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4G部署:多模的极致效用?
 

【作者: Joe Cozzarelli, Mahendra Singh】2011年01月24日 星期一

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过去几个月随着HTC EVO 4G及Samsung Galaxy S系列的Epic 4G相继上市,显现美国的手持装置已开始朝4G迈进。然而,市场上到底会有多少「真正 4G」的连线,其实是定义上的问题。


4G现在或许只是销售手机的行销话题,但是4G未来几年能够达到绝佳的资料传输效用,因为多媒体资料毕竟需要宽频进行传输,而且未来势必分阶段过渡到新一代技术。虽然在可预见的未来,很可能仍会以3G网路传输语音,不过,这不表示未来几年中不会有众多的用户使用4G功能的手持装置。


《图一 在宽带单点对多点网络中运用WiMAX,针对众多应用程序提供宽带存取,大多为固定装置之间的通讯所使用。》
《图一 在宽带单点对多点网络中运用WiMAX,针对众多应用程序提供宽带存取,大多为固定装置之间的通讯所使用。》

4G的定义其实可以非常简单:利用WiMAX或LTE等无线网络传输资料。在美国,Sprint拥有最广为人知的WiMAX网络,并透过资料卡及硬体锁提供笔记型电脑进行连线服务。 Verizon则在2010年下半年部署LTE。 Motorola也在宽频单点对多点网路中运用WiMAX,针对众多应用程式提供宽频存取,大多为固定装置之间的通讯所使用。


进入4G行动世代

经过多年的等待,采用WiMAX规格的4G手机终于在美国普遍上市。根据Sprint预估,该公司的WiMAX基础架构于今年底之前在美国覆盖的区域将高达1亿2千万用户。 Sprint所拥有的Clearwire负责处理2.5 GHz频带的WiMAX基础架构。只要在WiMAX涵盖的范围内,Sprint都将提供混合性资料服务,而在WiMAX不可及之处,则将调降为3G的速度。


目前尚未有商业用途的LTE网路,LTE的技术进程至少落后WiMAX两年的时间,因此将是未来几年的发展重点。在北美地区最可能的部署用途主要是供语音使用的美国地区个人通讯系统与手机频带 (分别为850MHz及1.9 GHz),以及 LTE资料传输使用的700 MHz频带。值得注意的是,该标准足供行动电话制造商加入LTE功能,因此在基础设施就绪后,便会有立即使用的用户群。


然而为何当今仍有许多人使用硬体功能尚未完全开通的4G功能手持装置?


其原因在于,对于电信业者而言,部署手持装置远比建置LTE及WiMAX所需的全新基础设施更为容易。同样值得高度期待的是,一旦基础架构设置就绪,就会有庞大的用户群,尤其真正的4G功能很可能是资料传输资费方案的最顶级服务。事实上,Sprint 已经开始收取4G资料服务的费用。


多模多频的前景

在无线通讯产业中网路的涵盖率直接影响了用户的忠诚度:在特殊地区达到最佳覆盖率的网路将拥有忠诚度最高的用户。同样的,4G也是如此,不过这其中有新的挑战:一支手机必须同时支援WiMAX及LTE两种规格,用户才能在另一个电信业者的服务区域中漫游时使用4G资料服务。


这项新功能必须整合现今符合CDMA及GSM网路规格的多模手机。这两种技术囊括了许多增强型标准,使产业从2G转型为3G。


这是许多半导体业者需要思考的问题。若将必须支援的所有手机标准及频率逐项列表,内容将相当可观。


半导体厂商是否需要因应如此的挑战?对于执行复杂的演算法实作这些标准的基频晶片而言,答案显然是肯定的,这主要是由于制程方面的提升促使愈来愈多的电路整合于日益缩小的晶片中。许多基频晶片制造商均已宣布推出 WiMAX/LTE晶片组。


RF 挑战

然而对于讯号链的RF部份而言,绝非轻而易举就能解决问题,原因在于许多频带必须支援RF,而且无线传输的复杂波形需要处理成基频数位晶片了解的位元及位元组。


4G能够引进一波新厂商以及许多寻求拓展新市场的既有IC公司。事实上,RF讯号链的高效能晶片是拥有多年丰富经验的专业半导体厂商所成就的产品及大量系统知识。


功率放大器需要耗用大量的电源,因此对于电池使用时间有相当程度的影响,这对于许多使用者而言是相当重要的问题。这一点也呈现出WiMAX及LTE两者之间略微不同的差异。



《图二 在美国,Sprint 已经开始收取4G数据服务的费用。》
《图二 在美国,Sprint 已经开始收取4G数据服务的费用。》

PA对于决定任何无线装置的RF讯号链效率具有关键性作用。由于WiMAX及 LTE均使用进阶讯号机制来达到宽频资料传输速率,因此PA的功用对于4G系统愈形重要。


失真、线性及效率

讯号失真会导致许多负面影响,包括连线中断、资料传输速率降低及传输范围缩小等。为了有效降低失真程度,PA通常在低于功率上限的线性范围内运作。峰均功率比(PAR)是讯号机制判断效能的重要指标,然而,对于PA而言,PAR的影响在于限制了PA运作效率的限度。


LTE与WiMAX均采用OFDM讯号,因此,相较于单一载波讯号机制或什至 Wi-Fi之类的其他OFDM型机制,需要较高的线性。 WiMAX标准需要多种调制格式的支援,所以PAR在宽频全球区域网路中大于14dB,这表示PA设计的运作效率为25%的程度。


另一方面,LTE的PAR为6 dB,这表示PA的运作效率可达到35%的程度。虽然并非所有的PA都有相同的先天条件,不过其中某些确实能够达到更好的功用。采用最佳的半导体制程能够使 PA 的效率更接近理论限度。 PA 设计也同样重要,而波峰因数减少及前向馈送等之类的线性化技术过去也曾用来减轻高 PAR对于功率效率造成的负面影响。


对于为了解决电池使用时间的问题而受到延迟的 WiMAX上市时程而言,特别需要运用各种可能的解决方案。过去的经验让我们了解到,设计人员的原创力实际上是不可限​​量的,因此总有技术能够解决问题。可以预期的是,解决问题需要 PA其他的附加功能,这也正是为何在进阶制程技术及PA设计方面拥有长年经验的厂商能够造就出合乎手机制造商预期的最佳4G合作伙伴。


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