SoC里住着一只“猫” 网络性能全靠它

《电脑爱好者》2018第2期 2018-06-25 13:27专题 标签:SoC 网络性能

对智能手机而言,它能达到哪 个级别的网络性能,不仅取决于SoC中集成的调制解调器(Modem)型号,同时还要受到载波聚合和天线数量的节制。为了让大家可以更精准把脉手机网络性能,这个章节就让我们走进“猫”的世界。

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温故知新 搞懂基本参数

想要区分不同调制解调器的强弱,首先就要搞懂和其有关的各项参数。

SoC

每一颗手机处理器在本质上都是完整的SoC(System-on-a-Chip,片上系统),除了我们熟悉的CPU和GPU外,还整合了ISP、DSP、协处理器等单元,而调制解调器也是SoC的重要组成部分(图1)。当然凡事都有例外,比如苹果A系列和三星早期的猎户座芯片就一直采用外挂基带的方式,弥补自家缺少调制解调器相关技术的不足。

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速率

速率(又称峰值带宽)是用来量化调制解调器性能的关键指标。从2G到准5G,经历了从Kbps→Mbps→Gbps的进化。以Mbps为例,Mbps=Mbit/s即兆比特每秒,这是一个表示传输速度的单位。不过,相信大家可能对MB/s这个单位更加熟悉,而Mbps和MB/s的换算方式是将Mbps前的数字除以8。比如300Mbps的理论速度就是37.5MB/s,而准5G的1Gbps速率,代表理论速度可达128MB/s。

Cat.x

Cat是一个缩写,全称是UE Category,“Cat.x”是对调制解调器上行/下行峰值速率的一个分级。一般情况下,Cat.后面紧跟的数字越大,代表这款调制解调器的网络传输速率峰值就越高越先进(图2)。需要注意的是,上行Cat和下行Cat在速率上并不对等,而手机厂商在宣传时主要会以下行Cat等级为卖点,因为上行速率总是很慢。

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上行

上行指的是用户设备向网络端发送信息,而上行带宽峰值速率指的则是手机在向网络发送数据时,固定时间内所被允许发送数据量的最大值。调制解调器支持的上行速率分级包括Cat.4(50Mbps)、Cat.5(75Mbps)、Cat.6(50Mbps)、Cat.7(100Mbps)、Cat.9(50Mbps)、Cat.13(150Mbps)几个等级,上行Cat.13代表了当前的最强性能。

下行

下行指的是用户设备从网络端接收信息,而下行带宽峰值指的则是手机在从网络接收数据时,固定时间内所被允许接收的数据量的最大值,也就是我们常说的实际下载速度。调制解调器支持的下行速率分级同样以Cat.表示,包括Cat.4(150Mbps)、Cat.6(300Mbps)、Cat.7(300Mbps)、Cat.9(450Mbps)、Cat.11(600Mbps)、Cat.12(600Mbps)、Cat.16(1Gbps)和Cat.18(1.2Gbps)(图3)。

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支持下行Cat.18的麒麟970

载波聚合

载波聚合简称CA(Carrier Aggregation),该技术可以将多个载波聚合成一个更宽的频谱,同时也可以把一些不连续的频谱碎片聚合到一起。得益于更宽的频谱,载波聚合后最直观的好处就是传输速度的大幅度提升,同时还能降低延迟、改善网络质量、提升吞吐量,使网络负载更加均衡,尤其是在负载较重的时候效果会更明显(图4)。调制解调器的下行和上行速度都能借助载波聚合提速,目前主流SoC(如骁龙625)普遍支持2CA(也就是2×20MHz),麒麟970和骁龙845支持5CA(5×20MHz),三星Exynos 9810更是可以实现6CA(6×20MHz)。

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QAM

QAM(Quadrature Amplitude Modulation,正交振幅调制)是一种信号调制方式,我们只需要知道QAM前面跟的数字越大,其数据传输效率就越高。主流级别SoC普遍仅支持64-QAM,而旗舰级SoC则可支持到256-QAM(图5)。

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x模x频

如今的智能手机都已支持全网通,而产品间较量的重心则转移到了x模x频这个参数上,比如5模13频、5模17频、5模32频等等。其中5模代表最主流的5种网络制式,分别为TD-LTE、FDD-LTE、TD-SCDMA、WCDMA、GSM,而蜂窝频段的多少,将决定手机能否在国外正常使用。比如5模17频才能做到大部分国外漫游,但你要想通吃全球,只有选择支持32频网络的手机。

以上就是我们需要温习的知识点,下面我们再以普及度最高的历代骁龙移动平台为例(表1),将这些参数融会贯通。

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不断进化的“喵星人”

作为SoC里的标配,调制解调器这个“喵星人”(下文我们就以“Modem”描述)自然也就居住在每一款智能手机体内。但是,不同Modem之间的性能和功能上的差距会非常大,而同一款Modem在不同手机上也会出现极大的性能差异。

保持一切连接的桥梁

Modem是智能手机与外界保持一切连接的主要桥梁,包括GSM、CDMA、WCDMA、LTE、Wi-Fi、BlueTooth等在内的协议和标准都要经过它才能完成,所以Modem的优劣将直接影响到数据传输的效果。不知道大家还记不记得苹果曾推出过的iPod touch(图6),它与同期的iPhone相比就是精简了Modem模块,所以它的价格就能比iPhone便宜数千元,由此可见Modem对手机的重要性。

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有必要追求更高标准吗

如今很多互联网企业都会选择和运营商合作,推出各种王卡、神卡、宝卡、强卡,在流量和资费上极具优势,1元/500MB省内流量足够我们随意折腾了。哪怕你没有办理新卡,为了维护老用户,很多地区的运营商每月也都会派送GB级别的免费流量包。在这种大环境下,更快的下载速度自然就能代表更好的上网体验了。

另一方面,国内三大运营商都在架设升级4G+网络(LTE-A Pro)(图7),其测试速度高达700Mbps,已经超过了Cat.12(下行)的峰值。换句话说,等4G+网络全面商用时,如果你的手机网速还在Cat.12以下就会瞬间落伍。同时,随着5G进程的加速,一些大城市还能提前享用1Gbps的极速,此时就只有支持Cat.16标准的手机才有机会享用了。

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很遗憾,Modem的研发技术门槛极高,期间还会涉及到来自高通等企业的专利壁垒,哪怕是强如苹果也不得不选择SoC+外挂Modem的方式,至于Modem的供应商则来自高通和英特尔。那么,现在都有哪些SoC值得我们关注?

主流SoC网络性能对比

如今还在销售的智能手机,除了联发科早期的Helio P10和P20平台,麒麟65x系列以外,几乎都可支持上行Cat.13,即150 Mbps的峰值速度。至于下行,只有骁龙660、麒麟960、三星Exynos 7885或更高级别的芯片才符合LTE-A Pro网络标准(表2),这意味着短期内绝大多数2000元以内的手机很难因运营商的基站升级而获益。

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除了上下行速度以外,Modem还有一个值得我们关注的功能,它就是“双卡双4G+双VoLTE”(图8)。该功能突破了传统双4G手机的限制,两张手机卡都能实现4G同时驻网(以往都是4G+2G),还能同时使用Volte高清语音通话。可惜,已上市的SoC中只有麒麟970、Helio P30/P23提供支持,即将量产的骁龙845和Exynos 8910也会将其作为标配。此外,是否支持蓝牙5.0,也是我们衡量新Modem或手机的考察项目。

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同一个Modem 不一样的性能

对不同品牌型号的手机来说,当SoC和内置的Modem相同时,它们的网络性能就应该极为接近吗?很遗憾,因为两个常见的问题,造成了令人唏嘘不已的结局。

首先,SoC内置的Modem是可以定制的(图9)。以小米6为例,虽然它搭载了骁龙835,但其集成的Modem却是骁龙X12 LTE。实际上,搭载骁龙835,且可实现1Gbps下行速率的只有三星Galaxy S8/Note8、HTC U11、Google Pixel 2和LG V30 等少数国际品牌机型的部分型号。

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其次,哪怕没有对SoC内的Modem本身进行阉割,如果没能在天线设计上投入额外的财力和精力,同样会导致性能缩水。

前不久外媒PCMag就对iPhone X(外挂骁龙X16 LTE Modem),以及三星Note 8、Google Pixel 2、LG V30三款搭载高通骁龙835(集成骁龙X16 LTE Modem)的Android旗舰,在LTE Band 4频段分别为2×2 MIMO和4×4 MIMO两种网络模式下进行了对比测试。

不出意外,iPhone X成绩垫底(图10)。原因有二,第一是iPhone X不支持4×4 MIMO天线,第二是为了平英特尔Modem和高通Modem的差距,苹果故意调低了高通骁龙X16 LTE Modem的性能表现。从4×4 MIMO的测试结果来看,在信号较好的情况下三款Android旗舰的表现相近,只有在信号最弱时才会出现明显的差距(图11)。

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对准5G的Modem而言,要想实现千兆级别的速度,不仅需要Modem自身支持,还需要射频和足够的天线数支持(图12)。比如骁龙X16 LTE Modem就至少需要3根LTE天线,其中2根通过4CA载波获得接近800Mbps的速率,1根通过2CA载波获得接近200Mbps的速率,加起来正好接近1Gbps。为了降低成本(或者说认为国内运营商基站环境用不上),绝大多数国产旗舰机都只配有2根LTE天线,射频模块也被简化,所以只能支持Cat.12的速率,比如一加5T等。

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类似的情况也出现在麒麟SoC阵营中。

华为Mate 10 Pro、Mate 10和荣耀V10都搭载了麒麟970芯片,但只有Mate 10 Pro采用了完整的4×4 MIMO,通过4根物理接收天线获得了Cat.18,也就是最高1.2Gbps的下行速率(图13)。Mate 10采用了4×2MIMO,所以下行标准降到了Cat.16,但也有着1.0Gbps级别的下行速率。荣耀V10对天线做了进一步的精简,下行标准只有Cat.12,一夜回到了解放前,和搭载麒麟960的前辈们持平。

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总之,就单纯的网络性能而言,在智能手机领域基本算诠释了“一分钱一分货”的道理。对普通用户看来,都是骁龙835平台,最低2499元,凭啥要买动辄5000元的?荣耀V10配置看起来和Mate 10系列差不多,为啥要加1000元买更贵的?

小结

当SoC集成Modem普遍达到Cat.12级别后,手机内置的天线设计就是品牌之间技术角力的舞台了。如果用通俗的话说,采用4×4 MIMO天线,再结合载波聚合和QAM技术的手机可以让你打《王者荣耀》时不卡机,玩《绝地求生》类游戏时可以大吉大利今晚吃鸡(图14)。

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不可否认的是,对(内部)寸土寸金的智能手机而言,如何在狭窄的空间之中塞进4根天线,同时还需要接收复杂的CA组合、开关、可调电容和用于天线控制系统的阻抗调谐器等等部件,绝对是一件吃力不讨好的技术活。但是,随着LTE-A Pro和5G商用的日益临近,4×4 MIMO势必会成为未来中高端智能手机的标配。也许半年以后,在最新基站覆盖的区域中,你就能明显感受到满血Modem带来的极致体验了(图15)。

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