自2007年iPhone初代發布以來，智能手機快速發展，屏幕、拍照、運算能力均得到大幅度提高，現在已經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，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注到手機通信能力優化帶來的收益，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”的技術方案》中，我們討論了有關“射頻增強”可能的技術方案。
在材料發出后，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，于是我們就把關系到手機通信能力的技術要點做一個總結，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絡中無線信號的接收和發送的能力，通信能力的高低會影響手機的上網速率、通信質量、網絡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。

但可以繼續深挖一下，一般來說，手機通信能力主要與以下幾個技術和優化有關，分別是：

通信技術能力

射頻技術能力

實際優化能力

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。

通信技術的評價

“通信技術”是電子工程里重要分支，是現代信息傳輸和信號處理的基礎，可以說沒有通信技術，就沒有現在的電話、互聯網、衛星等有線/無線通信網絡。通信技術是通信行業原理性的技術，在此我們只從實用的角度，對影響到手機通信能力的相關技術做一個討論。
在通信技術中，影響到手機通信能力的主要有高階調制能力、香農定理極限。

高階調制能力

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

圖：調制解調器在手機系統中的位置

在通信中，必須要將數據進行調制的原因是：

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

在調制中，最簡單的調制方式就是調幅或者調相等直接調制，這些方式主要有：

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

三種調制的工作方式如下圖所示。

圖：ASK、FSK、PSK調制方式

在以上調制中，每個調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，更高階的調制方式被發明了出來，這就是經常被提到的QPSK、16QAM、256QAM，甚至1024QAM。圖：QAM星座圖高階調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。對于選定要傳輸的信息，只需要挑選對應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，一個調制符號位攜帶了4個比特的信息，所以16QAM調制的信道利用率就是4。
圖：16QAM調制下的信息傳輸

同理，如果是利用1024QAM調制進行數據傳輸，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，這就是數字通信不斷追求高階調制的原因。
由于調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定。在2019年版本的4G手機白皮書中，上行調制方式僅需要支持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調制方式[3]。手機在調制方式上的能力做了增強，通信能力也相應提升。

圖：中國移動5G手機白皮書中對5G手機調制方式做的規定

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

圖：聯發科天璣7200 5G手機SoC芯片

SoC芯片將最高階調制實現后，還需要射頻前端通路完成高階調制信號的不失真傳輸。慧智微5G射頻前端系列產品均經過高階調制信號嚴格測試，確保信號高階調制傳輸不失真。

“香農定理”決定極限

既然高階調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制的QAM數，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“香農定理”。

香農（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歲的香農在其著名的論文《通信的數學理論》中，提出了如下經典公式：

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公式，也被認為是通信行業最著名的公式。
雖然數學公式總是讓人望而生畏，但香農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，和信號質量呈正比。以上理解已經可以幫我們解釋日常生活中的大多數問題，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量。這些在香農公式看來，都是為增強通信能力所做的必要努力。
香農公式的力量絕不只是幫我們理解通信這么簡單，香農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制等技術努力的極限在哪里。比如將香農公式略做變形，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），與信噪比之間的關系：

對于16QAM信號來說，如前節所述，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之間的關系

通過上圖可以看到，高階信號的傳輸對信號質量也提出了要求。這就說明手機信號強度對通信速率的重要性。在手機信號強的區域，信號信噪比高，手機就可以用高階調制進行數據傳輸；而當手機信號變弱，就必須要回退到低階調制來保障傳輸可靠，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量，以使手機盡可能的工作在高調制階數區域。
需要說明的是，上圖只是理論計算的理想情況，在實際應用中，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、射頻技術的評價

通過過去80多年的研究，通信技術在不斷的逼近香農定理的極限，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，根據國際電信聯盟ITU的統計和預測，在2010至2020的10年中，全球月移動通信數據由5億GB每月，提升至700億GB每月，數據增加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：全球移動通信數據

香農定理逼近極限，無線需求能力持續增加，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，也和以上技術的支持程度息息相關。

更大帶寬的通信頻段

根據香農定理，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。手機會在其規格參數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，對射頻前端設計提出了更多的挑戰，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組合數量增加至112個。

圖：不同價位平臺支持的CA組合數量

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作才能支持。 多入多出（MIMO）能力 MIMO技術的全稱是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。MIMO技術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，這四種結構的關系如下圖所示。

圖：從SISO，到MIMO

在SISO系統中，收發均為單一路徑，傳輸1路信號。在這種系統中，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，實現單發多收SIMO。單發多收系統可以提升信號的可靠性和穩定性。但由于接收到的信號是從同一個發射天線發射出來的，數據傳輸相同，所以分集接收并不能增加傳輸通道數目，也就不能使通信速率翻倍。
同樣的道理，可以實現多發單收MISO。由于接收天線只有一個，MISO系統同樣不能增加傳輸通道數目，但MISO系統可以用于設計發射端的波束賦形系統，利用發射信號間的相位相加，實現基站發射信號向特定方向的疊加增強。
如果將發射與接收信號同時增加，實現MIMO系統，就可以實現2路信號的同時收發，增加通道數目，使通信速率翻倍。這也就是4G/5G中的空間復用技術。對于收發同為2根天線的系統，也稱為2x2 MIMO系統。
為了支持MIMO系統，標準化組織或運營商會要求終端發射及接收通道數目。在規定中，發射一般用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手機收發通路數目有如下要求[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、性能優化的能力

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

圖：根據聯發科天璣7200規格

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，還需要在手機設計上多加考慮。例如需要考慮以下幾點的性能優化。

天線的優化設計能力
與筆記本電腦等其他移動設備不同，手機極其強調便攜性，這給手機的天線設計帶來極大挑戰。并且手機應用環境有著強的不確定性，手機需要在不同持握狀態下，均有好的通信信號。
不好的天線設計會讓前述通信能力的引入前功盡棄，蘋果iPhone 4就經歷過所謂的“天線門”，手機在特定握持狀態下，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. 發射通路功率的增強2. 接收通路干擾的避免與消除3. 結合場景的匹配優化這些增強的方法雖然不像第一、二節討論那樣，可以從通信原理的本質上提升通信能力，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要點。雖然不同手機使用的芯片可能相同，但在射頻性能調試上、結合場景優化上做的不同，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，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合，更好的做好場景優化，甚至可能通過手機與基站的協同，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備，通信能力的提升還必須要結合功耗、芯片尺寸、成本等多個因素進行優化，帶著鐐銬跳舞，在眾多限制中找到最優解。

總 結

自1973年大哥大的誕生以來，手機已經快速發展了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，但因為射頻技術復雜，場景眾多，較難量化，所以也是最難評價的能力之一。有關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。

圖片來源于網絡

參考文獻：[1]. https://www.apple.com.cn/iphone-14-pro/specs/[2]. 中國移動4G手機產品白皮書（2019年版），中國移動，2019年6月[3]. 中國移動5G手機產品白皮書（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移動終端天線設計，林輝等，中國工信出版社，2021，