Verstehen Sie die geheimnisvolle 5G-Funkfrequenztechnologie in einem Artikel: Ihre Komplexität ist erschreckend und vergleichbar mit der des Basisbandes.

Mobiltelefone sind als Standardausstattung im mobilen Internetzeitalter in unseren Alltag eingezogen. Mit ihnen können wir chatten, einkaufen, Fernsehsendungen nach Belieben ansehen und ein wunderbares Leben genießen.

Da Mobiltelefone so wichtig sind, wird der Entwicklung der zugehörigen Technologien große Aufmerksamkeit geschenkt. Bei jeder Markteinführung eines neuen Produkts berichten die Medien ausführlich darüber, und in den sozialen Netzwerken entbrennen hitzige Diskussionen.

Die Aufmerksamkeit der meisten Menschen bei Mobiltelefonen richtet sich jedoch auf CPU, GPU, Baseband, Bildschirm und Kamera. Dabei gibt es eine ganz besondere Komponente, die für Mobiltelefone extrem wichtig ist, der aber nur wenige Beachtung schenken.

Welcher Teil ist es? Ja, es ist der Protagonist unseres heutigen Artikels – die Hochfrequenz.

▉Was ist Radiofrequenz?

Radiofrequenz, im Englischen Radio Frequency genannt (kurz RF), bedeutet wörtlich übersetzt „Radiofrequenz“. Radiofrequenzsignale bezeichnen speziell elektromagnetische Wellen im Frequenzbereich von 300 kHz bis 300 GHz.

Wie wir alle wissen, beruht die Kommunikation zwischen Mobiltelefonen und Basisstationen darauf, dass diese elektromagnetische Funkwellen senden und empfangen.

Eine Reihe von Schaltkreisen, Chips, Komponenten usw. in einem Mobiltelefon, die speziell für das Senden und Empfangen von elektromagnetischen Funkwellen zuständig sind, werden zusammenfassend als Hochfrequenzsystem oder kurz „Hochfrequenz“ (im Folgenden gleich) bezeichnet.

Funkfrequenz und Basisband bilden die Grundlage der Mobilfunkkommunikation. Betrachtet man die Kommunikation zwischen Mobiltelefon und Außenwelt als „Expressdienst“, so ist das Basisband für das Verpacken und Entpacken der Daten zuständig. Die Funkfrequenz dient dem Senden und Empfangen dieser Datenpakete im jeweiligen Funkfrequenzband.

Schematische Darstellung: Basisband links und HF rechts

Wie sieht eine Funkfrequenz aus? Das Bild unten zeigt das Layout der Vorder- und Rückseite der Hauptplatine eines bestimmten Mobiltelefonmodells.

(图片来自ABI Research)

Im Bild gehören die gelb eingekreisten Teile alle zum Hochfrequenzbereich. Man erkennt, dass Hochfrequenzkomponenten einen großen Anteil am Aufbau von Mobiltelefonen ausmachen.

Architektonisch betrachtet besteht ein vollständiges Hochfrequenzsystem aus drei Teilen: dem Hochfrequenz-Transceiver, dem Hochfrequenz-Frontend und der Antenne. Das HF-Frontend umfasst zudem diverse Komponenten wie Leistungsverstärker, Hüllkurvensensoren, rauscharme Verstärker, Filter, Antennenschalter und Antennentuner.

RF-Architektur

Die Funktionen der einzelnen Komponenten des HF-Frontends sind nicht kompliziert. Beispielsweise verstärkt der Verstärker das Signal, um dessen Reichweite zu erhöhen; der Filter entfernt Störungen und sorgt für ein „reines“ Signal; der Antennenschalter steuert das Öffnen und Schließen der Antenne; die Hauptfunktion des Antennentuners besteht darin, die Antenne optimal einzustellen, um die bestmögliche Sende- und Empfangsleistung zu erzielen.

Eine große Anzahl von Hochfrequenzkomponenten arbeitet zusammen, um den "letzten Schritt" abzuschließen und die vom Basisband "biu~biu~biu~" verpackten Daten zu übertragen.

Ist die Auslegung der Funkfrequenzanlage ungeeignet und die Leistung der Komponenten unzureichend, beeinträchtigt dies direkt die Sende- und Empfangsfähigkeit des Mobiltelefons und somit dessen Kommunikationsfähigkeit. Konkret äußert sich dies in einem schwachen Funksignal, einer geringen Reichweite und einer langsamen Netzwerkgeschwindigkeit.

Anders ausgedrückt: Ist die Funkleistung eines Mobiltelefons unzureichend, ist es wie ein Auto mit zu wenig Leistung. Egal wie ausgefeilt die anderen Funktionen sind, die Nutzer werden es nicht akzeptieren.

Deshalb legen Mobiltelefonhersteller bei der Entwicklung und Konstruktion von Mobiltelefonen in der Regel großen Wert auf die Funkfrequenztechnik, führen wiederholte Überlegungen durch und verifizieren diese, bevor sie es wagen, das Endprodukt auf den Markt zu bringen.

▉Herausforderungen im Bereich der 5G-Funkfrequenzen

Heute treten wir voller Zuversicht in das 5G-Zeitalter ein. Gibt es im Vergleich zum herkömmlichen 4G irgendwelche Änderungen im Funkfrequenzsystem von 5G?

Die Antwort lautet: Ja. Es gibt nicht nur eine Veränderung, es ist ein grundlegender Wandel.

Im Vergleich zu 4G hat 5G seine Leistungsindikatoren deutlich verbessert. Das eMBB-Szenario (Enhanced Mobile Broadband) von 5G erhöht die Mobilfunkgeschwindigkeiten auf Gigabit- oder sogar 10-Gigabit-Niveau, was dem Zehn- bzw. Hundertfachen der früheren LTE-Rate (100 Mbit/s) entspricht.

2G/3G/4G, plus 5G, plus MIMO (Mehrantennentechnologie), plus Dual-SIM-Dual-Standby, doppelte Anzahl an Antennen und unterstützten Frequenzbändern von Mobiltelefonen. In den Anfängen von 4G gab es weniger als 20 Frequenzbandkombinationen. Im Gegensatz dazu5G verfügt über mehr als 10,000 Frequenzbandkombinationen.Die Komplexität ist erschreckend.

Gleichzeitig darf die Dicke und das Gewicht von 5G-Mobiltelefonen nicht erhöht, der Stromverbrauch nicht erhöht und die Standby-Zeit nicht verkürzt werden, um sicherzustellen, dass die Nutzer bereit sind, ein Upgrade durchzuführen (tāo) (qián).

Wenn Sie ein Mobiltelefonhersteller wären, würden Sie dann durchdrehen?

Daher muss sich die Funkfrequenz von 5G-Mobiltelefonen neu erfinden und mit Nachdruck Wunder und Innovationen hervorbringen.

Wie lassen sich die Designprobleme von Hochfrequenzsystemen lösen? Qualcomm schlug einen Makroansatz vor und bot direkt ein „komplettes Modem- und Hochfrequenzsystem“ an. Allgemein versteht man darunter, dass Basisband, HF-Transceiver, HF-Frontend, Antennenmodul, Software-Framework usw. bereits enthalten sind und dem Hersteller eine Komplettlösung bereitgestellt wird.

Mit anderen Worten: Das Konzept für die Entwicklung von Endgerätekomponenten wie 5G-Mobiltelefonen muss die bisherige Vorstellung aufgeben, „ein Pferd auf dem Ostmarkt, einen Sattel auf dem Westmarkt, ein Zaumzeug auf dem Südmarkt und eine Peitsche auf dem Nordmarkt zu kaufen“ und sich auf einzelne Komponenten zu konzentrieren, und stattdessen eine integrierte Systemlösung auf „Paketdesign“-Ebene verfolgen.

Früher beispielsweise stellte Werk A die Basisbandkomponente her, Werk B die HF-Komponente, Werk C die Antenne, und Werk D für die Mobiltelefonherstellung entwickelte die Integration und Verbindung dieser Komponenten. Heutzutage entwickeln und verpacken große Hersteller Basisbandkomponente, HF-Komponenten, Antennen usw. direkt und liefern sie an die Mobiltelefonhersteller, sodass diese schnell einsatzbereit sind.

Die Integration auf Systemebene ist die unvermeidliche Folge der erheblichen Zunahme der Komplexität von 5G-Basisband und Hochfrequenz.

Es ist wie bei einem Zug. Früher waren die Geschwindigkeiten der grünen Lederwagen gering, und Wagenkasten und Lokomotive konnten separat konstruiert und gefertigt und dann zusammen eingesetzt werden. Im Zeitalter der Hochgeschwindigkeitszüge haben sich die Geschwindigkeitsvorgaben jedoch verdoppelt. Würde man weiterhin separat konstruieren und fertigen, ließe sich die Abstimmung zwischen Wagenkasten und Lokomotive nicht optimal gestalten. Dadurch wären nicht nur die angestrebten Geschwindigkeiten schwer zu erreichen, sondern es könnten auch Sicherheitsrisiken entstehen.

Deshalb werden Hochgeschwindigkeitszüge in der Regel einheitlich konstruiert und gefertigt.

Anders ausgedrückt: Angesichts der oben genannten anspruchsvollen 5G-Indikatoren ist eine ganzheitliche Konzeption von Basisband und Funkfrequenz unter dem Gesichtspunkt der Systemintegration erforderlich. Dadurch lässt sich eine optimale Software- und Hardware-Synergie erzielen und somit eine optimale Leistung (Datendurchsatz, Abdeckung usw.) gewährleisten.

Neben der Erreichung der Zielvorgaben trägt das integrierte Design auch zur Verkleinerung des Gesamtsystems und des Platzbedarfs des Mobiltelefons bei. Auch hinsichtlich Stromverbrauch und Wärmeableitung bietet das integrierte Design deutliche Vorteile.

Nicht zuletzt kann die Bereitstellung von Systemintegrationslösungen den Designaufwand für Mobiltelefonhersteller verringern, sodass diese Produkte schneller auf den Markt bringen und den Markt erobern können.

▉5G-Funkfrequenz-Technologie

Werfen wir einen genaueren Blick auf die interessanten, noch weitgehend unerforschten Technologien des systemintegrierten 5G-Funknetzes.

Zunächst einmal handelt es sich bei der ersten schwarzen Technologie um Breitband-Envelope-Tracking.

Als ich vorhin die Hochfrequenzarchitektur vorstellte, war darin ein Leistungstracker enthalten. Leistungstracker werden mit Leistungsverstärkern verwendet.

Der Leistungsverstärker ist die Kernkomponente der Hochfrequenztechnik. Er funktioniert wie ein Lautsprecher und wandelt leise Töne (Signale) in laute Töne (Signale) um.

Wer Trompete blasen will, muss ordentlich Kraft aufwenden (Energiezufuhr). Der Leistungsregler dient dazu, die Intensität (Leistung) des Trompetenblasens zu steuern.

Die traditionelle Blasmethode ist die APT-Methode (Average Power Tracking). Dabei bleibt die Blaskraft innerhalb eines bestimmten Zeitraums konstant.

Die Breitband-Envelope-Tracking-Technologie (ET) ermöglicht eine präzise Leistungsregelung. Das Basisband (Modem) kann den Envelope Tracker im Funkfrequenzbereich entsprechend den Signaländerungen steuern und so die Sendeleistung des Funksignals genau regeln.

Der Stromverbrauch bei der Hüllkurvenverfolgung ist deutlich geringer als bei der herkömmlichen Durchschnittsleistungsverfolgung.

(Bild von Qualcomm)

Auf diese Weise wird viel Kraft (Energie) gespart, der Stromverbrauch im Hochfrequenzbereich reduziert und die Standby-Zeit des Mobiltelefons verlängert.

Eine präzise Sendeleistungssteuerung ermöglicht Mobiltelefonen eine optimale Signalübertragung und damit eine bessere Kanalqualität. Im Zweiwege-Kommunikationsprozess zwischen Mobiltelefon und Basisstation kann die Basisstation bei verbesserter Kanalqualität bessere Uplink- und Downlink-Dienste, wie beispielsweise 2×2 MIMO, nutzen und eine stabilere Netzwerkgeschwindigkeit erreichen. Darüber hinaus schafft die bessere Kanalqualität die Voraussetzungen dafür, dass die Basisstation höherwertige Modulationsverfahren (wie 256QAM) für Mobiltelefone bereitstellt. Dies erhöht den Datendurchsatz und ermöglicht schnellere und bessere Datenübertragungsdienste.

Mehrere Generationen von Snapdragon 5G-Modems und RF-integrierten Breitband-Envelope-Trackern, die Qualcomm bereits auf den Markt gebracht hat, nutzen diese Technologie. Der neueste Breitband-Envelope-Tracker, QET7100, bietet eine um 30 % höhere Energieeffizienz als die fortschrittlichsten Produkte anderer Hersteller.

Die zweite von uns eingeführte innovative Technologie ist die KI-gestützte Signalverbesserungstechnologie.

Diese Technologie ist die neueste Innovation des Snapdragon X65 5G-Modems und des zugehörigen Funkfrequenzsystems, das erst im Februar auf den Markt kam. Es ist zudem das erste Mal in der Branche, dass innovative KI-Technologie in ein Mobilfunk-Funkfrequenzsystem integriert wird, um das Signal zu verbessern.

Kern der KI-gestützten Signalverbesserungstechnologie ist die Integration von KI-Technologie in das Antennenabstimmungssystem. Es gibt zwei Methoden der Antennenabstimmung: Impedanzanpassung und Aperturabstimmung.

Schauen wir uns zunächst die Impedanzanpassung an.

Die sogenannte Impedanzanpassung kann man sich als eine Art „Wasserrohr“-Arbeit vorstellen.

Die Verbindung zwischen den Komponenten des HF-Systems und der Antenne lässt sich mit der Verbindung zweier Wasserleitungen vergleichen. Stimmen die Impedanzen überein, passen die Positionen perfekt zusammen. Dann ist der Wasserdurchfluss am größten und die Signalstärke am höchsten. Verschiebt sich die Impedanz einer Komponente, verläuft die Wasserleitung unregelmäßig, der Wasserdurchfluss verringert sich und ein Teil des Signals geht verloren.

Es gibt viele Gründe für Impedanzänderungen, wie z. B. Berührungen mit der Hand, das Anschließen von Datenkabeln, das Anbringen von Handyhüllen usw. Selbst unterschiedliche Haltegesten (linke Hand, rechte Hand, eine Hand, zwei Hände) führen zu unterschiedlichen Impedanzen.

Bei der traditionellen Impedanzanpassungsmethode werden im Labor verschiedene Ursachen für Impedanzänderungen untersucht, um die Antennenkennwerte zu ermitteln. Anschließend werden die Hochfrequenzkomponenten über das Modem gesteuert, um die Impedanz so anzupassen, dass das Wasserempfangsrohr möglichst genau mit dem Wasserzulaufrohr ausgerichtet ist.

Die KI-gestützte Signalverbesserungstechnologie nutzt KI-Algorithmen, um Big-Data-Analysen und maschinelles Lernen auf Basis der Antennenkennwerte aufgrund verschiedener Impedanzänderungen durchzuführen, um eine intelligente Impedanzanpassung und einen optimalen Anpassungseffekt zu erzielen.

Um es mal ganz deutlich zu sagen: Es ist ein bisschen so, als würde man einen Schlauch zwischen Wasserzuleitung und Wasseranschlussrohr einbauen, um möglichst wenig Wasser zu verschwenden.

Die KI-gestützte Signalverstärkung ist vergleichbar mit dem Verbindungsschlauch zwischen der Funkfrequenz und der Antenne.

Die Aperturabstimmung ist relativ einfach; man muss lediglich die elektrische Länge der Antenne anpassen.

Aus radiologischer Sicht wäre die ideale Antennenlänge ein Viertel der Wellenlänge. Bei modernen Mobiltelefonen ändert sich die Arbeitsfrequenz des Mobilfunksystems aufgrund von Full Netcom, Dual-SIM-Dual-Standby und anderen Faktoren dynamisch. Beispielsweise arbeitet das Gerät mal mit 2.6 GHz, mal mit 3.5 GHz.

Ändert sich die Betriebsfrequenz, ändert sich auch die optimale Wellenlänge. Daher ist es notwendig, die Antennenapertur anzupassen, die Antennenlänge zu verändern und den Wellenberg zu verlängern, um den besten Effekt zu erzielen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Hauptfunktion der Antennenabstimmungstechnologie auf Basis von Impedanzanpassung und Aperturabstimmung darin besteht, den Einfluss der äußeren Umgebung auf das Antennensignal zu überwinden, das Signal dynamisch anzupassen und das Benutzererlebnis zu verbessern.

Laut tatsächlicher Überprüfung kann mit KI-gestützter Signalverbesserungstechnologie die Genauigkeit der Situationserkennung des Systems um 30 % verbessert werden, was die Abbruchrate von Anrufen deutlich reduzieren und Geschwindigkeit, Abdeckung und Akkulaufzeit verbessern kann.

▉Fazit

Es gibt zahlreiche innovative Technologien für 5G-Funkfrequenzsysteme, wie z. B. Mehrträgeroptimierung, Entkopplungsabstimmung und verbesserte Multi-SIM-Karten-Parallelität. Diese Technologien sind allesamt Ergebnisse technologischer Innovationen. Sie bündeln das Wissen von Ingenieuren und legen den Grundstein für die reibungslose Einführung von 5G-Endgeräten.

Die heutige 5G-Funkfrequenz ist nicht mehr nur eine Hilfsfrequenz zum Basisband, sondern eine wichtige Komponente des Mobiltelefons, die gleichberechtigt mit dem Basisband eingesetzt werden kann und beide sich ergänzen.

Mit dem kontinuierlichen Ausbau des 5G-Netzes entstehen neben der Mobilfunkkommunikation immer mehr branchenspezifische Anwendungsszenarien für 5G. Die Formen von 5G-Endgeräten werden vielfältiger, und die 5G-Funkfrequenz-Frontend-Technologie wird vor größere Herausforderungen gestellt.

Welche neuen Tricks wird die 5G-Funkfrequenz bis dahin beherrschen? Warten wir es ab!

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