4G互通的代价 5模4G手机设计技术解析

　　从2013年4G网络刚刚兴起时提出5模概念，到2013年年底受制于芯片技术以及推动干元智能手机发展而放宽3模手机的发展，再到今年5月重新强调5模手机的必要性。中国推动4G网络发展最为积极的中国移动，在4G手机制式要求上曾经出现反复摇摆，令终端厂商和很多手机用户都显得无所适从。究竟什么是5模手机？5模手机对于芯片、终端的设计制造提出了怎样的要求？对于这些问题，我们将通过本文进行解读。

　　5模手机从何而来

　　所谓的5模手机，就是支持5种移动通信制式的手机。从2G到4G，目前全球共有6种移动通信制式正在使用，分别是GSM、CDMA、WCDMA、TD-SCDMA、FDD-LTE以及TD-LTE。在3G时代，3大运营商分别坚持CDMA2000、WCDMA以及TD-SCDMA三种制式，彼此仅能依靠GSM制式来实现通话功能的互通。进入4G移动通信时代之后，国内的三大移动运营商首先均获得了TD-LTE牌照，同时在FDD-LTE牌照方面也可能利益均沾。再加上在国际上FDD-LTE制式的应用更加广泛，这就对智能手机的跨网、跨制式使用提出了要求。

　　在这种情况下，以TD-LTE为主打的中国移动，基于目前网络的现状首先提出了5模手机的设计要求，规定在5月份送测的移动定制手机中除了CDMA之外，其他5种制式需要全部予以支持。中国联通和中国电信不必考虑TD-SCMDA制式的问题，因此分别也有联通4模CSFB方案：GSM、WCDMA、FDD-LTE、TD-LTE，8个频段；以及电信4模SVLTE和SRLTE7频方案：GSM、CDMA、FDD-LTE、TD-LTE。

　　目前在国内，中国移动的网络采用GSM、TD-SCDMA、TD-LTE三种制式，欧美国家普遍部署的移动网络为GSM、WCDMA和FDD-LTE三种制式，为了满足数据漫游的需要，中国移动要求定制的4G手机支持WCDMA和FDD-LTE。这样一来，中国移动定制4G手机需要支持5种制式，也就是5模，需要支持的频段达到了13个，远期更是达到了15个。13频为GSM900/1800/-1900．WCDMABl/B2/B5、TD-SCDMAB34/B39、FDD-LTEB3/B7、TD-LTEB38/B39/B40，15频则增加了GSM850和TD-LTEB41频段。

　　目前能开放提供5模芯片方案的芯片供应商主要有四家，分别是高通(Qualcomm)、美满科技(Marvell).英特尔(lntel)和联发科(MTK)，其中高通的方案最为成熟，也是目前市场的主流设计方案。美满科技受制于基带芯片的能力，主要面向低端的LTE手机市场。英特尔的x86方案目前采用的厂家很少，不是市场主流。联发科独有的交钥匙开发模式导致自家芯片方案的开发时间延长，目前其LTE芯片并没有大规模铺货。至于国内的中兴和华为，其5模芯片主要供自家产品内部使用，并没有对外销售。

　　高集成的芯片技术门槛

　　在智能手机设计中，移动通信制式是由协议处理的子系统决定的，与基带芯片、操作系统没有相关性。前一段时间小米3出现的“芯片门”问题中，高通S800系列的MSM8274AB芯片和MSM8974AC芯片只在协议处理子系统和采用的射频芯片上有区别，芯片的其他部分完全相同。

　　由于国内手机厂商此前一段时间的主要竞争点在硬件的基本配置上，如：主芯片为4核或者8核、GPU性能以及安兔兔跑分成绩等，这些配置和性能与手机的制式并不相关，导致国内厂商并不重视和手机制式相关的射频类和协议类工程师的培养。协议类工程师和射频类工程师的培养更困难，成长速度也更慢，国内厂商并不愿意在一个见不到眼前效益的方向进行投资。

　　在2G和3G时代，国内厂商采用的设计方案一般类似于MTK的方案，协议和射频问题由方案提供商解决，采用高通芯片的厂家也由于通信制式较为简单，储备的此类工程师也不多。但是在4G时代，手机的制式和支持的频段爆发式增长，凸显了国内厂商的这一短板。现在能大规模提供5模芯片的供应商只有高通一家，高通方案的特点是高技术成熟度、低产品化，并且射频方案非常灵活，由此带来了使用高通方案设计成熟化产品的高难度，国产智能手机厂商已经感受到越来越高的技术门槛。

　　具体到5模手机设计方面，以高通S800系列方案为例。我们假设要推出支持移动5模方案的MSM8974AC芯片手机，那么相对与MSM8274AB芯片的联通版手机，其在软件上的修改主要体现在移动对于定制手机的要求，包括协议和UI部分。

　　2G-4G协议已经由软件芯片方案提供商完成，不需要手机厂商进行开发，这里的协议主要是指根据运营商的需求对各芯片供应商的软件进行调整，也包括射频元器件的驱动软件开发。关键是在硬件方面，需要增加对多个频段的支持。如果产品的基本外观设计不做改变，那么要在手机内部放置更多的元器件来支持更多的频段，首先遇到的是原理图设计的问题，射频部分的原理图需要增加相应的频段，为了节省成本，需要考虑频段的共存。

　　其次是PCB电路设计问题，需要放下增加的元器件，而体积不能变化；增加的器件主要是射频器件，射频通路在PCB板上如何走线有非常严格的要求，通路的增加意味着难度的几何级增长。第三是热设计的问题：通常手机的发热来自于四个部分．主芯片、射频的功率放大器、充电时的电池和电源管理芯片；我们需要在单位体积不变的情况下布置更多的射频功率放大器，这些发热器件的排列组合需要多次热仿真来完成。第四是天线的设计，4G需要容纳更多的频段和更多的制式，主天线需要同时支持的频段数量使设计的难度由量变上升到了质变的程度。第五是射频的电路匹配，每个射频通路要达到信号发射的效率就需要进行元器件规格的匹配。第六是解决互扰问题，频段更多意味着类似于显示屏的总线等干扰射频通路的机会增加，在遇到互扰问题的时候很难确定是哪些总线造成的影响。

　　总之，4G手机的设计难度远高于之前的手机，多种制式兼容的5模4G手机更是如此。各个厂商在3G时代手机开发的短板需要迅速补齐，才能在4G时代参与到更深层次的手机市场竞争中。中国移动定制的5模手机由于需要容纳更多的制式和频段，难度要高于联通和电信的定制手机，这意味着同样档次的手机需要更高的成本，产品设计难度更高，以及更少的产品型号。

　　5模手机设计方案解析

　　目前高通的5模芯片方案最成熟，也是目前4G手机市场最主流的设计方案。下面，我们就以高通的5模4G设计方案为例，介绍—下目前比较成熟的两种5模手机设计方案。

　　CSFB方案

　　LTE是一种全分组交换网络，也就是说LTE网络是全数据网络，并不支持语音通路。LTE协议在提出的时候也提出了基于VOIP的VoLTE语音方案，但是目前采用的运营商很少，技术成熟度不高，实现成本也很高。为了实现语音通话功能，同时保护运营商已有的投资，目前支持4G的运营商普遍选择采用CSFB(CircuitSwitchedFallback，电路域回落)方案。

　　CSFB方案的核心是4G网络待机，有语音业务时手机回落到2G网络完成通话，如果当前在3G网络待机，则语音和数据都在3G下完成。CSFB方案的优点是手机的设计相对简单，缺点也很明显：由于在通话时需要进行2G/4G之间的网络切换，通话和挂断时重新搜索2G或4G网络，手机会有严重的停顿，而且需要对核心网进行升级，才能做到根据实时需要进行网络切换。这种设计方案只需要一颗射频芯片，但是由于需要支持多个频段，外围器件非常复杂。在实际设计中，频率相近的频段可以采用同一通路设计，如GSM850和GSM900采用同—发射通路和接收通路，WCDMA的B2和GSM1900采用同一接收通路；但是由于时分信号(GSM)与码分信号(WCDMA)的发射有很大不同，因此即使频率相同也不能使用同一发射通路。总体来说，在5模13频手机设计中，共有9个发射通路，10个接收通路和5个分集接收通路。而在LTE的设计部分，为了提高下载速度，要求必须有分集接收功能，因此单独为LTE增加了5路分集接收通路。

　　SGLTE方案

　　另一种SGLTE(SimultaneousGSMandLTE，GSM/LTE同步并发)方案是中国移动提出的设计方案，在这个设计方案中使用了2颗射频芯片。其中，GSM通路在第二颗射频芯片上，GSM实现语音通话功能；第一颗射频芯片支持其他制式，实现数据功能，从而可以实现在通话的同时上网浏览。在之前提到的CSFB设计中，由于语音通话时占用了射频芯片，数据上网功能无法同时使用。而在SGLTE的设计方案中，手机在两个通路上分别支持2G和3G/4G，对于网络端没有特别的要求，不需要对当前的核心网进行升级。

　　SGLTE虽然有很多优点，但是最大的缺点是手机的设计复杂性比GSFB手机高，成本自然也更高。首先是增加了一颗射频芯片，PCB布板有更高的要求；其次是需要增加一个GSM天线，比GSFB手机增加一个天线，此时主天线的设计难度并没有降低；最后，GSM天线和圭天线由于是同时工作，存在着互扰的问题，如果设计不当会严重降低手机的接收信号强度。

　　写在最后

　　任何事情都有两面性，5模手机的要求也是如此。其实，围绕这个话题一直都存在很多争论。

　　首先，从根本技术上，5模手机已经可以同时兼容中国移动和中国联通的3G/4G网络以及中国电信的4G网络；但是从过往的历史来看，5模手机依然会被运营商限制而不能自由转网，运营商之所以提出多模概念，更多是为了满足国际漫游的需要。但是，有没有必要为了可能的漫游需求而增加额外的购机成本，消费者可能会有不同的答案。

　　其次，对于手机厂家来说，WCDMA的专利费用也是非常昂贵的负担，这一切仅仅只是为了完成漫游到WCDMA网络下的数据连接功能。事实上，数据漫游费如此昂贵的情况下有多少人会使用还值得商榷，更何况还有日渐普及的免费Wi+i网络以及双卡双待的模式可供选择。

　　第三，5模手机给国内芯片厂商和终端设备厂商设置了太高的门槛。移动的这一要求除了对掌握WCDMA大部分专利的高通有利，直接打击了移动产业链上的其他所有厂商。芯片方案方面，强制要求5模让高通在专利方面的影响力进一步扩大。正如我们现在所看到的，除了高通全面开花、Marvell在中底端市场尚有作为、华为麒麟系列在今年上半年逐渐成熟外，甚至连MTK的多模芯片都距离终端普及尚有一段距离。终端设备方面，中国移动在3模、5模上的摇摆，让很多实力较弱的国产手机厂商难以适从，因为一款智能手机的研发过程都相当长，几个月的时间里可能最初立项的产品还没有开始销售就已经过时。不过，5模手机的高门槛也让目前纷乱的国内智能手机市场开始了加速洗牌，没有足够技术积累的厂商将更加难以生存，而中兴、华为、酷派等厂商在4G时代的竞争优势将进一步加大。

　　总的来说，尽管有诸多争论；但是5模手机终究都是4G时代不可逆转的趋势。5模手机如果被强制成产品规范，似乎更有利于移动产业的成熟。在TD-LTE和FDD-LTE两种4G网络制式同时共存的情况下，5模手机更有利于实现终端与服务商网络之间的跨越。