5G無線周波数ブラックテクノロジーを1つの記事で理解する：その複雑さは恐ろしいほどで、ベースバンドに匹敵する。

携帯電話は、モバイルインターネット時代の標準装備として、私たちの生活に欠かせないものとなっています。携帯電話があれば、チャットをしたり、買い物をしたり、好きなテレビ番組を見たりと、充実した生活を送ることができます。

携帯電話は非常に重要な存在であるため、人々は関連技術の発展に大きな関心を寄せている。新製品が発売されるたびに、メディアは長々と報道し、ソーシャルネットワーク上でも白熱した議論が繰り広げられる。

しかし、携帯電話に対する人々の関心は、CPU、GPU、ベースバンド、画面、カメラに集中しがちです。携帯電話にとって非常に重要な特別な部品があるにもかかわらず、それに気づく人はほとんどいません。

それはどの部分でしょうか？そうです、それは今日の記事の主役である無線周波数です。

▉無線周波数とは何ですか

無線周波数は、英語ではRadio Frequencyと呼ばれ、RFと略されます。文字通り、Radio Frequencyは無線周波数を意味します。無線周波数信号とは、具体的には300kHz～300GHzの周波数範囲を持つ電磁波のことです。

周知のとおり、携帯電話が基地局と通信できる理由は、互いに無線電磁波を送受信することに基づいています。

携帯電話内部にある、無線電磁波の送受信を担う一連の回路、チップ、部品などは、総称して無線周波数システム、または略して「無線周波数」と呼ばれる（以下同様）。

無線周波数とベースバンドは、携帯電話の通信機能の基盤となる要素です。携帯電話と外部との通信を「速達サービス」と捉えるならば、ベースバンドの役割はデータの「パッケージ化／解凍」であり、無線周波数の役割は、指定された無線周波数帯域を通して「パッケージ」を送受信することです。

回路図：左側がベースバンド、右側がRF

無線周波数はどのようなものか？下の図は、あるメーカーの携帯電話のメイン回路基板の表裏のレイアウト図です。

（写真提供：ABI Research）

図において、黄色で囲まれた部分はすべて無線周波数に関連する部分である。このことから、携帯電話の構造において無線周波数部品が大きな割合を占めていることがわかる。

アーキテクチャの観点から見ると、完全な無線周波数システムは、無線周波数トランシーバー、無線周波数フロントエンド、アンテナの3つの部分から構成されます。RFフロントエンドには、パワーアンプ、エンベロープトラッカー、低雑音アンプ、フィルタ、アンテナスイッチ、アンテナチューナーなど、複数のコンポーネントが含まれます。

RFアーキテクチャ

The functions of each component of the RF front-end are not complicated. For example, the amplifier is to amplify the signal so that the signal can be transmitted farther; the filter is to remove the clutter and make the signal more "pure"; the antenna switch is used to control the opening and closing of the antenna; the main function of the antenna tuner is to "play with" the antenna to obtain the best transceiver effect...

多数の無線周波数コンポーネントが互いに協力し、連携して「最終ステップ」を完了し、ベースバンド「biu~biu~biu~」によってパッケージ化されたデータを送信します。

無線周波数設計が不適切であったり、部品の性能が劣っていたりすると、携帯電話の無線信号の送受信能力に直接影響を与え、ひいては携帯電話の通信能力に影響を及ぼします。具体的な症状としては、無線信号が弱い、通信距離が短い、ネットワーク速度が遅いなどが挙げられます。

In other words, if the radio frequency capability of a mobile phone is not good, it is like a car with insufficient power. No matter how fancy other functions are, it will not be accepted by users.

そのため、携帯電話メーカーは携帯電話の開発・設計を行う際、無線周波数に多大な労力を費やし、最終製品を発売する前に何度も検討を重ね、テストと検証を行うのが一般的である。

▉5G無線周波数の課題

今日、私たちは胸を張って5G時代に突入します。従来の4Gと比較して、5Gの無線周波数システムにはどのような変更点があるのでしょうか？

答えはイエスです。変化が起きているだけでなく、それは劇的な変化です。

Compared with 4G, 5G has greatly improved its performance indicators. The eMBB (enhanced mobile broadband) scenario of 5G increases mobile phone speeds to Gigabit or even 10 Gigabit levels, which are respectively 10 times/100 times the early LTE rate (100Mbps).

2G/3G/4G、さらに5G、さらにMIMO（マルチアンテナ技術）、さらにデュアルSIMデュアルスタンバイ、携帯電話のアンテナ数とサポート周波数帯域の2倍。4Gの初期の頃は、周波数帯域の組み合わせは20未満でした。対照的に、5Gには10,000万種類以上の周波数帯の組み合わせがある。その複雑さは恐ろしいほどだ。

同時に、ユーザーがアップグレード（アップグレード）（アップグレード）する意思があることを保証するために、5G携帯電話の厚さと重量を増やしたり、消費電力を増やしたり、待機時間を短縮したりすることはできません。

もしあなたが携帯電話メーカーだったら、気が狂ってしまうだろうか？

したがって、5G携帯電話の無線周波数は、自らを改革し、力強く奇跡と革新を生み出さなければならない。

How to solve the design problems of radio frequency system? Qualcomm proposed a macro idea and directly provided "complete modem and radio frequency system." Popular understanding means that the baseband, RF transceiver, RF front-end, antenna module, software framework, etc. are all completed and a complete solution is provided to the manufacturer.

言い換えれば、5G携帯電話などの端末部品の設計概念は、従来の「馬は東の市場で、鞍は西の市場で、手綱は南の市場で、鞭は北の市場で買う」という考え方や個々の部品に焦点を当てる考え方を捨て、代わりに「パッケージ設計」という統合的なシステムレベルのソリューションを採用する必要がある。

For example, in the past, Factory A made the baseband, Factory B made the RF, Factory C made the antenna, and then the mobile phone Factory D figured out how to integrate and connect them. Nowadays, powerful manufacturers directly package and design the baseband, radio frequency and antenna, etc., and then hand them over to the mobile phone manufacturers, so that they can be used quickly.

System-level integration is the inevitable result of the substantial increase in the complexity of 5G baseband and radio frequency.

It's like a train. In the past, the speed of green leather cars was slow, and the carriage and front of the car could be designed and manufactured separately, and then run together. However, in the era of high-speed rail, the speed indicators have doubled. If they continue to be designed and manufactured separately, the carriages and the locomotive cannot be deeply coordinated. Not only will the speed indicators be difficult to achieve, but safety issues may also arise.

そのため、高速鉄道用電車は通常、統一された方法で設計・製造される。

つまり、上述の厳しい5G指標に直面する中で、ベースバンドと無線周波数の全体的な設計をシステムレベルの統合という観点から行う必要がある。そうすることで、両者のソフトウェアとハ​​ードウェアの完璧な連携を実現し、最適なパフォーマンス（スループット、カバレッジなど）を達成できる。

指標を達成することに加え、統合設計はシステム全体のサイズを縮小し、携帯電話が占めるスペースを削減するのにも役立ちます。システムの消費電力と放熱制御においても、統合設計は明らかな利点を持っています。

最後に、システムレベルの統合ソリューションを提供することで、携帯電話メーカーの設計上の難易度を軽減し、製品の迅速な発売と市場シェアの獲得を可能にすることができます。

▉5G無線周波数ブラックテクノロジー

システムレベル統合型5G無線における興味深いブラックテクノロジーを詳しく見ていきましょう。

まず、最初のブラックテクノロジーはブロードバンドエンベロープトラッキングです。

When I introduced the radio frequency architecture earlier, there was a power tracker in it. Power trackers are used with power amplifiers.

パワーアンプは無線周波数の中核となる部品です。スピーカーのように、小さな音（信号）を大きな音（信号）に変換する役割を果たします。

トランペットを吹くには、必ず力（パワー）が必要です。パワートラッカーの機能は、トランペットを吹く際の強度（パワー）を制御することです。

従来の送風方法はAPT方式、つまり平均出力追従方式です。一定期間内は、送風力が一定に保たれます。

また、広帯域エンベロープトラッキング（ET）技術により、電力の精密な制御が可能になります。つまり、ベースバンド（モデム）は、信号の変化に応じて無線周波数のエンベロープトラッカーを制御することで、無線信号の送信電力を正確に制御できるのです。

エンベロープトラッキングにおける無駄な電力消費量は、従来の平均電力トラッキングに比べて大幅に少ない。

（画像提供：クアルコム）

In this way, physical strength (energy) is greatly saved, radio frequency power consumption is reduced, and the standby time of the mobile phone is increased.

正確な送信電力制御は、携帯電話が最高の信号伝送効率を得るのに役立ち、それによってチャネル品質が向上します。携帯電話と基地局間の「双方向通信」プロセスにおいて、携帯電話がより良いチャネル品質を得ると、基地局は携帯電話に対して2×2 MIMOなどのより優れたアップリンクおよびダウンリンクサービスをサポートでき、ネットワーク速度がよりスムーズになります。さらに、チャネル品質の向上は、基地局側が携帯電話に対してより高次の変調方式（256QAMなど）を割り当てるための条件を作り出し、携帯電話のスループットを向上させ、より高速で高品質なデータ伝送サービスをサポートできるようになります。

クアルコムがこれまでリリースしてきた数世代にわたるSnapdragon 5GモデムやRFシステム統合型ブロードバンドエンベロープトラッカーは、既に上記の技術を採用している。同社の最新ブロードバンドエンベロープトラッカーであるQET7100は、現在市場に出回っている他社製品と比較して、エネルギー効率が30%向上している。

当社が導入した2つ目のブラックテクノロジーは、AIを活用した信号強調技術です。

この技術は、2月に発売されたばかりのSnapdragon X65 5Gモデムおよび無線周波数システムに搭載された最新の技術です。また、業界で初めて、最先端のAI技術を携帯電話の無線周波数システムに導入し、信号強度を向上させた事例でもあります。

AI支援型信号強調技術の中核は、アンテナチューニングシステムにAI技術を導入することにある。アンテナチューニングには、インピーダンス整合と開口チューニングの2つの方法がある。

まずはインピーダンス整合について見てみましょう。

The so-called impedance matching can be understood as a kind of "water pipe" work.

RFシステムコンポーネントとアンテナの接続は、2本の水道管の接続に例えることができます。インピーダンスが一致しているときは、位置も完全に一致します。このとき、水の流れは最大となり、信号効率も最大になります。コンポーネントのインピーダンスがずれると、水道管が曲がり、水の流れが小さくなり、一部の水が無駄になってしまいます。

インピーダンスが変化する理由は数多くあり、例えば、手が触れる、データケーブルを接続する、携帯電話ケースを取り付けるなどです。持ち方（左手、右手、片手、両手）によってもインピーダンスは変化します。

The traditional impedance matching method is to test various causes of impedance changes in the laboratory to find the antenna characteristic values, and then control the radio frequency components through the modem to adjust the impedance so that the water receiving pipe is aligned with the water supply pipe as much as possible.

AI支援信号強化技術は、AIアルゴリズムを導入し、さまざまなインピーダンス変化によるアンテナ特性値に対してビッグデータ分析と機械学習を行い、インピーダンスのインテリジェントな調整を実現し、最も完璧なマッチング効果を実現します。

率直に言って、それは給水管と受水管の間にホースを取り付けて、水の流れが無駄にならないようにするようなものです。

AI支援による信号強化は、無線周波数とアンテナ間のドッキングホースに相当する。

開口調整は比較的簡単で、アンテナの電気長を調整するだけです。

放射線学的な観点から言えば、アンテナの理想的な長さは波長の4分の1です。今日の携帯電話は、フルネットコム、デュアルSIMデュアルスタンバイなどの理由から、モバイル通信システムの動作周波数が動的に変化します。例えば、2.6GHzで動作することもあれば、3.5GHzで動作することもあります。

動作周波数が変化すると、最適な波長も変化します。そのため、最適な効果を得るには、アンテナの開口を調整し、アンテナの長さを調整し、波長のピークを長くする必要があります。

要するに、インピーダンス整合と開口調整に基づくアンテナ調整技術の主な機能は、外部環境がアンテナ信号に与える影響を克服し、信号を動的に調整し、ユーザーエクスペリエンスを向上させることである。

実際の検証によると、AI支援による信号強化技術を用いることで、システムの状況認識精度を30%向上させることができ、通話切断率を大幅に低減し、速度、通信範囲、バッテリー寿命を改善できる。

▉結論

There are many innovative black technologies for 5G radio frequency systems, such as multi-carrier optimization, decoupling tuning, multi-SIM card enhanced concurrency, etc. These black technologies are all the results of technological innovation. They condensed the wisdom of engineers and laid the foundation for the smooth launch of 5G terminals.

Today's 5G radio frequency is no longer an auxiliary to the baseband, but an important mobile phone component that can be on an equal footing with the baseband and complement each other.

With the continuous deepening of 5G network construction, in addition to mobile phone communications, more and more 5G vertical industry application scenarios have begun to come into being. The forms of 5G terminals will become diverse, and a greater test will be placed in front of the 5G radio frequency front-end.

5G無線周波数は、その頃にはどんな新しい技を披露するのだろうか？今後の展開に注目しよう！

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