，可以簡單得多。」

結果，這也降低了對濾波器技術的限制，她解釋說。「我們不需要在模組中進行高階濾波。」然而，她警告說，「我們需要在不同無線電技術(4G或者低於6 GHz 的5G，以及5G 毫米波)之間切換的先進的開關技術(高隔離度，高線性) 」。

她還指出，在4G中，「我們使用每頻段20 MHz訊號頻寬的載波聚合(carrier aggregation)，並且使用了多個頻段。因此，我們需要先進的高階濾波器技術(陡峭的抑制曲線)，來區分每個頻段中的每個訊號。而今天只有BAW(FBAR)零件技術(MEMS技術)，能夠滿足這種要求。」

另一個重要因素是5G mmWave(毫米波)，將採用波束成形技術，允許它對波束進行成形，以同時向多個使用者傳送資訊。

「這將降低功率放大器功率發射的限制和要求。這反過來又意味著CMOS技術可以發揮作用。」她補充說：「在mmWave(毫米波)頻率下，電感變小；因此，將無源零件與CMOS / SOI技術整合在一起成為可能。」

然而，Troadec重申，對於5G mmWave(毫米波)射頻模組來說，一個限制因素似乎是整個系統的功耗。「為什麼我們需要澄清這件事情？因為它對毫米波的可用性的影響，實在太大了；但到到目前為止，沒有人願意從技術上告訴我們為什麼會這樣，以及我們需要做什麼」來解決這個問題。

新進入射頻零件領域的玩家

一旦行業轉向使用CMOS或者SOI技術，來在SoC中設計5G mmWave(毫米波)射頻前端模組，目前的射頻前端器件領域，將從看似舒適的RF前端模組供應商俱樂部(如Broadcom、Murata、Qorvo、Skyworks，以及TDK /高通)將會發生變化。

圖21、5G生態系統中的主要玩家

Troadec指出，英特爾和高通已經進入調變解調器，和手機收發信機業務。他們非常有希望掌握無線射頻領域，以提供端到端的解決方案。這些公司的目標是「射頻產業鏈從到A到Z的完整的內部設計」，她說。

假如Broadcom(博通)收購了Qualcomm(高通)公司...

在Broadcom(博通)和Qualcomm(高通)公司的各種產品和技術領域，手機市場是這兩大巨頭互補業務的市場。 Troadec觀察到Broadcom(博通)在無線和Wi-Fi領域，而Qualcomm(高通)在應用處理器單元、調變解調器、收發信機、Wi-Fi/BT，再加上恩智浦(NXP)的NFC，以及他們的微控制器(Microcontroller)方面具有很高的地位。

　　圖22、高通推動5G射頻供應鏈的整合變化

現在Qualcomm(高通)公司在5G mmWave(毫米波)領域，獲得了強大的技術牽引力，而Qualcomm(高通)則專注於低於6GHz的技術解決方案，Troadec表示，如果沒有被美國總統阻止，Broadcom(博通)和Qualcomm(高通)的合併，「將會產生非常高的壟斷。」她懷疑，「這就是為什麼我們看到英特爾(Intel)變得害怕，並試圖進入這個收購討論，甚至放話要收購Broadcom(博通)。」