LTE引入后多模多頻段終端的挑戰(zhàn)

摘要：針對(duì)LTE引入后多模多頻段選擇對(duì)終端產(chǎn)品體積、成本、性能等方面所帶來(lái)的挑戰(zhàn)進(jìn)行了深入分析和研究，并給出了現(xiàn)階段解決上述挑戰(zhàn)的射頻芯片和射頻前端參考設(shè)計(jì)架構(gòu)。

1 引言

LTE作為3G后續(xù)演進(jìn)技術(shù)以其高數(shù)據(jù)速率、低時(shí)延、靈活的帶寬配置等獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢(shì)，被業(yè)界公認(rèn)為是下一代移動(dòng)通信的演進(jìn)方向。據(jù)全球移動(dòng)設(shè)備供應(yīng)商協(xié)會(huì)(Global Mobile Suppliers Association，GSA)發(fā)布的關(guān)于LTE演進(jìn)的最新報(bào)告顯示，截至2011年5月，全球已有80個(gè)國(guó)家和地區(qū)的208家運(yùn)營(yíng)商正在對(duì)LTE進(jìn)行投資，其中已有20個(gè)商用網(wǎng)絡(luò)交付使用，到2012年底預(yù)計(jì)至少將有81個(gè)網(wǎng)絡(luò)提供LTE商用服務(wù)。但是，LTE畢竟是一種新興技術(shù)，其網(wǎng)絡(luò)部署是個(gè)逐步推進(jìn)的過(guò)程，這意味著在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)全球運(yùn)營(yíng)商都將面臨LTE網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有多網(wǎng)并存這一共性問(wèn)題。因此，為滿足LTE引入后業(yè)務(wù)的連續(xù)性以及國(guó)際漫游需求，多模多頻段終端將是市場(chǎng)過(guò)渡階段一種必然選擇。

本文結(jié)合LTE引入后的多模多頻段需求，深入分析了多模多頻段終端在產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)上所面臨的性能、體積、成本等一系列挑戰(zhàn)，力求通過(guò)解決射頻實(shí)現(xiàn)方面的技術(shù)難點(diǎn)來(lái)提升多模多頻段終端產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

2 多模多頻段需求分析

對(duì)于運(yùn)營(yíng)商而言，LTE引入后不但要求其終端在原有多模的基礎(chǔ)上增加支持LTE模式及相應(yīng)的工作頻段，還要增加可以確保用戶實(shí)現(xiàn)國(guó)際漫游的工作頻段。不同于2G/3G時(shí)代，目前全球分配的LTE頻譜眾多且相對(duì)離散，為更好地支持國(guó)際漫游，終端需要支持較多的頻段。以中國(guó)移動(dòng)為例，TD-LTE引入后，為滿足自身的運(yùn)營(yíng)需求，終端至少需要支持TD-LTE，TD-SCDMA，GSM三種模式和八個(gè)頻段來(lái)確保業(yè)務(wù)的連續(xù)性，具體參見(jiàn)表1。為提升用戶的國(guó)際漫游體驗(yàn)，終端還要支持FDD LTE模式，結(jié)合全球FDD LTE部署現(xiàn)狀，目前NGMN建議終端至少需支持Band1/7/17(或13)3個(gè)頻段才能實(shí)現(xiàn)通過(guò)FDD LTE漫游到日本、歐洲、美國(guó)的部分地區(qū)，而且隨著FDD LTE在全球部署規(guī)模的逐步擴(kuò)大，終端還要增加新的FDD LTE頻段才能實(shí)現(xiàn)全球漫游。考慮到WCDMA的全球部署范圍廣、成熟度高且漫游能力強(qiáng)，為提升終端的國(guó)際漫游能力，還將鼓勵(lì)終端支持WCDMA模式及相應(yīng)的工作頻段。表1給出了全球各制式主流部署頻段。

表1 各制式主流部署頻段

3 多模多頻段終端實(shí)現(xiàn)所面臨的挑戰(zhàn)

無(wú)線通信模塊由芯片平臺(tái)、射頻前端和天線3大部分構(gòu)成。圖1為終端無(wú)線通信模塊的通用架構(gòu)圖。其中，芯片平臺(tái)包括基帶芯片、射頻芯片以及電源管理芯片等，射頻前端包括SAW(Surface Acoustic Wave，聲表面波)濾波器、雙工器(Duplexer)、低通濾波器(Low Pass Filter，LPF)、功放(Power Amplifier)、開(kāi)關(guān)(Switch)等器件。基帶芯片負(fù)責(zé)物理層算法及高層協(xié)議的處理，涉及多模互操作實(shí)現(xiàn)；射頻芯片負(fù)責(zé)射頻信號(hào)和基帶信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換；SAW濾波器負(fù)責(zé)TDD系統(tǒng)接收通道的射頻信號(hào)濾波，雙工器負(fù)責(zé)FDD系統(tǒng)的雙工切換以及接收/發(fā)送通道的射頻信號(hào)濾波；功放負(fù)責(zé)發(fā)射通道的射頻信號(hào)放大；開(kāi)關(guān)負(fù)責(zé)接收通道和發(fā)射通道之間的相互轉(zhuǎn)換；天線負(fù)責(zé)射頻信號(hào)和電磁信號(hào)之間的互相轉(zhuǎn)換。

圖1 終端無(wú)線通信模塊通用架構(gòu)圖

終端支持多模多頻段與基帶芯片、射頻芯片、射頻前端、天線均有關(guān)。多模互操作實(shí)現(xiàn)主要影響基帶芯片，同時(shí)模式的增加對(duì)射頻芯片和功放也會(huì)產(chǎn)生影響；多頻段實(shí)現(xiàn)主要依賴于射頻芯片、射頻前端和天線。下面就多模多頻段對(duì)終端產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)各部分產(chǎn)生的影響進(jìn)行詳細(xì)闡述。

3.1 基帶芯片

終端支持多模關(guān)鍵在于基帶芯片。通常，模式增加對(duì)基帶芯片成本略有提升，但是頻段增加對(duì)基帶芯片的面積和成本幾乎無(wú)影響，僅需要進(jìn)行軟件升級(jí)。

由于TD-LTE和FDD LTE在標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議層面存在約10%的差異(差異來(lái)自雙工方式，主要在物理層)，TD-LTE和FDD LTE共基帶芯片沒(méi)有技術(shù)門檻和難度。目前，所有LTE芯片廠家都已經(jīng)或?qū)⒅С諸D-LTE與FDD LTE共基帶芯片，只不過(guò)不同廠家的市場(chǎng)定位不同，同時(shí)針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的芯片實(shí)現(xiàn)架構(gòu)存在差異，所以實(shí)現(xiàn)TD-LTE和FDD LTE雙模融合的過(guò)程和進(jìn)度有所區(qū)別。

目前，基帶芯片廠商支持多模的主要挑戰(zhàn)在于對(duì)TD-SCDMA模式的支持。與TD-SCDMA芯片產(chǎn)業(yè)支持力度相比，TD-LTE芯片產(chǎn)業(yè)鏈更加壯大，包括傳統(tǒng)的TD-SCDMA芯片廠商、傳統(tǒng)的FDD LTE芯片廠商、傳統(tǒng)的WiMAX廠商以及國(guó)內(nèi)新興的芯片廠商。但是，具備TD-SCDMA研發(fā)經(jīng)驗(yàn)的廠商在整個(gè)TD-LTE芯片產(chǎn)業(yè)鏈中占比有限。考慮到基帶芯片的成本對(duì)終端整個(gè)無(wú)線通信模塊成本影響最大，為提升中國(guó)移動(dòng)TD-LTE/TD-SCDMA/GSM多模終端產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，后續(xù)應(yīng)加快整合TD-LTE和TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢(shì)資源，推動(dòng)更多的TD-LTE芯片廠家盡快推出含TD-SCDMA多模基帶芯片產(chǎn)品，擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)規(guī)模，降低基帶芯片成本。

3.2 射頻芯片

新的模式和頻段的引入對(duì)射頻芯片均會(huì)產(chǎn)生影響。眾所周知，射頻芯片架構(gòu)包括接收通道和發(fā)射通道兩大部分。對(duì)于現(xiàn)有的GSM和TD-SCDMA模式而言，終端增加支持一個(gè)頻段，則其射頻芯片相應(yīng)地增加一條接收通道，但是否需要新增一條發(fā)射通道則視新增頻段與原有頻段間隔關(guān)系而定。對(duì)于具有接收分集的移動(dòng)通信系統(tǒng)而言，其射頻接收通道的數(shù)量是射頻發(fā)射通道數(shù)量的兩倍。這意味著終端支持的LTE頻段數(shù)量越多，則其射頻芯片接收通道數(shù)量將會(huì)顯著增加。例如，若新增M個(gè)GSM或TD-SCDMA模式的頻段，則射頻芯片接收通道數(shù)量會(huì)增加M條；若新增M個(gè)TD-LTE或FDD LTE模式的頻段，則射頻芯片接收通道數(shù)量會(huì)增加2M條。LTE頻譜相對(duì)于2G/3G較為零散，為通過(guò)FDD LTE實(shí)現(xiàn)國(guó)際漫游，終端需支持較多的頻段，這將導(dǎo)致射頻芯片面臨成本和體積增加的挑戰(zhàn)。

為減小芯片面積、降低芯片成本，可以在射頻芯片的一個(gè)接收通道支持相鄰的多個(gè)頻段和多種模式。當(dāng)終端需要支持這一個(gè)接收通道包含的多個(gè)頻段時(shí)，需要在射頻前端增加開(kāi)關(guān)器件來(lái)適配多個(gè)頻段對(duì)應(yīng)的接收SAW濾波器或雙工器，這將導(dǎo)致射頻前端的體積和成本提升，同時(shí)開(kāi)關(guān)的引入還會(huì)降低接收通道的射頻性能。因此，如何平衡射頻芯片和射頻前端在體積、成本上的矛盾，將關(guān)系到整個(gè)終端的體積和成本。