【Lynn寫點週報】 5G 手機時代來臨? 談高通的 5G 分離式數據機晶片方案

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繼上一篇2019年是5G元年?談 5G通訊技術發展困境之後,5G 的基礎建設尚未到位,頻譜競標沒有進行、 基地台更沒有大規模鋪建的打算,整個 5G 生態系仍然停留在萌芽階段── 對於電信業者來說,最重要的仍然是找到「可行的商業模式」。

雖然 5G 企業談論了非常多的企業應用,但回歸問題核心,電信業主要的營業收入仍然是來自消費者每月繳交的月租費,也就是說他們必須先看到 5G 手機推出,確定存在第一批使用者可以進行測試,讓他們率先使用 5G 網路,整個產業才能繼續向下走。

身為最上游的通訊標準制訂商,高通(Qualcomm)早在 2016 年已經開始推廣自家的 5G 數據機晶片(Modem),並與許多手機品牌廠與電信商展開合作,協助這些品牌廠推出符合高通 5G 標準的智慧型手機,背後的計畫是盡早將 5G 智慧型手機普及到市場,讓高通從中賺取巨額的權利金與晶片收入。

上一篇文章從基礎建設面簡介了 5G 通訊的特性與發展困境,這次我們將會專注於 5G 的終端設備(Terminal Equipment),為什麼今年 Android 廠商,特別是中國品牌能快速推出 5G 手機,許多媒體卻嘲笑 iPhone 在 5G 時代中落後?

事實上要推出 5G 手機並不是一件太困難的事情,現行的 4G手機只需要外掛一項由高通提供的 5G 數據機晶片與天線模組,再進行機構上的設計修改就能推出,這也是為什麼部分品牌的販售的機型分為較便宜的 4G 與昂貴的 5G 版本。

另一方面,高通也有提供公版的設計參考,能夠讓手機品牌廠藉由修改現有的機構設計,直接讓手機運行 5G 網路,雖然能夠接收與解析 5G 訊號,但以目前的技術而言,5G 手機絕對稱不上是擁有「好的使用者體驗」,這週我們將針對 5G 智慧型手機現有的解決方案進行更一進步的討論。

Android 手機品牌採用高通的 5G 分離式方案

今年二月時,世界通訊移動大會(Mobile World Congress, MWC)上大部分知名的手機品牌已經推出了 5G 智慧型手機,像是三星、 LG、華為、小米、 OPPO、中興 ZTE 跟步步高集團的 Oneplus 系列。

其中只有華為是採自家的麒麟 980 處理器搭配巴隆 5000 的 5G 數據機晶片,其餘廠商都是採用高通(Qualcomm)的解決方案── 為什麼要用兩種晶片? 因為 5G 的數據機晶片目前還沒有整合到系統單晶片(System on a Chip, SoC)。

由於高通最新的 Snapdragon 855 系統晶片內部僅有 4G LTE 模組,如果手機要支援 5G 網路,設計上需要額外加入一個 Qualcomm X50 5G 數據機晶片(Modem)才能接收 5G的頻段:該模組目前支援歐洲 8家電信商的毫米波(mmWave)與 Sub- 6 GHz頻段,最高理論速度可以達到 5Gbps,代表每秒下載速度可以高達 625MB/s。

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Sources: Qualcomm

什麼是數據機晶片(Modem)?

我們平常生活所仰賴的網際網路是怎麼來的? 事實上是全球的網路供應商會透過海底電纜串連彼此的網路設備,使其成為一個全球相互連接的網路平台,再使用基地台發送訊號以提供無線網路服務。但問題來了,使用者要怎麼接收無線網路?

為了接收與傳送數據,無線網路的訊號是透過電磁波所攜帶,而電磁波是類比訊號(連續訊號)的一種,透過基地台將電磁波朝四面八方發送,當手機的天線接受到類比訊號後,透過手機內的轉譯器,將類比訊號解碼成數位訊號(0及1的不連續訊號),此時手機便可以進行下載與上傳的動作。

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過程中間的天線、訊號放大器、轉譯器與解析晶片,通稱為數據機晶片(Modem)── 而5G數據機晶片就是能夠接收、解析並轉譯5G頻段的裝置,賦予智慧型手機 5G 上網的功能。

為什麼 5G 網路的傳輸速度快,覆蓋範圍卻小?

這邊嘗試用簡單的概念解釋,撇除那些複雜的物理原理。數位訊號是由 0 與 1 組成,可以由電磁波的波形上下振動來代表 0 與 1 的數位訊號:因此當電磁波的頻率越高,每秒振動的次數越多,能夠容納更多的電位變換,因此能攜帶的資料量就越大,也就是說,高頻率振動讓數據傳輸的速度提升,但電波頻率極高的缺點是波長很短,很容易被建築物阻擋,導致覆蓋範圍很小。

Qualcomm X50 5G主要提供智慧型手機支援兩種頻譜範圍的功能:必須連接兩種天線模組,第一種天線模組負責接收頻率較低的Sub-6 GHz 頻段,這個範圍內的頻段可以想像成覆蓋範圍較小,但是速度較快的 4G 改良版本;第二種天線模組則負責極高頻的毫米波頻段(24 GHz至100 GHz)。

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Sources: Qualcomm

然而毫米波的路徑耗損問題在行動裝置上也是很難克服的問題,手機是需要隨身攜帶的個人裝置,天線無法做大,因此能接收到的電波範圍並不大,而且極高頻率的電磁波很容易遭到建築物阻擋,電信商只能透過大量部署 5G 基地台來解決這項困難,這也是為何 5G 設備投資昂貴的原因。

5G 數據機晶片高度耗能,會讓續航力大幅下降

雖然 X50 數據機能夠相容現有的手機設計,但手機功能並不是越多越好,就像是登山裝備雖然必要,但攜帶太多的裝備也會負擔過重,很快就累垮倒在路上, 5G 網路也是一樣,雖然理論值強大,高強度運作下卻會帶給手機很大的負擔。

根據高通的產品文件,為了接收並轉譯高頻毫米波,額外接收毫米波的熱設計功耗(Thermal Design Power, TDP)最高可能達到4w,含義是當晶片達到最大負荷的時候熱量釋放的指標,相較之下,一般旗艦行動處理器的熱設計功耗只有 5w,意思是光是數據機晶片的耗能指標幾乎等同於本身處理器的耗電量。

這種耗電量在行動裝置上完全是吃電怪獸,此外數據機晶片的發熱也會使得機身溫度上升,導致整體電阻上升,讓電池表現更加惡化。根據估計,手機如果真的運行5G網路,耗電量可能會增加一倍以上。

舉個例子說明,以往充滿電可以使用 10 個小時的智慧型手機,加上 5G 功能後很可能只剩下 4 個小時,未來設計上發熱與耗電的問題都必須解決, 5G 手機的使用者體驗才能追上 4G 手機。

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Sources: Qualcomm

iPhone沒有在 5G 時代落後
不必要的 5G 功能會帶來許多問題

因為蘋果並沒有自行設計數據機晶片的能力,在iPhone 8系列以前,蘋果公司都是採用高通的數據機,與高通的系統單晶片方案中,將處理器與數據機晶片封裝在單一晶片不同,蘋果並沒有將數據機晶片整合進自家的 A 系列處理器,而是在主機板上額外嵌入數據機晶片,被稱為「分離式方案」── 數據機晶片單純用來處理通訊網路應用。

在蘋果與高通爆發出專利大戰後,蘋果公司轉為使用英特爾(Intel)的數據機晶片,所以很多使用者也反應後者的性能不如之前系列的 iPhone,例如傳輸速度與 GPS 定位性能上,明顯不如上一世代的 iPhone 。

台灣的聯發科也推出了自己的 5G數據機晶片Helio M70,同樣能提供Sub- 6 GHz頻段與高達5Gbps的下載速度,也間接證實蘋果為何最近找上聯發科洽談5G通訊晶片:「蘋果正在尋找有能力研發 5G基頻晶片的供應商以脫離高通的掌控」。

未來真正的 5G手機仍需要將基頻晶片整合進 SoC才能進一步減少所需的設計空間,作成更輕更薄的手機,高通也在MWC預告在 2020年將推出整合後的 5G系統單晶片產品。

雖然初期 5G網路尚未全面商轉,但下一世代的驍龍 855處理器已經成為旗艦手機標準,Android 廠商為了跟進同業(或是高通要求),也順勢加入5G的通訊模組,智慧型手機便能支援部分的5G頻段,實驗與噱頭的性質頗為濃厚。

部分媒體文章出現:「iPhone 正在 5G 時代落後」,這種論調是有問題的,實際上蘋果公司只需要找到 5G 數據機晶片供應商就能讓 iPhone 5G 上網,只是蘋果要不要這項功能而已

現有的 5G 分離式方案非常昂貴,而且缺乏基礎設施

根據 Digital Times 的消息,現在高通賣給Android廠商的 5G 分離式方案(高通 855 + X50 模組)報價高達 150 美元,這是什麼概念? 之前的旗艦處理器晶片(高通 845)只需要 48 美元左右, 分離式 5G 方案的價格整整翻了數倍,更尷尬的是消費者買了手機,在缺乏電信商服務的狀況下也無法使用 5G 網路。

所以目前推出 5G 手機的品牌僅僅在測試水溫而已,即使推出,價格也會比 4G 版本高出許多,市場肯定無法接受這種華而不實的價格。

此外,美國電信商 Verizon 已經宣布即將推出真正的 5g 網路服務,將於 4 月 11 日將推出的 5G 服務,並於於芝加哥(Chicago)和明尼亞波利斯(Minneapolis)這兩個城市先行推出,今年後續會陸續推廣到 30 個美國城市。

可惜的是Verizon 的服務首波只適用 Moto Z3 ,但這款手機並沒有搭載 5G 數據機,但卻有很好的模組擴充性,可以外掛相機或是電池等模組。

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Sources: Motorola

為了接收 5G 網路,使用者必須額外購買 5G moto mod ,這項要價 350 美元的配件內建了能接受 Verizon 5G 頻段的數據機晶片(預估也是高通的方案),並搭配 Moto Z3 手機本體才可使用 5G 服務。另一方面,目前  Verizon 的 5G 網路速度與覆蓋率都還不得而知,明顯是推出來測試消費者接受度的方案。

5G 服務不但手機裝置昂貴,電信資費也要價不菲,目前還找不到說服消費者額外付費的商業模式,雖然 2019 年離 5G 普及還有段不短的路,因為通訊產業絕不是一項短時間內能有大幅進展的業務,但華為、英特爾、高通與聯發科已經開始進行高利潤的數據機訂單前哨戰,仍然值得我們持續關注。 

核稿編輯:李柏鋒

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