都是5G网速最多差3倍!毫米波到底是个什么鬼!

随着高通、海思、三星和联发科纷纷祭出新一代5G SoC,智能手机的联网体验即将拉开新的篇章。然而,细心的朋友不难发现一个问题――都是5G SoC,它们的最大下行速度却存在最高3倍的差距,是什么原因导致了5G网速的失衡呢?

下行速率的3倍之差

联发科在发布天玑1000时,曾称其是“全球最快5G单芯片”,理论最高(峰值)下行速率可达4.7Gbps。

作为对比,以骁龙855(外挂骁龙X50基带)和麒麟990 5G(集成巴龙5000基带)为代表的第一批5G Soc的最高下行速率却只有2.3Gbps。

2019年12月初,高通发布了骁龙765和骁龙865两款5G SoC。令人意外的是,哪怕是定位中端的骁龙765也拥有3.7Gbps的理论最高下行速率,而骁龙865更是可以实现高达7.5Gbps的下行速率,是第一批5G SoC的3.2倍!

都是5G SoC,为啥天玑1000比麒麟990 5G快,而骁龙865又能秒杀天玑1000呢?难道5G SoC的网速是发布越晚性能越强吗?

答案自然是否定的,这个问题我们可以从高通总裁Cristiano Amon在2019年高通骁龙科技峰会上的一张PPT上看出端倪――“Sub-6+mmWave is real 5G”,只有同时支持Sub-6和毫米波才是真正的5G。

但在正式介绍Sub-6和mmWave之前,我们还需了解一些关于5G网速的知识。

5G网速到底怎么看

我们以Exyno 980为例,看看三星官网对这颗SoC网络性能的描述,它支持3种网络模式,不同模式下的网速都是不一样的。

5G NR Sub-6GHz 2.55Gbps(DL)/1.28Gbps(UL)

这一行信息是指Exyno 980在Sub-6G(5G标准频段)下,其理论最高下行速率(DL)为2.55Gbps,理论最高上行速率(UL)为1.28Gbps。在这个模式下,Exyno 980的网络性能其实是和骁龙855+骁龙X50和麒麟990 5G差不多的;

LTE Cat.16 5CA 1Gbps(DL)/ 2CA 200Mbps(UL)

这一行信息是指Exyno 980在传统4G网络环境下,理论最高下行/上行速率分别为1Gbps(LTE Cat.16)和200Mbps(Cat.18);

EN-DC 3.55Gbps(DL)/1.38Gbps(UL)

这一行信息是指Exyno 980支持5G双连接(EN-DC)技术,在4G和5G网速叠加状态下的理论最高下行/上行速率分别为3.55Gbps和1.38Gbps。

通过表1可见,联发科天玑1000在Sub-6G频段下最高下行速度是4.7Gbps,比Exyno 980在5G双连接的速度还要快,这是为什么呢?

答案很简单,无论是骁龙855+骁龙X50、麒麟990 5G还是Exyno 980,它们都不支持Sub-6G频段下的载波聚合(Carrier Aggregation,简称CA)技术,网络带宽只有100MHz。而天玑1000则支持双载波聚合(2CA),可以将2个100MHz的载波进行聚合,从而实现对于200MHz带宽的利用,不仅可以将5G终端的5G信号覆盖提升30%,上下行速率也因此提升了一倍,即从竞争对手的下行2.5Gbps4.7Gbps,上行1.2Gbps2.5Gbps。

载波聚合技术是指通过将多个连续或非连续的载波(Component Carrier,简称CC)聚合成更大的带宽,从而提高频谱资源利用率,提升上下行速率,给用户带来更好的体验。载波聚合技术在4G时代就已经有了比较广泛的应用,此前的4G+也正是通过载波聚合技术来实现的。

据悉,中国联通和中国电信此前已经宣布在5G方面进行共建共享。根据双方达成的《5G网络共建共享框架合作协议书》内容显示,双方将全国范围内针对3.5GHz的200MHz 5G频段(3400MHz-3600MHz)进行共建共享。这意味着未来支持载波聚合技术的5G SoC将大有用武之地。

而5G SoC到底支不支持5G载波聚合技术,我们可以登录芯片品牌的官方网站查询,通过骁龙765和骁龙865的对比就不难发现只有后者才支持200MHz带宽的双载波聚合技术。

需要注意的是,巴龙5000和骁龙X50基带其本身是支持载波聚合技术的,只是当它们与麒麟990和骁龙855组合后,出于成本和定位的考量,海思和高通都取消了SoC对这一技术的支持。

5G网络的两大频段

我们都知道,无线通信就是利用电磁波进行通信。频率是电磁波的重要特性,不同频率的电磁波有着不同的特性,也因此适用于不同的领域。比如,3kHz~30kHz属于超长波(频率越高波长越短),主要用于超远距离的导航通信,而0.3MHz~3MHz的中频到3GHz到30GHz的超高频则可用于移动通信。

从1G到2G、3G再到4G,不同时期的移动网络锁划分的电磁波频率越来越高,其背后是为了满足更高传输速率的需要。各个国家/地区、各个运营商在有限的频率分配背后涉及到巨大的利益纠葛,当年很多“全网通”手机都主打“5模”(TD-LTE、FDD-LTE、TD-SCDMA、WCDMA、GSM)、“13频”、“17频”……“32频”,所支持的频段越多则可兼容更多国家和地区的运营商网络,翻译过来就是“走到哪都有信号”,限于篇幅本文我们就不针对网络频率的具体分配展开介绍了。

5G时代,3GPP在标准中对5G的频率做出了规定,将其划分为2大部分。其中频率在6GHz以下(450MHz~6GHz)定义为Sub-6频段(又称FR1频段),而24.25GHz~52.6GHz的部分就属于mmWave频段,也就是我们常说的“毫米波”频段了(又称FR2频段)。

和2G/3G/4G时代相同,无论是Sub-6频段还是毫米波频段又被不同国家和地区的运营商“瓜分”。可以预见,未来的5G手机也有“x模x频”之别,想实现真正的“全球通”需要购买支持更多Sub-6和毫米波频谱的手机。

全球毫米波频谱现状

作为一款定位中端的5G SoC,高通骁龙765在不支持载波聚合技术时就能实现接近天玑1000的下载速度,骁龙865和Exyno 990的下行速率也能3倍于麒麟990 5G等竞品,支持的毫米波技术就是它们实现更极致5G网速的关键因素。

实际上,无论骁龙X50还是巴龙5000基带,它们本身也是支持毫米波的。华为在2019年初公布巴龙5000的性能数据为Sub-6GHz频段最高4.6Gbps(需搭配双载波聚合技术),毫米波频段可达6.5Gbps。

可惜,当它们与骁龙855和麒麟990联姻后,毫米波也随载波聚合技术一起出局了。

深入了解毫米波

毫米波,即波长在1mm到10mm之间的电磁波,通常对应于30GHz至300GHz之间的无线电频谱。相较于Sub-6频段的4G/5G拥挤的网络资源,高频率的毫米波在通信上鲜有干扰源,电磁频谱极为干净,信道非常稳定可靠,频谱资源也更加丰富,可以分配给运营商许多连续的高质量频带。

毫米波最大的优势还表现在提供了与光纤相当的带宽传输潜力,同时也避免了部署有线光纤的成本和后期维护挑战。基于Sub-6频段的4G LTE网络最大带宽是100MHz,数据传输速率不超过1Gbps,需要集成多个载波才能实现更高的系统带宽。

毫米波频段的5G网络可用带宽为400MHz,数据传输速率最高可达到10Gbps甚至更多。可见,下行速率刚刚超过7Gbps大关的骁龙865和Exyno 990还没有“吃透”毫米波,它们还大有潜力可挖。

可惜,毫米波也存在很多先天缺陷:它的频谱容易衰减,无法传播到很远的距离。由于毫米波波长短,衍射能力不强,它对建筑物的穿透力几乎没有,还受限于很多环境因素影响。比如水分子对于这些频谱的吸收程度就很高,下雨时或穿过树木、家具和人体时信号的衰弱非常快。

毫米波之所以没能在第一时间普及,就好像SA(独立组网)晚于NSA(非独立组网)一样。Sub-6是在全球范围内普及度最高,兼容性最好的频段,所以绝大多数国家和地区都会优先部署Sub-6基站,毫米波在短期内难有大规模的商用工程。换句话说,至少在未来的1年内,毫米波都不是5G应用中的“刚需”,所以才会出现基带支持但SoC却不支持的怪现象。

美国是推广毫米波力度最大的国家之一,因为该国家Sub-6的很多频段都被军方占用。此外,美国的地理环境是地广人稀,部署覆盖面积大,传输距离远的Sub-6基站反而会有浪费,集中在局部热点部署毫米波基站反而更加划算。

那么,毫米波的商业模式应该是怎样的呢?

简单来说,毫米波并不适合室外基站的大范围商用,它的局限性注定它只适用于体育馆、写字楼、大型商场等需要室内基站提供网络支持的场所。

在未来的5G时代,我们身边会出现更多基于波束成形技术和大规模MIMO(Massive MIMO)等技术(解决了其短距离的定向穿透能力)打造的“室内毫米波基站”,它们相当于一个个“超级Wi-Fi热点”,可为一定区域内的大量密集人群提供超高速、低时延、高可靠的移动网络,以往在万人体育场观看演出时手机没信号、经常断网的情况将成为历史。

总之,我们不要指望户外的基站信号塔可以释放毫米波的荣光,“室内毫米波基站”这种“小基站”才是毫米波普及的关键要点。同时,一款5G手机哪怕搭载了支持毫米波的SoC,要想支持这一功能也需要在内部加入豪华的Massive MIMO天线阵列。

问题来了,在寸土寸金的手机体内,加入Massive MIMO天线需要付出更多的研发和物料成本,以搭载骁龙765的Redmi K30 5G版为例,其天线规模已经比4G手机增加了1.4倍,但依旧不支持毫米波,可见这个技术背后所需要付出的代价了。

好消息是,高通已经针对毫米波推出了专用的QTM525天线模组,它是一套完整的、可与骁龙X55基带芯片搭配使用的射频解决方案,为支持6GHz以下频段和毫米波频段的高性能5G移动终端提供从调制解调器到天线的完整系统。QTM525可以直接嵌入到手机内部,省去复杂的传统天线布局,而且依旧可以将手机厚度控制到8mm以内,不会影响手机的便携性。未来,这种模块化的毫米波天线模组有望成为主流。

毫米波是能为5G手机提速的关键技术,但它仅适用于室内或体育馆等场所,而且短期内还看不到普及的契机,哪怕5G SoC支持,搭载它的智能手机在没有搭配专用天线阵列时也无缘享用。但是,毫米波又是未来的发展趋势,我们自然希望每一款5G芯片和手机都能对其加以支持,只是现阶段还不值得我们为它加价买单――支持最好,不支持也莫要强求。

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