4G Rollout: Multimode to the Max?

Joseph Cozzarelli, ANADIGICS寬帶射頻產品事業部資深主管

Mahendra Singh, ANADIGICS無線射頻產品市場及應用事業部主管

    幾個月前，HTC的EVO 4G和三星Galaxy S系列的Epic 4G正式在美國亮相，拉開了手持設備向4G過渡的序幕。然而，究竟有多少真正意義上的4G應用，這就要我們如何來界定。

    目前，4G可能只是手機銷量的催化劑，但在接下來的幾年里，4G至少會專門用來承載數據，這是因為：(1) 多媒體數據畢竟是寬帶需求的主要來源 (2) 和過去一樣，到下一代網絡前一定會有一個過渡期。在可預見的未來，3G網絡可能會被用來傳輸語音。

    但是，這并不意味著在未來幾年不會有大量用戶購買具備真正4G技術的手持設備。

    關于4G，較準確而簡潔的定義是：通過采用WiMAX或LTE實現無線鏈路傳輸數據的技術。在美國，Sprint公司擁有較知名的WiMAX網絡，其針對的筆記本電腦與網絡的鏈接是通過數據卡和USB型數據卡得以實現的。而Verizon公司正計劃在2010年下半年部署LTE。此外，摩托羅拉公司也同樣將WiMAX技術應用于寬帶領域，點對多點的網絡支持寬帶接入技術的系列應用。

步入4G移動時代

    歷經多年等待之后，4G手機終將于2010年風靡美國──至少在WiMAX相關技術方面。Sprint公司預計，到今年年底，其WiMAX網絡設施將覆蓋約1.2億美國用戶。Sprint公司的WiMAX網絡設施（運行頻帶為2.5GHz）由其子公司Clearwire負責實施。無論在何處接入WiMAX，Sprint公司都會在無法使用WiMAX的區域提供3G網絡服務的混合數據服務。

    到目前為止還沒有商用LTE網絡。LTE落后WiMAX至少兩年，因此，在未來幾年，其應用前景仍不明朗。在北美，較可能出現的部署情況是：美國PCS及Cell頻帶（分別為850MHz和1.9GHz）主要用于語音通信，700MHz頻帶用于LTE數據傳輸（如果其可用）。然而應當指出的是，要使手機制造商在設備中加入LTE功能，以便網絡設施就緒后運營商就能立即擁有一批客戶群，只有該標準還遠遠不夠。

    既然如此，我們為什么要購買現在還無法使用的4G手機呢？

    對運營商而言，發展手持設備比建造LTE和WiMAX所需的新網絡設施要簡單得多，且擁有非常高的成本效益。在網絡設施就緒后立即擁有龐大的用戶群，這一舉措也是相當有利的，特別是當真正的4G很可能成為收費計劃中數據部分的優質業務。事實上，Sprint公司已經開始對其4G數據業務進行額外收費了。

多模、多樣化與未來

    在無線世界里，客戶忠實度與網絡覆蓋范圍緊密相連：在某一特定區域擁有較佳覆蓋范圍的網絡將贏得較忠實的客戶。這對于4G同樣適用，它帶來了一個新的挑戰：一部手機必須同時支持WiMAX和LTE兩個標準，從而使客戶在漫游到其他運營商網絡覆蓋區域時仍可享受4G數據服務。

    將這種理念應用到今天的多模手機中，使其既能訪問CDMA網絡，又能訪問GSM網絡。這兩項技術已包含多種增強標準，引領業界從2G步入3G。

    對于半導體來說，這在相當程度上是個不小的考驗。事實上，所有必須支持的蜂窩標準和頻率也相當令人困惑。

    半導體廠商準備好迎接挑戰了嗎？就執行復雜算法以實現此類標準的基帶芯片而言，答案顯然是“沒問題”，這主要歸功于工藝的改進，使越來越多的電路能夠集成到越來越小的芯片上。目前，已有多家基帶芯片制造商推出了WiMAX/LTE芯片組。

RF方面的挑戰

    相比之下，信號鏈中RF部分的道路卻并不平坦，因為它必須支持多個頻帶，并負責將在空中傳播的復雜波形處理成基帶芯片能夠理解的“比特和字節”。

    4G技術可能會為新供應商和正在尋找新市場的老牌IC公司帶來眾多商機。然而，RF信號鏈中的高性能芯片卻是多年經驗、專用半導體工藝及大量系統知識的結晶。

    功率放大器（PA）是極其耗電的部件，它會對電池持續時間產生極大影響，這也是眾多用戶非常關注的問題。另外，它還會突出WiMAX與LTE之間的根本差異。

    對于任何無線設備而言，PA在的RF信號鏈的效率中所扮演的角色至關重要。鑒于WiMAX和LTE用于獲取寬帶數據傳輸速率的先進波形編碼，PA的作用在4G系統中變得更為重要。

失真、線性與效率

    信號失真會帶來許多負面后果，比如掉線、糟糕的數據傳輸率以及覆蓋范圍縮小。為盡量減少失真，PA通常在低于較大功率且能夠正常傳輸數據的某個線性范圍內工作。峰均功率比（PAR）是一個重要的性能指標，它在很大程度上取決于信號波形方式。PAR對于PA的重要性在于其限定了PA的運行效率。

    LTE和WiMAX都采用了正交頻分復用（OFDM）調制方式，與單載波信號波形乃至其他基于OFDM的信號（如Wi-Fi）相比，它需要更高的線性。WiMAX標準要求支持多種調制格式，因此，其上行鏈路中的PAR需要大于14dB。而這會嚴重影響PA的設計，導致運行效率處于25%的范圍內。

    另一方面，LTE的PAR為6dB，這意味著PA可在35%的效率范圍內工作。但需要注意的是，并非所有PA都相同，有一些PA會比其他PA做得要好一些。

    一方面要滿足高數據輸出的要求，另一方面還要兼顧高線性方面的需求，這就要求必須采用先進的半導體工藝，比如ANADIGICS所用的InGaP異質結雙極晶體管（HBT）工藝。

    采用較佳半導體工藝可使PA的效率接近理論較大值。PA的設計亦十分重要，采用線性化技術，如已經投入使用的峰均值衰減和前饋均衡等技術，可減輕高PAR對功效造成的負面影響。

    對于WiMAX而言，嘗試所有可能的解決方案尤為重要，因為這利于避免因電池持續時間而拖延其上市時間。以往的經驗告訴我們，設計師的聰明才智是無限的，技術改進亦是如此�？梢灶A見的是，改進可能需要PA具有一些額外的功能，這就是為什么在先進工藝技術和PA設計方面擁有豐富經驗的供應商之所以會成為手持設備制造商所期望的較佳4G合作伙伴的原因。