自2007年iPhone初代發(fā)布以來，智能手機快速發(fā)展，屏幕、拍照、運算能力均得到大幅度提高，現(xiàn)在已經(jīng)成為我們生活中不可缺少的移動智能中樞。

不過在過往16年的發(fā)展中，智能手機作為一個無線通信最有代表性的載體，其“無線通信”能力反而像是一個被忽略的技術(shù)，并不被用戶熟悉和感知。即使有2019年5G商用的宣傳加持，但完成4G至5G的切換后，“無線通信”繼續(xù)從臺前走到幕后，默默在背后提供著支持。
不過這一情況最近正在變化，越來越多的手機廠商關(guān)注到手機通信能力優(yōu)化帶來的收益，越來越多的用戶尋求連接體驗的提升。在材料《手機“射頻增強”的技術(shù)方案》中，我們討論了有關(guān)“射頻增強”可能的技術(shù)方案。
在材料發(fā)出后，一些運營商、手機/芯片廠商以及手機用戶問到：這只是一些改進方案，那有沒有一些方法，可以對手機通信能力做一個評價呢？

我們覺得這是一個非常好的問題，于是我們就把關(guān)系到手機通信能力的技術(shù)要點做一個總結(jié)，與大家討論“如何評價一部手機的通信能力”。

引言 · 手機通信能力

手機的通信能力是指手機在移動網(wǎng)絡(luò)中無線信號的接收和發(fā)送的能力，通信能力的高低會影響手機的上網(wǎng)速率、通信質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)覆蓋甚至手機功耗等性能，是一部手機里重要的能力指標。
在手機參數(shù)介紹中，都會明確的標識手機所支持的頻段和通信制式支持。如下圖為iPhone 14 Pro 5G手機中所標識相關(guān)信息[1]。雖然手機都會將通信的基本信息標注出來，但即使對從業(yè)者來說，這些信息對了解手機通信能力都太過寥寥，很難判斷出手機通信能力的強弱。

但可以繼續(xù)深挖一下，一般來說，手機通信能力主要與以下幾個技術(shù)和優(yōu)化有關(guān)，分別是：

通信技術(shù)能力

射頻技術(shù)能力

實際優(yōu)化能力

接下來，我們就從以上三方面討論如何評價一部手機的通信能力。

通信技術(shù)的評價

“通信技術(shù)”是電子工程里重要分支，是現(xiàn)代信息傳輸和信號處理的基礎(chǔ)，可以說沒有通信技術(shù)，就沒有現(xiàn)在的電話、互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星等有線/無線通信網(wǎng)絡(luò)。通信技術(shù)是通信行業(yè)原理性的技術(shù)，在此我們只從實用的角度，對影響到手機通信能力的相關(guān)技術(shù)做一個討論。
在通信技術(shù)中，影響到手機通信能力的主要有高階調(diào)制能力、香農(nóng)定理極限。

高階調(diào)制能力

調(diào)制（Modulation）是一種信號變換的過程，調(diào)制通過改變數(shù)據(jù)的頻率、相位、幅度等特性，使信號更好的在信道上傳輸。
實現(xiàn)調(diào)制功能的電路是調(diào)制解調(diào)器，也就是大家常說的Modem（Modulation-Demodulation）。在2000年左右，不少家庭利用Modem實現(xiàn)了電話線上網(wǎng)功能，大家也從這個時候開始聽說“貓”可以用來上網(wǎng)。其實在當前的手機中，都集成了Modem功能，實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換發(fā)射。

圖：調(diào)制解調(diào)器在手機系統(tǒng)中的位置

在通信中，必須要將數(shù)據(jù)進行調(diào)制的原因是：

1. 如果直接傳播0、1的數(shù)字信號，相當于是在傳播方波，這將占據(jù)大量帶寬，所以需要將數(shù)字信號調(diào)制成高頻模擬信號（也就是射頻信號），來傳輸2. 將數(shù)據(jù)調(diào)制到不同的載波，也有利于信道的充分利用3. 利用高階調(diào)制，可以實現(xiàn)更有效的數(shù)據(jù)傳輸

在調(diào)制中，最簡單的調(diào)制方式就是調(diào)幅或者調(diào)相等直接調(diào)制，這些方式主要有：

1. 移幅鍵控（ASK，Amplitude Shift Keying）2. 移頻鍵控（FSK，F(xiàn)requency Shift Keying）3. 移相鍵控（PSK，Phase Shift Keying）

三種調(diào)制的工作方式如下圖所示。

圖：ASK、FSK、PSK調(diào)制方式

在以上調(diào)制中，每個調(diào)制符號僅帶有單個比特的信息，要么是“0”，要么是“1”。為了提升信號的傳輸效率，更高階的調(diào)制方式被發(fā)明了出來，這就是經(jīng)常被提到的QPSK、16QAM、256QAM，甚至1024QAM。圖：QAM星座圖高階調(diào)制的理念是把多個比特放在直角坐標系中，對于16QAM來說，總共有16個坐標點，每個點就代表0000-1111這16個信息中的一個。對于選定要傳輸?shù)男畔ⅲ恍枰暨x對應(yīng)坐標點的幅度和相位進行傳輸就可以，這樣可以將傳輸效率大大提升。對于16QAM信號，一個調(diào)制符號位攜帶了4個比特的信息，所以16QAM調(diào)制的信道利用率就是4。
圖：16QAM調(diào)制下的信息傳輸

同理，如果是利用1024QAM調(diào)制進行數(shù)據(jù)傳輸，單個符號位就可以攜帶10比特信息（2^10=1,024），信道利用率提升到了10，傳輸效率再次加強。1024QAM信號傳一次，等于原來的FSK方式傳10次，這就是數(shù)字通信不斷追求高階調(diào)制的原因。
由于調(diào)制方式是決定通信速率的重要指標，在手機中一般會對此項能力做嚴格規(guī)定。在2019年版本的4G手機白皮書中，上行調(diào)制方式僅需要支持64QAM[2]。而在中國移動5G手機白皮書中，這一能力做了提升，要求5G手機必須支持上行及下行的256QAM調(diào)制方式[3]。手機在調(diào)制方式上的能力做了增強，通信能力也相應(yīng)提升。

圖：中國移動5G手機白皮書中對5G手機調(diào)制方式做的規(guī)定

在手機設(shè)計中，Modem一般集成于SoC芯片中，所以一旦SoC芯片選定，最大的高階調(diào)制能力也確定下來。如下為聯(lián)發(fā)科推出的天璣7200 5G手機SoC芯片，其集成的R16 5G Modem可支持256QAM的高階調(diào)制。

圖：聯(lián)發(fā)科天璣7200 5G手機SoC芯片

SoC芯片將最高階調(diào)制實現(xiàn)后，還需要射頻前端通路完成高階調(diào)制信號的不失真?zhèn)鬏敗；壑俏?G射頻前端系列產(chǎn)品均經(jīng)過高階調(diào)制信號嚴格測試，確保信號高階調(diào)制傳輸不失真。

“香農(nóng)定理”決定極限

既然高階調(diào)制可以如此有效的提升傳輸效率，那是否可以無限的增強調(diào)制的QAM數(shù)，來使通信能力得到無限增強呢？答案是否定的，這個限制的來源就是“香農(nóng)定理”。

香農(nóng)（Claude Elwood Shannon，1916-2001）是信息論的奠基人，曾就職于貝爾實驗室。1948年，32歲的香農(nóng)在其著名的論文《通信的數(shù)學(xué)理論》中，提出了如下經(jīng)典公式：

其中，C代表可傳送的最大信息速率，又稱信道容量；B代表信道帶寬；S/N代表信號與噪聲的能量比值。這就是大名鼎鼎的香農(nóng)公式，也被認為是通信行業(yè)最著名的公式。
雖然數(shù)學(xué)公式總是讓人望而生畏，但香農(nóng)公式卻可以用很簡單的直覺來理解：通信能力和信號帶寬呈正比，和信號質(zhì)量呈正比。以上理解已經(jīng)可以幫我們解釋日常生活中的大多數(shù)問題，比如為何要用更大的帶寬來進行信號傳輸，為什么要追求更強的信號質(zhì)量。這些在香農(nóng)公式看來，都是為增強通信能力所做的必要努力。
香農(nóng)公式的力量絕不只是幫我們理解通信這么簡單，香農(nóng)公式還可以幫我們計算出給定信道下的通信速率極限，以幫我們確認如高階調(diào)制等技術(shù)努力的極限在哪里。比如將香農(nóng)公式略做變形，將信道帶寬B移到等式左邊，就可以得到信道利用率K（定義為C/B），與信噪比之間的關(guān)系：

對于16QAM信號來說，如前節(jié)所述，其信道利用率是4，代入上式可以求出，S/N=15，即12dB。所以對于16QAM的信號傳輸來說，理論上必須要達到12dB以上的信噪比，才可以進行有保障的傳輸。

將信道利用率K與信噪比的關(guān)系在同一圖表上表示如下圖：

圖：信道利用率與S/N之間的關(guān)系

通過上圖可以看到，高階信號的傳輸對信號質(zhì)量也提出了要求。這就說明手機信號強度對通信速率的重要性。在手機信號強的區(qū)域，信號信噪比高，手機就可以用高階調(diào)制進行數(shù)據(jù)傳輸；而當手機信號變?nèi)酰捅仨氁赝说降碗A調(diào)制來保障傳輸可靠，通信速率自然下降。
所以對一部手機來說，要增強通信能力，就需要保障信號的質(zhì)量，以使手機盡可能的工作在高調(diào)制階數(shù)區(qū)域。
需要說明的是，上圖只是理論計算的理想情況，在實際應(yīng)用中，由于信道編碼的效率問題、冗余校驗比特需求等，傳輸效率會低于理論計算。但通信工程師們也在不斷努力，通過如Turbo編碼等更高效的信道編碼方式不斷接近理論極限的信道利用率[6]。

二、射頻技術(shù)的評價

通過過去80多年的研究，通信技術(shù)在不斷的逼近香農(nóng)定理的極限，信道的利用率已接近上限。
但人類對通信能力的要求是永無止境的，根據(jù)國際電信聯(lián)盟ITU的統(tǒng)計和預(yù)測，在2010至2020的10年中，全球月移動通信數(shù)據(jù)由5億GB每月，提升至700億GB每月，數(shù)據(jù)增加100倍。并且在至2030年的下一個10年中，還將再提升100倍，至近十萬GB每月[7]。

圖：全球移動通信數(shù)據(jù)

香農(nóng)定理逼近極限，無線需求能力持續(xù)增加，這給手機工程師們提出了難題。目前在手機中，再次將通信能力提升的方法主要是依靠射頻能力的增強。主要用到的技術(shù)為：

1.更大帶寬的通信頻段

2.載波聚合（CA）

3.多入多出（MIMO）

所以，手機的通信能力，也和以上技術(shù)的支持程度息息相關(guān)。

更大帶寬的通信頻段

根據(jù)香農(nóng)定理，信道的通信容量與帶寬呈正比。所以就意味著找到更大帶寬的通信頻段，就可以實現(xiàn)更大速率的無線通信。自2G以來，移動通信就致力于尋找更大帶寬的通信信道進行信號傳輸。在低頻段頻率資源受限情況下，無線通信也向更高頻率發(fā)展。目前在5G Sub-6GHz頻段，n77和n79頻段分別可以提供最大900MHz及600MHz頻率資源，到了毫米波頻段，更是可以提供3GHz以上頻率資源，這是4G/3G時代是不可以想象的。

圖：最大帶寬頻段的帶寬演進

對于手機來說，可以支持更多的頻段，也意味著有更強的通信能力。在一般的5G手機中，都可以對中國移動、聯(lián)通、電信要求的n1/3/5/8/28/41/78頻段進行支持，部分高端手機還可以對大帶寬的n79進行支持。手機會在其規(guī)格參數(shù)中明確顯示支持的頻段，如下圖為iPhone 14 Pro手機支持的頻段列表，手機支持大部分的國內(nèi)及國際5G頻段，并且支持n79頻段[1]。

手機對新頻段的支持不僅需要SoC、Transceiver芯片的支持，還需要射頻前端芯片，如PA、濾波器、開關(guān)等芯片的配套支持。 載波聚合能力 雖然增大帶寬可以有效提升通信速率，但頻譜資源對于任何一個國家來說都是稀缺資源。怎么利用有限的頻譜資源，取得更大速率的傳輸成為手機通信行業(yè)努力的方向。于是，載波聚合（CA，Carrier Aggregation）就被提了出來。載波聚合的理念是將多個窄帶的成員載波（Component Carrier，CC），聚合在一起，多個信道同時傳輸，單車道變多車道，通信能力自然增強。

圖：載波聚合的支持

載波聚合的支持需要在射頻通路建立同時打開的通道，并且需要解決好兩個頻段間的隔離問題，對射頻前端設(shè)計提出了更多的挑戰(zhàn)，并且會增加射頻前端的成本。所以對載波聚合功能的支持，成為不同價位帶手機重要的差異化功能。

圖：手機對CA功能的支持

以高通平臺為例，以歐洲版本手機方案為例，對于中階4系列平臺，其支持的CA組合為63個，而對于其高階6系列平臺，支持的CA組合數(shù)量增加至112個。

圖：不同價位平臺支持的CA組合數(shù)量

同新頻段的支持一樣，載波聚合功能的支持需要SoC、Transceiver與射頻前端芯片的共同協(xié)作才能支持。 多入多出（MIMO）能力 MIMO技術(shù)的全稱是Multi-input Multi-output，多輸入多輸出，這是利用射頻提升通信能力的又一重要技術(shù)。MIMO技術(shù)提升通信能力的原理主要有兩個，分別是：分集提升可靠性；復(fù)用提升容量。其實在從單入單出（SISO，Single-input Single-output）到MIMO的演變過程中，還有SIMO和MISO兩個演變，這四種結(jié)構(gòu)的關(guān)系如下圖所示。

圖：從SISO，到MIMO

在SISO系統(tǒng)中，收發(fā)均為單一路徑，傳輸1路信號。在這種系統(tǒng)中，信號傳輸不可靠，在受到干擾時很容易影響傳輸速率。
為了改變這一局面，可以在手機處再增加一個天線，這就是分集天線，這樣可以使接收端同時接收到兩路信號，實現(xiàn)單發(fā)多收SIMO。單發(fā)多收系統(tǒng)可以提升信號的可靠性和穩(wěn)定性。但由于接收到的信號是從同一個發(fā)射天線發(fā)射出來的，數(shù)據(jù)傳輸相同，所以分集接收并不能增加傳輸通道數(shù)目，也就不能使通信速率翻倍。
同樣的道理，可以實現(xiàn)多發(fā)單收MISO。由于接收天線只有一個，MISO系統(tǒng)同樣不能增加傳輸通道數(shù)目，但MISO系統(tǒng)可以用于設(shè)計發(fā)射端的波束賦形系統(tǒng)，利用發(fā)射信號間的相位相加，實現(xiàn)基站發(fā)射信號向特定方向的疊加增強。
如果將發(fā)射與接收信號同時增加，實現(xiàn)MIMO系統(tǒng)，就可以實現(xiàn)2路信號的同時收發(fā)，增加通道數(shù)目，使通信速率翻倍。這也就是4G/5G中的空間復(fù)用技術(shù)。對于收發(fā)同為2根天線的系統(tǒng)，也稱為2x2 MIMO系統(tǒng)。
為了支持MIMO系統(tǒng)，標準化組織或運營商會要求終端發(fā)射及接收通道數(shù)目。在規(guī)定中，發(fā)射一般用T表示（縮寫自Transmit），接收一般用R表示（縮寫自Receive）。比如對于中國移動白皮書，對于5G手機收發(fā)通路數(shù)目有如下要求[3]：

圖：中國移動5G手機

要求支持的MIMO的能力也是不同價位手機差異所在。比如對于iPhone 14 Pro手機，n41/79頻段均支持2T4R MIMO。而對于入門級5G手機，對于n41頻段一般只支持1T4R MIMO，在發(fā)射MIMO能力上做了簡化。MIMO功能的支持，需要射頻前端與SoC、Transceiver配合支持。

三、性能優(yōu)化的能力

通過以上技術(shù)分析，可以對一部手機的基本通信能力有一個大致了解。比如觀察聯(lián)發(fā)科天璣7200 SoC，就可以看到以下信息：

圖：根據(jù)聯(lián)發(fā)科天璣7200規(guī)格

看到的通信能力支持不過以上評估僅表示手機有無對應(yīng)的通信“能力”，但要達到用戶真正有感知的通信能力提升，還需要在手機設(shè)計上多加考慮。例如需要考慮以下幾點的性能優(yōu)化。

天線的優(yōu)化設(shè)計能力
與筆記本電腦等其他移動設(shè)備不同，手機極其強調(diào)便攜性，這給手機的天線設(shè)計帶來極大挑戰(zhàn)。并且手機應(yīng)用環(huán)境有著強的不確定性，手機需要在不同持握狀態(tài)下，均有好的通信信號。
不好的天線設(shè)計會讓前述通信能力的引入前功盡棄，蘋果iPhone 4就經(jīng)歷過所謂的“天線門”，手機在特定握持狀態(tài)下，會造成天線的短路，進而影響手機通信，給用戶使用造成很大不便。

射頻性能的“增強”能力

在《手機“射頻增強”的技術(shù)方案》中，我們討論了一些可能的增強方法，這些方法包括：1. 發(fā)射通路功率的增強2. 接收通路干擾的避免與消除3. 結(jié)合場景的匹配優(yōu)化這些增強的方法雖然不像第一、二節(jié)討論那樣，可以從通信原理的本質(zhì)上提升通信能力，但卻可以明顯的改善用戶的使用體驗。這一點也是拉開不同手機使用差距的技術(shù)要點。雖然不同手機使用的芯片可能相同，但在射頻性能調(diào)試上、結(jié)合場景優(yōu)化上做的不同，會帶來用戶使用感受的明顯不同。 其他考慮 手機通信能力的優(yōu)化不限于以上提到的部分，任何有助于用戶可以更快速的刷視頻、更少的掉線的技術(shù)，都可以用于手機通信能力的提升。比如還可以利用軟件與硬件的結(jié)合，更好的做好場景優(yōu)化，甚至可能通過手機與基站的協(xié)同，完成手機體驗的提升。這些都是不同廠商可以利用自身優(yōu)勢，提升通信能力的考慮。
另外，手機可能是一天中陪伴用戶時間最長的智能設(shè)備，通信能力的提升還必須要結(jié)合功耗、芯片尺寸、成本等多個因素進行優(yōu)化，帶著鐐銬跳舞，在眾多限制中找到最優(yōu)解。

總 結(jié)

自1973年大哥大的誕生以來，手機已經(jīng)快速發(fā)展了50年。在這50年中，人們對手機的要求也越來越高。通信能力是手機中的重要能力，但因為射頻技術(shù)復(fù)雜，場景眾多，較難量化，所以也是最難評價的能力之一。有關(guān)手機射頻通信能力的評價，可能可以以下幾點作為參考：1. 硬件能力評價：評價手機理論硬件支持能力2. 硬件性能測試：測試手機硬件實際性能3. 實際場景評價：建立仿用戶使用場景范例，評價實際使用優(yōu)化能力讓射頻能力可見不容易，您對手機通信能力評價有什么考慮？歡迎留言討論。我們將為精彩留言送上《通信簡史》一本。

圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

參考文獻：[1]. https://www.apple.com.cn/iphone-14-pro/specs/[2]. 中國移動4G手機產(chǎn)品白皮書（2019年版），中國移動，2019年6月[3]. 中國移動5G手機產(chǎn)品白皮書（2023年版），中國移動，2022年12月[4]. MediaTek Dimensity 7200，https : //i. mediatek .com/ dimensity -7200[5]. C. E. Shannon，A mathematical theory of communication, The Bell System Technical Journal, vol. 27, 1948[6]. R1-167414, Enhanced Turbo Codes for NR: Performance Evaluation[7]. Global mobile data traffic forecast by ITU， https:/ /www. ericsson .com/en/ reports-and-papers /mobility-report /dataforecasts/ mobile- traf fic-forecast[8]. 5G移動終端天線設(shè)計，林輝等，中國工信出版社，2021，