?再不了解就OUT了！讀懂5G要了解這些：大規(guī)模天線...

2017-06-20  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

定義5G:新一代移動通信系統(tǒng),實現(xiàn)人、物全面通信

5G概念由需求確定,商業(yè)或提前宣傳

5G(FifthGeneration)是第五代移動通信的簡稱。這里強(qiáng)調(diào)了使用場景“移動通信”和發(fā)展階段“第五代”。移動通信自上世紀(jì)70年代出現(xiàn),到目前已經(jīng)經(jīng)歷了四代更迭。

對于移動通信的斷代,實際并不嚴(yán)格,可以從三個角度理解:需求、技術(shù)和商業(yè)。

需求斷代:這是移動通信斷代的主要依據(jù),也可以看為1G~4G的定義。每一次移動通信的升級,對應(yīng)了下行速率約10倍的提升。需求斷代有明確的需求指標(biāo)支撐,如4G要求下行速率1Gbps等。5G和之前幾代移動通信的不同點在于,其對需求指標(biāo)除了傳統(tǒng)的峰值速率指標(biāo),還提出了包括體驗速率、頻譜效率、空間容量、移動性能、網(wǎng)絡(luò)能效、連接密度和時延等八個而非一個關(guān)鍵要求。

技術(shù)斷代:1G~4G每一代通信系統(tǒng)都有一個核心技術(shù),按照技術(shù)斷代其實是選取了每一代的代表性技術(shù)作為標(biāo)簽,例如,1G時代的頻分多址(FDMA)、2G時代的時分多址(TDMA)、3G時代的碼分多址(CDMA),4G時代的正交頻分多址(OFDMA)等。隨著技術(shù)的提升,頻譜效率也相應(yīng)有了提升。

商業(yè)斷代:商品同技術(shù)一樣是持續(xù)升級的,并不會斷代,所以每當(dāng)新一代移動系統(tǒng)落地時商品的提前宣傳屢見不鮮。如運營商之前將HSPA+(即3.75G)宣傳成4G;“4G+”等概念一定程度也是商業(yè)概念;還有LTE和4G一起宣傳,實際上LTE的早期版本是不能滿足4G需求斷代中的性能指標(biāo)。可以預(yù)料到,5G即將爆發(fā)之前,會有一系列標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品、服務(wù)以5G作為商業(yè)宣傳出現(xiàn)。

5G全面包含物聯(lián)網(wǎng),成為終端增量支撐

從從5G規(guī)定的8大指標(biāo)可以看出,5G將會是一個全面的網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)國際電聯(lián)ITU的5G愿景,5G將會面向三大場景:增強(qiáng)移動寬帶場景(Enhancedmobilebroadband,eMBB)、低時延高可靠場景(Ultra-reliableandlowlatencycommunications,URLLC)和大連接低功耗場景(Massivemachinetypecommunications,mMTC)。從經(jīng)濟(jì)效益層面出發(fā),不適合通過一張網(wǎng)絡(luò)滿足三大場景,于是ITU提出利用三種網(wǎng)絡(luò)覆蓋此三大場景。在我國的5G標(biāo)準(zhǔn)中考慮人口因素還增加了高密度覆蓋場景。

如果說4G是3G的長期演進(jìn)結(jié)果,那么5G中的增強(qiáng)移動寬帶場景可以看為4G的長期演進(jìn)(但這種演進(jìn)因為編碼等技術(shù)的不同具有顛覆性)。而5G相比4G的增量在于后兩大場景對物聯(lián)網(wǎng)場景的覆蓋。近年,智能手機(jī)逐漸飽和,電腦更是出現(xiàn)銷量下滑,物聯(lián)網(wǎng)終端成為未來通信終端的增量,成為延續(xù)通信終端數(shù)量增長的支撐點。5G將會全面支持人與人、人與物和物與物的智能互聯(lián)。

迎接5G:甲方ITU5GG時間表已定愿景,乙方83GPP2018初步回應(yīng)

根據(jù)現(xiàn)有國際組織的時間表,5G將于2020年商用,然而實際商業(yè)環(huán)境中的5G概念產(chǎn)品很可能早已魚貫而出了。如美國通信運營商Verizon最近推出了Verizon“5G”標(biāo)準(zhǔn),從編碼、傳輸信號結(jié)構(gòu)等角度同全球范圍5G的標(biāo)準(zhǔn)難以融合,將其說成是5G值得商榷。由于5G商業(yè)噱頭的宣傳難以把握,本文對5G的探討僅基于需求和技術(shù)的定義展開。

對對4G落地過程的對比可以更深入了解5G目前的狀態(tài)。為了保證各廠家手機(jī)在世界范圍通信正常,全球范圍通信標(biāo)準(zhǔn)由聯(lián)合國專門機(jī)構(gòu)ITU(國際電信聯(lián)盟)確立,需要經(jīng)歷“愿景確定”-“頻譜規(guī)劃”-“標(biāo)準(zhǔn)征集”-“標(biāo)準(zhǔn)制定”-“推出商用”幾個步驟;而國內(nèi)商用之前還需要工信部發(fā)放牌照。

5G方面ITU時間表已進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)征集。2012年7月,在制定4G標(biāo)準(zhǔn)后,ITU開始籌備啟動5G愿景研究工作。無線通信部門主席和副主席在2014年2月會議上提出了“IMT-2020工作計劃”討論稿,并于2014年10月形成最終方案。方案明確了全球5G發(fā)展總體規(guī)劃、國際標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)制流程等重大問題,從而為后續(xù)的5G技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。根據(jù)ITU的愿景,5G的商用共分5個階段,10個步驟。ITU于2015年6月也制定了5G的時間表。5G已經(jīng)完成“愿景確定”步驟,由于5G“頻率規(guī)劃”復(fù)雜,將在“標(biāo)準(zhǔn)征集”階段同時完成“頻譜規(guī)劃”。

其中重要的兩個時間節(jié)點是:(1)初步技術(shù)文檔的提交截止日期2019年年6月的ITU無線通信部門第32次會議和(2)詳盡技術(shù)規(guī)范文檔的提交截止日期:2020年年10月的ITU無線通信部門第36次會議。

為了響應(yīng)ITU的號召,并在5G時代實現(xiàn)技術(shù)的主導(dǎo),全球相關(guān)組織都在積極布局5G研發(fā)。其中包括行業(yè)組織3GPP(第三代合作伙伴計劃)、IEEE(電氣和電子工程師協(xié)會)、NGMN(下一代通信網(wǎng)絡(luò)組織)、5GPPP(歐盟下設(shè)5G組織),以及地方組織IMT-2020(中國)、5GAmericas(美國)、5GForum(韓國)、5GMF(日本)、5GRUS(俄羅斯)、TAICS(臺灣地區(qū))、FuTUREForum(中國)等。

括其中負(fù)責(zé)技術(shù)面的組織包括3GPP和和IEEE,相當(dāng)于向ITU申請項目的乙方。而其他組織主要從需求端推動5G發(fā)展。除此之外,很多具有技術(shù)優(yōu)勢的公司也都獨立對5G進(jìn)行描述,希望能夠獲得最終話語權(quán)。

對不同的組織的理解是有必要的,臺灣就在4G時代選擇了IEEE的WiMAX技術(shù),在4G發(fā)展中走了彎路。

3GPP:5G時代領(lǐng)跑,2018年商用第一版本,2019年第二版本

3GPP集合了全球重要的通信、IT廠商,其5G方案最為全面和完整,也是4G時代的權(quán)威。3GPP下屬RAN和SA部門負(fù)責(zé)5G項目,目前正在進(jìn)行5G的初步研究,2017年年3月會有階段性討論結(jié)果,以Rel-14的形式體現(xiàn)。目前各家廠商都在努力爭取,存在重大爭議的問題通過推后討論方式處理。針對ITU的時間表,3GPP2018年年9月的Rel-15將是一個可用的商業(yè)版本,實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化4G和5G混合組網(wǎng);而3GPP將于2019年年12月凍結(jié)Rel-16,于于2020年年2月月ITU舉行的第34次會議上提前提交5G最終對標(biāo)準(zhǔn),其中將對5G通信的所有細(xì)節(jié)進(jìn)行覆蓋,按照標(biāo)準(zhǔn)即可構(gòu)建完整的5G通信系統(tǒng)。

IEEE:WiMAX時代強(qiáng)者,5G時代重要補(bǔ)充

IEEE是美國重要的通信標(biāo)準(zhǔn)化組織,曾提出WIFI、藍(lán)牙等全球通用通信標(biāo)準(zhǔn),之前提出的基于TD的WiMAX最終在同TD-LTE的競爭中失敗。然而在5G時代,擁有WiMAX的經(jīng)驗教訓(xùn),再加上多年的積淀,IEEE在5G部分標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計制定中擁有一席之地。IEEE于2015年11月召開多倫多5G峰會,2016年1月成立了5G標(biāo)準(zhǔn)委員會,2016年7月形成了兩個方案:

案方案1:與與3GPP合作開發(fā)。通過“LTEWIFI聚合”(LWA、eLWA等)系列技術(shù)將WIFI接入3GPP5G網(wǎng)絡(luò),提供寬帶接入服務(wù)。

方案2:獨立制定5G方案。通過沿用802.1OmniRAN的設(shè)計思路,兼容IEEE802.1的各種接入技術(shù)(如P802.1CF),提供靈活的寬帶接入方案。

兩種5G方案都不是完整的5G系統(tǒng),也并沒有完整的時間表。由于方案1的工作量較小,成為IEEE的首選5G方案。5G標(biāo)準(zhǔn)如果考慮集成IEEE的方案,可能同時使用WIFI和傳統(tǒng)移動通信。

其他組織:5GPPP和和NGMN各有側(cè)重,同3GPP協(xié)同歐洲5GPPP發(fā)布了一系列白皮書,涵蓋未來健康、工業(yè)、能源、汽車、網(wǎng)絡(luò)管理、教育娛樂等相關(guān)課題,同時資助了一系列5G相關(guān)項目,從項目中也可以了解到5G的一些重點研究領(lǐng)域。

NGMN2006年成立,其主導(dǎo)發(fā)起人是包括中國移動、DoCoMo、沃達(dá)豐、Orange、Sprint、KPN的7大運營商。作為運營商組織,發(fā)表了5G白皮書。NGMN在5G中扮演的角色是協(xié)調(diào)者,推動5G的普及。而從其時間表中可以看出NGMN同3GPP的協(xié)同性,體現(xiàn)了運營商對技術(shù)的支持。

地方組織:我國IMT-2020異軍突起,擁有重要話語權(quán)

全球還有若干地方組織對5G進(jìn)行研究,代表了全球各個區(qū)域?qū)τ?G的態(tài)度。日本明確表示,2020東京奧運會上提供5G服務(wù);歐洲目標(biāo)掌握20%5G核心專利,獲得全球35%市場。然而近期Turbo編碼退出歷史舞臺一事將會減弱歐洲的影響力。

我國IMT-2020(ITU項目選擇了相同的項目名)負(fù)責(zé)舉辦了全球第一屆5G研討會。其提出的5G需求“5G之花”被ITU幾乎全部接納。

最后,很多公司也推出自己的時間表、標(biāo)準(zhǔn)和白皮書,甚至開發(fā)了相應(yīng)產(chǎn)品,試圖推進(jìn)5G標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)度。

·日本第一大移動通信運營商NTTDOCOMO正研發(fā)高容量、低延遲、小能耗、低成本的5G網(wǎng)絡(luò)/系統(tǒng),包括5G核心網(wǎng)、大規(guī)模MIMO技術(shù)、高頻段5G小基站等。NTT預(yù)計會在2020年之前部署5G,并實現(xiàn)其與4GLTE系統(tǒng)的互通;2020年之后將部署60GHz以上的“5G+”,并能確保5G終端在“海量”小小區(qū)、微小區(qū)之間平滑、“無縫”的網(wǎng)絡(luò)切換。日本運營商軟銀還在9月9日啟動了“5GProject”計劃。

·韓國SKTelecom曾表示將于2017年正式試用5G,并規(guī)劃部署5張5G試驗網(wǎng);2020年正式商用5G;同時希望能在6GHz頻點以上的頻段部署5G,將優(yōu)先采取28GHz頻段。

·美國第一大移動通信運營商Verizon于8月聯(lián)合思科、愛立信、英特爾、LG、諾基亞、高通、三星,發(fā)布了4份5G無線接入標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范。

·高通近期甚至推出了首款應(yīng)用于5G網(wǎng)絡(luò)的芯片驍龍X50。該芯片基于28GHz毫米波段設(shè)計,同時兼容4G和5G網(wǎng)絡(luò)。在編碼方案中,高通也十分積極,支持的LDPC碼成為了5G長碼編碼標(biāo)準(zhǔn)。

·華為也發(fā)布了《5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)頂層設(shè)計理念》、《5G行業(yè)引用白皮書》等助力5G的發(fā)展。另外,華為也提出了一系列5G方案,在3GPP中努力爭奪話語權(quán)。近期的Polar碼入選控制編碼標(biāo)準(zhǔn)就由華為主推。我國運營商:三大運營商計劃明確,2018年最早試用我國三大運營商也紛紛對5G的落地時間進(jìn)行了表態(tài),表示2018年后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)。

落地時間總結(jié):國內(nèi)2018年開始初步商用,全球球3GPP搶跑者或撕裂標(biāo)準(zhǔn)

目前,全球3GPP成為實際5G的主導(dǎo)方。而所謂3GPP、IEEE、NGMN等組織背后是各大通信公司。相比4G時代,隨著通信公司的整合,5G時代大公司的發(fā)言權(quán)加重。所以這些組織的競爭更深層次是公司的競爭和公司所代表的國家的競爭。5G的目標(biāo)是實現(xiàn)全球標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一,為了爭奪5G時代的話語權(quán),各方競爭十分激烈。3GPP中的標(biāo)準(zhǔn)制定環(huán)節(jié)存在一票否決方法,為了獲得最終的平衡,3GPP的結(jié)果往往“讓各家同樣不開心”而非“讓某方開心”。為了在討論中獲得優(yōu)勢,最強(qiáng)勢的公司很可能推出早期產(chǎn)品以圖通過搶占市場獲得“事實上的標(biāo)準(zhǔn)”的主動權(quán)。

綜上,5G將在多個組織和廠商的討論后,在3GPP的主導(dǎo)下于2018年年9月確定早期標(biāo)準(zhǔn),2019年末~2020年初確定最終標(biāo)準(zhǔn),ITU將于2020年將此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行小幅修訂后宣布其為全球標(biāo)準(zhǔn)。

而其中高通等公司由于擁有技術(shù)話語權(quán),很可能提早發(fā)布相應(yīng)產(chǎn)品搶占市場,而此舉也受到了美國、日本、韓國運營商的支持。預(yù)計以上三國將有搶跑5G,可能。需要強(qiáng)調(diào)的是,4G時代三國就已經(jīng)有類似布局,搶跑ITU并不奇怪。然而美國Verizon近期搶跑3GPP則略有不同,甚至可能破壞5G的統(tǒng)一性。

我國在5G各個組織之中的話語權(quán)相比4G時代又有提高,預(yù)計2018年開始5G的預(yù)商用。

剖析5G:接入和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的完美結(jié)合,基站、終端、網(wǎng)絡(luò)全面升級

5G可行關(guān)鍵技術(shù)驗證試驗成功,重要技術(shù)一覽無余

5G概念似乎特別抽象,然而其落地是以一系列技術(shù)的落地來體現(xiàn)。我國工信部于今年1月7日正式啟動了5G技術(shù)研發(fā)試驗,分關(guān)鍵技術(shù)驗證、技術(shù)方案驗證和系統(tǒng)方案驗證三個階段推進(jìn)實施。

9月22日,第一階段試驗宣布成功。試驗充分驗證了大規(guī)模天線、新型多址、新型多載波、高頻段通信、先進(jìn)編碼(極化碼)調(diào)制、超密集組網(wǎng)、全雙工等7個無線關(guān)鍵技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)切片、移動邊緣計算、控制和承載分離、網(wǎng)絡(luò)功能重構(gòu)等4個網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)在5G場景需求的技術(shù)可行性。一階段試驗參與的公司包括華為、愛立信、中興、三星、上海貝爾、大唐電信和英特爾。

在完成了一階段試驗后,后續(xù)試驗預(yù)計將會更加順利地展開。論圍繞這些技術(shù)討論5G前瞻性的投資機(jī)會似乎更加有意義。其中無線關(guān)鍵技術(shù)指手機(jī)等終端和基站之間的關(guān)鍵通信技術(shù),用術(shù)語“NewRadio”(NR)代表新的通信技術(shù)方式,NR可是以看成是LTE的的5G版本;網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)指基站組網(wǎng)和基站與城域網(wǎng)之間通信的關(guān)鍵技術(shù)。

無線關(guān)鍵技術(shù):為提升傳輸效率全面升級終端

對5G無線技術(shù)理解,最直觀地是掌握通信最核心的原理——香農(nóng)公式。公式指導(dǎo)了歷代無線通信的設(shè)計,成為最經(jīng)典的通信原理。

通信系統(tǒng)理論傳輸最大信息量=收發(fā)其中一端最少天線流數(shù)×帶寬×信號質(zhì)量函數(shù)

5G無線關(guān)鍵技術(shù)大多數(shù)圍繞上面原理展開,還有部分目標(biāo)是提高用戶數(shù)量和降低時延。

大規(guī)模天線(MassiveMIMO):信號傳輸?shù)摹案呒芄歉蓸颉?/span>

多天線(MIMO)技術(shù)由貝爾實驗室在20世紀(jì)90年代提出,早在3G時代就被引入無線通信領(lǐng)域,4G中也是關(guān)鍵技術(shù)之一。經(jīng)歷多年發(fā)展,多天線技術(shù)已經(jīng)演進(jìn)為大規(guī)模天線技術(shù),擁有更多的收發(fā)終端。根據(jù)香農(nóng)公式,通過MIMO技術(shù)可以獲得兩個好處:

(1)提高效率:將天線分組,通過提高天線信道流數(shù)提高香農(nóng)公式的第一項,,可以比喻為通過建立高架橋?qū)崿F(xiàn)信號的并行傳輸;

(2)提高信號質(zhì)量:每組天線利用波束形成(定向發(fā)射)技術(shù)提高信號強(qiáng)度,從而提高香農(nóng)公式第三項。在高頻段的信號增強(qiáng)、高頻信號的覆蓋能力方面應(yīng)用更加必要,相當(dāng)于確定了直連通道高架橋的方向。

大規(guī)模MIMO技術(shù)是3GPP中研究的最重要的議題之一,大規(guī)模MIMO技術(shù)可以支持百根量級天線和十?dāng)?shù)天線流數(shù);而現(xiàn)有的LTE一般為20根天線以內(nèi),形成兩組天線。大規(guī)模MIMO相比傳統(tǒng)MIMO技術(shù)進(jìn)一步挖掘空間資源,充分地利用了頻譜效率。

雖然標(biāo)準(zhǔn)仍在爭論,但是多天線技術(shù)目前已經(jīng)可以應(yīng)用。軟銀已于9月16日在全國43城市的100個基站中使用相關(guān)技術(shù)。東京城區(qū)4個位置的測試表明多天線技術(shù)可以實現(xiàn)約6.7倍的通信速度提升。據(jù)估計,軟銀的多天線供貨商為我國中興通訊和華為。而中興通訊的MassiveMIMO產(chǎn)品已在國際屢屢獲獎,而大唐電信的MassiveMIMO也已集成了256個天線。上海也已經(jīng)有了大規(guī)模MIMO的試點。我國運營商中,中國移動近期曾公開表示將會在4G網(wǎng)絡(luò)中率先部署大規(guī)模天線技術(shù),提升用戶體驗。

我國本次5G試驗中,大唐大規(guī)模天線采用256個天線,128個射頻通道;采用10個終端,每個終端可以支持雙流傳輸。根據(jù)測試結(jié)果,在用戶分散情況下,以100MHz帶寬傳輸,峰值速率可以達(dá)到4Gbp/s,是單用戶場景的8倍。可見MIMO技術(shù)在提高并發(fā)性中的作用。另外需要注意的是,MIMO技術(shù)的性能同用戶的分布有很大關(guān)系,對于高密度場景性能會有下降。

新型多址:搭建更多專線,送貨不顧冗余,拆除減速帶

多址技術(shù)指基站區(qū)分用戶的技術(shù),其中的“址”代表“用戶端”。3G時代的CDMA、4G時代的OFDMA作為多址技術(shù)都是移動通信中最重要的技術(shù)之一。

多址技術(shù)主要目的在于提高基站接入用戶的數(shù)量。為達(dá)到此目的,5G使用的多址技術(shù)將會在原有多址技術(shù)的基礎(chǔ)上繼續(xù)增加用戶。然而用戶的增加會造成用戶之間信號的干擾。華為、中興、大唐等廠商通過精心設(shè)計提出的SCMA(基于多維調(diào)制和稀疏碼擴(kuò)頻的稀疏碼分多址技術(shù),華為提出),MUSA(基于復(fù)數(shù)多元碼及增強(qiáng)疊加編碼的多用戶共享接入技術(shù),中興提出),PDMA(基于非正交特征圖樣的圖樣分割多址技術(shù),大唐提出)算法,基于用戶信號的特點(如稀疏性),實現(xiàn)了在接收端通過計算抑制干擾的多址技術(shù)。如果將信息傳遞過程比喻為運送拼圖,4G時代送達(dá)的拼圖不存在錯誤,而5G時代送達(dá)的拼圖可能出現(xiàn)多余拼圖,需要用戶在終端處處理實現(xiàn)最終信息的正確接收。

同時,新型多址技術(shù)還將集成免調(diào)度傳輸,有效簡化信令流程,降低時延。這可以比喻為高速路上拆除了減速帶,提升了傳輸效率。

在我國的5G試驗中,相比LTE華為、中興下行吞吐量性能增益超過86%,華為、中興、大唐上行用戶連接能力均可提升3倍。

新型多載波:高速公路動態(tài)劃線,實現(xiàn)不同“車流”分流

OFDM技術(shù)存在子載波的頻譜外泄,對同步性要求較高。濾波器組多載波調(diào)制技術(shù)應(yīng)運而生,可以更靈活地進(jìn)行業(yè)務(wù)配置,是5G時代最重要的底層技術(shù)之一。

濾波器組多載波調(diào)制技術(shù)是OFDM的改進(jìn)。濾波器組多載波調(diào)制技術(shù)可以針對子帶進(jìn)行濾波,為不同業(yè)務(wù)配置不同的時延、帶寬等參數(shù),自適應(yīng)地應(yīng)對高速移動、物聯(lián)網(wǎng)、語音數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等各類5G業(yè)務(wù)。同時對保護(hù)帶的要求較低,進(jìn)一步提升了頻譜效率。現(xiàn)有的技術(shù)包括F-OFDM(華為提出)、FB-OFDM(中興提出)和UFOFDM(上海貝爾提出)等。

可以將多載波技術(shù)比喻為車流的分流。通過配置不同的參數(shù),信息的傳遞更加更加靈活,業(yè)務(wù)之間干擾減少。

全頻譜接入:增加超寬快車道,不同頻率路面坑洼成議題

根據(jù)香農(nóng)公式,5G時代超高的通信速率需要頻率上大帶寬的支持。4G時代的載波聚合技術(shù)已經(jīng)試圖高效利用低頻資源。5G時代更需要開發(fā)未利用的頻率資源。

5G的無線技術(shù)可由5G新空口(包括6GHz以下低頻技術(shù)和6GHz以上高頻技術(shù))和4G演進(jìn)空口兩部分組成。其中5G低頻新技術(shù)用于增強(qiáng)移動寬帶場景,高頻新技術(shù)聯(lián)合低頻技術(shù)組網(wǎng)用于熱點地區(qū);4G演進(jìn)技術(shù)作為補(bǔ)充。所以高頻技術(shù)僅用于人與人之間的高速通信;低頻技術(shù)用于人與人的通信和物聯(lián)網(wǎng)場景。

不同于4G時代,5G頻譜并沒有提前確定,這也是由于5G面臨高頻段通信技術(shù)的加入,而此技術(shù)尚未在全球達(dá)成共識。為了統(tǒng)一全球的毫米波頻率標(biāo)準(zhǔn),ITU在WRC-15會上通過了2019年WRC-191.13議題:審議國際移動通信未來發(fā)展的頻譜需求和候選頻段。同時公布了24GHz到86GHz之間的全球可用頻率的建議列表:24.25–27.5GHz,31.8–33.4GHz,37–40.5GHz,40.5–42.5GHz,45.5–50.2GHz,50.4–52.6GHz,66–76GHz,81–86GHz。

美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)已于2015年10月21日發(fā)布了擬議規(guī)范公告(NPRM),針對28GHz(27.5-28.35GHz)、37GHz(37-38.6GHz)、39GHz(38.6-40GHz)和64-71GHz頻帶提出全新且靈活的服務(wù)規(guī)則。今年7月,FCC又立法確定了這些頻率的應(yīng)用。而日本NTT也已提議將3.5GHz、4.5GHz和28GHz頻段作為5G服務(wù)的潛在備選頻段,并已將3.5GHz用于4G服務(wù)。

頻率的選擇對于通信系統(tǒng)的建設(shè)成本至關(guān)重要。根據(jù)Friis傳輸公式,無線電波在空氣中傳播的能量衰減正比于頻率的平方。因此現(xiàn)有的無線通信系統(tǒng)一般基于低頻實施,也有800MHz左右的頻段被稱為“黃金頻段”的說法。同時在更高頻率上,空氣中的水蒸汽等因素阻礙電磁波的傳播因素更加明顯,因此需要找到這類干擾最小的“大氣窗口”進(jìn)行電信服務(wù)的開展,而美日提到的這些頻點正是大氣窗口所在頻點。

必須要指出的是,高頻除了覆蓋能力的下降,傳輸中的多徑等效應(yīng)進(jìn)一步提升。信號處理的難度也進(jìn)一步提升。高頻信號波長更短,對其相位的控制精度和工藝密切相關(guān),對于噪聲更加敏感。同時高頻信號在放大等處理時,非線性更加明顯。另外,高頻信號的處理同材料密切相關(guān),新的半導(dǎo)體材料工程也成為高頻半導(dǎo)體領(lǐng)域的研究課題之一。

面對世界各國的5G頻率布局,我國也采取了一系列行動。(1)我國5G推進(jìn)組已完成2020年我國移動通信頻譜需求預(yù)測,結(jié)果顯示:到2020年,我國移動通信頻譜需求總量為1350~1810MHz,目前我國已規(guī)劃了687Mz移動通信頻譜,因此還需要新增663~1178MHz頻譜。(2))而8月印發(fā)的《國家無線電管理規(guī)劃(2016-2020年)》中闡述了我國“十三五”期間無線電管理的主要任務(wù),其中,在“創(chuàng)新頻譜管理,提高資源利用效率”方面提到,我國將完善陸地移動通信頻率規(guī)劃,適時開展公眾移動通信頻率調(diào)整重耕,為IMT-2020(5G)儲備不低于500MHz的頻譜資源。(3)新的無線電管理條例將建立動態(tài)頻譜共享機(jī)制和頻譜審計制度。(4)中國通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會無線通信技術(shù)工作委員會頻率工作組召開會議已經(jīng)通過了《移動通信頻譜重耕關(guān)鍵技術(shù)研究》報告。報告分析了移動通信系統(tǒng)的頻譜重耕需求,并對設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)的支持程度(面向“頻譜重耕”)作了研究,而且研究了頻譜重耕過程中包括頻點規(guī)劃、同頻干擾、鄰頻干擾等在內(nèi)的關(guān)鍵問題。隨著VoLTE技術(shù)的開展和3G的退網(wǎng),5G將在高頻率的同時重耕低頻資源。(5)現(xiàn)有2G、3G網(wǎng)絡(luò)通過VoLTE等技術(shù)替代逐步退網(wǎng),用于新無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

事實上,正因為帶寬對于5G的重要性,各個廠商早已瞄準(zhǔn)了高頻通信這一重點技術(shù)。在我國的5G試驗中,愛立信(15GHz)、中興(15GHz)、三星(28GHz)、諾基亞和上海貝爾(28GHz)、華為(73GHz)都完成了高頻段測試。諾基亞利用射線追蹤電腦仿真證明72GHz頻段適合移動業(yè)務(wù);三星主要關(guān)注28GHz和39GHz兩個頻段,并與NTTDoCoMo共同開展28GHz頻段測試,研究潛在的超寬帶混合波束成形和波束追蹤技術(shù);三星和愛立信已經(jīng)通過合并多徑反射信號證實了在28GHz頻段建立可靠無線鏈路的可能性;愛立信同NTTDoCoMo及SK電信的試驗將主要關(guān)注15GHz頻段的潛在可能性,并將探索新的天線技術(shù)以支持大規(guī)模MIMO;英特爾正在研究能夠支持在39GHz頻段實現(xiàn)移動接入和在60GHz實現(xiàn)Wi-Fi類似的WiGig(2016年10月末剛剛獲得WIFI聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證)操作的芯片集。

我國此次5G試驗,第一階段主要圍繞關(guān)鍵技術(shù)驗證,由各廠家自己決定頻段。從第二階段開始,要有統(tǒng)一的頻段,目前確定的是3400~3600MHz。第三階段之后,在3400~3600MHz基礎(chǔ)上,考慮增加低頻頻段,同時考慮引入6~100GHz的高頻段(28G、40G和70G等)。

除了利用高頻頻率,5G為了提高傳輸效率,提出更靈活地利用頻譜。(1)加速2、3G的退網(wǎng)實現(xiàn)頻譜共享;同時試點高頻頻譜的運營商之間的共享;(2)將WIFI用于5G組網(wǎng),拓展可用頻譜。WIFI相比傳統(tǒng)無線通信標(biāo)準(zhǔn)除了覆蓋范圍的變化,還有服務(wù)質(zhì)量(QoS)的保證。WIFI在非定義頻段實行搶占式接入,對于最低服務(wù)質(zhì)量不能保證。Verizon的5G版本對于WIFI十分重視,在QoS問題也需要做出相應(yīng)解決方案。

信道編碼方式:改造汽車,提高運送質(zhì)量

最近信道編碼方式受到了矚目。信道編碼類似于運送貨物前將貨物重新打包固定,防止貨物在運送過程中損壞或丟失。經(jīng)典的方法有漢明(Hamming)、格雷碼(Golay)、維特比碼(Viterbi)、Turbo、LDPC等,華為主推的Polar碼在3GPP的會議中成為了控制通道的編碼方式,在我國的5G試驗中也進(jìn)行了展示。

就在10月中旬的3GPP會議上,3GPP決定將LDPC確定為5G時代的長碼編碼方式。Turbo最終退出歷史舞臺,而Polar仍需要一段時間的積累。LDPC對于終端的計算能力要求進(jìn)一步提高,但是對于5G的低延時傳輸支持更好。LDPC的推動方高通因此有潛在受益。而短碼編碼方面,Polar勝出。

此次勝出是我國第一次實現(xiàn)核心通信標(biāo)準(zhǔn)的引領(lǐng)。Polar碼背水一戰(zhàn),力壓LDPC和Turbo成為控制通道編碼方式。這是我國通信行業(yè)廠商集體努力的結(jié)果,除了技術(shù)上的積累,各個廠商對于我國通信也的貢獻(xiàn)也令人敬佩。此次勝利是我國通信行業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈的勝利,體現(xiàn)了我國在全通通信業(yè)的話語權(quán)。

對標(biāo)準(zhǔn)的引領(lǐng)是CT、IT領(lǐng)域最核心的無形資產(chǎn)。這種資產(chǎn)可以通過表層的專利等有形方式和更深遠(yuǎn)的影響力等無形方式釋放。ErdalArikan教授已在美國對Polar碼專利進(jìn)行注冊,而對于此專利的引用專利共有11個,其中的四個都由華為公司提出,而四個專利中更有兩個全球?qū)＠?體現(xiàn)了其在Polar方面的影響力。而三星作為通信廠商名列第二。TI和希捷也有相關(guān)專利。

3G時代,CDMA在我國的發(fā)展速度不快,就是由于高通把持了大多數(shù)CDMA的通信標(biāo)準(zhǔn)。未來,Polar編碼會以軟件算法或者專用硬件單元的形式集成在基站和手機(jī)端的處理器中。果如果5G的標(biāo)準(zhǔn)在編碼方式上不出現(xiàn)割裂,每部手機(jī)都會在通信中應(yīng)用Polar碼。

超密集組網(wǎng):大流量地區(qū)的支撐柱,現(xiàn)有基站的有效補(bǔ)充

隨著終端數(shù)量的增多,現(xiàn)有的基站在辦公室、住宅、校園、大型集會、體育場、地鐵等場景中將會面臨流量的進(jìn)一步提升。同時,通信頻率的升高也暗示出新建站對應(yīng)蜂窩尺寸的降低和密度的提升。目前的蜂窩基站覆蓋半徑約為2km,稱為宏蜂窩(Macrocell)。未來可能出現(xiàn)皮蜂窩(Picocell)(半徑200米)和飛蜂窩(Femtocell)(半徑10米)。宏蜂窩基站的傳輸功率約為40W,而皮蜂窩和飛蜂窩甚至只需要瓦級和毫瓦級功率,皮蜂窩適合于戶外,飛蜂窩適合于室內(nèi)。小蜂窩的總體硬件成本可以大大低于宏蜂窩,而且更適合實現(xiàn)室內(nèi)等熱點區(qū)域的覆蓋。如果從天線密度角度理解超密集組網(wǎng),可以將大規(guī)模MIMO和超密集組網(wǎng)技術(shù)比較來理解。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計,在1950-2000年的50年間,語音編碼和調(diào)制等物理層技術(shù)進(jìn)步帶來不到10倍的頻譜效率提升;

采用更大的頻譜帶寬帶來的幾十倍的傳輸速率提升;而通過縮小小區(qū)半徑帶來的頻譜效率可以提升2700倍以上。

隨著基站密度的提升,縱向來看基站將會出現(xiàn)層次分化。很多基站(如小蜂窩)的回傳可能通過無線方式進(jìn)行,多跳回到光纖網(wǎng)絡(luò)。橫向來看為避免基站間干擾,基站的頻率和開關(guān)時間等也可能出現(xiàn)區(qū)分。另外超密集組網(wǎng)也提出了虛擬層、軟扇區(qū)等小區(qū)虛擬化概念,主要滿足用戶在小區(qū)之間切換時連續(xù)通信的要求。

小基站不同于室分(DAS)方案,更強(qiáng)調(diào)架構(gòu)簡化和基站可控。

靈活雙工&全雙工:建立雙層車道,復(fù)用頻譜資源

目前的LTETDD和LTEFDD技術(shù)雖然可以讓用戶感到同時收發(fā)信息,然而實際上收發(fā)時間或者頻率是不同的,是一種半雙工系統(tǒng),即通信一方發(fā)送和接收不能通過同一個頻譜同時進(jìn)行。視頻業(yè)務(wù)這類下行速率要求高;直播業(yè)務(wù)上行速率要求高;FaceTime業(yè)務(wù)上下行要求相同。面對不同的業(yè)務(wù),靈活的雙工方式變得更加有必要。由于目前TDD模式相比FDD模式在上下行資源配置方面更加靈活,未來雙工技術(shù)的發(fā)展主要基于TDD。

更進(jìn)一步地,通信雙方同時收發(fā)理論上可以將信道利用率提升一倍。但是全雙工需要解決收發(fā)信號的隔離。

全雙工模式下,如果發(fā)射信號和接收信號不正交,發(fā)射端產(chǎn)生的干擾信號比接收到的有用信號強(qiáng)數(shù)十億倍。正像會議對話的兩個人邊聽邊說又能聽懂對方的意思一樣,對終端的處理能力和檢測能力都有要求。華為在我國的的5G試驗中利用全雙工技術(shù)可以獲得90%以上的吞吐率增益。

終端直連:鄰里之間不需快遞,直接上門

終端直連技術(shù)主要應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)中的V2X,減少終端與網(wǎng)絡(luò)的交互,技術(shù)上可以結(jié)合LTE-D2D、WIFI、藍(lán)牙等方法實現(xiàn)終端的文件互傳。

網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù):網(wǎng)絡(luò)面向物聯(lián)網(wǎng)更加專業(yè)化,IT化趨勢明顯

5G雖然是無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),然而其對上層網(wǎng)絡(luò)也有一定優(yōu)化。2015年3GPP的SA2已經(jīng)開啟了NextGen項目,而Rel-14不但會確定無線技術(shù),5G的幾大網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)也會被包含。從趨勢上觀察,隨著CT服務(wù)的逐步豐滿,CT網(wǎng)絡(luò)會向IT網(wǎng)絡(luò)逐步演進(jìn)。

網(wǎng)絡(luò)切片:網(wǎng)絡(luò)側(cè)的分流,云技術(shù)、SDN、NFV的集合體

傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)采用“一刀切”的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)明確面向移動手機(jī)用戶。5G時代單一物理網(wǎng)絡(luò)似乎難以滿足不同用戶的要求,除了上文提到的信號域多載波技術(shù),網(wǎng)絡(luò)側(cè)網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)將不同業(yè)務(wù)劃分在不同通道,優(yōu)化了任務(wù)的開展實施,為典型的業(yè)務(wù)場景分配獨立的網(wǎng)絡(luò)切片。網(wǎng)絡(luò)切片基于NFV展開,面向不同的業(yè)務(wù)提供不同的服務(wù)。通過切片技術(shù),云端和終端形成了分業(yè)務(wù)的直連通路,業(yè)務(wù)效率實現(xiàn)了最優(yōu)化。不同分片的網(wǎng)絡(luò)功能、擁塞、過載、配置調(diào)整都不對其他分片形成影響。

當(dāng)前ETSINFV、ITU、3GPP、CCSA等標(biāo)準(zhǔn)組織正在制定或即將開始相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)工作,產(chǎn)業(yè)界也在積極投入移動網(wǎng)絡(luò)切片的研究和試驗。愛立信作為概念的提出者,與SK電訊于2015年10月23日成功演示了5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)。該演示在韓國Bundang的SK電訊企業(yè)研發(fā)中心進(jìn)行,演示創(chuàng)建了專為超多視點、增強(qiáng)現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)以及企業(yè)解決方案等業(yè)務(wù)優(yōu)化的虛擬網(wǎng)絡(luò)切片。而今年二月,華為也分別聯(lián)合中國移動、德國電信等演示了5G端到端網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)。

VPN是網(wǎng)絡(luò)切片的基本版本,而云技術(shù)、SDN和NFV等技術(shù)提供了一系列的工具,使架構(gòu)師能更抽象地打造系統(tǒng),從而提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性。SDN通過對流量的頂層設(shè)計,可以實現(xiàn)5G復(fù)雜場景下的網(wǎng)絡(luò)側(cè)的整體接入性能;基于NFV按需編排網(wǎng)絡(luò)資源,可以滿足端到端的業(yè)務(wù)體驗和高效的網(wǎng)絡(luò)運營需求。預(yù)計5G的的NFV將從核心網(wǎng)向無線接入網(wǎng)推進(jìn)。

移動邊緣計算:用戶家門口建立工廠、倉庫,實現(xiàn)“霧”計算

對于高速業(yè)務(wù),除了無線側(cè)的加速,資源由骨干網(wǎng)下沉成為一大趨勢,移動邊緣計算(Mobile Edge Computing,MEC)應(yīng)運而生。移動邊緣使得網(wǎng)絡(luò)扁平化、智能化、本地化,是“云”的進(jìn)一步升級。MEC相當(dāng)于在離用戶更近的地方建立了工廠、倉庫,實現(xiàn)了資源的快速調(diào)度。中國移動在上海F1賽事中曾試用MEC部署,內(nèi)容直接同無線網(wǎng)連接,直播延時僅有0.5秒。大唐電信也提出了利用接入網(wǎng)小型服務(wù)節(jié)點實現(xiàn)MEC的產(chǎn)品。另外,移動邊緣計算還要滿足高速移動時,終端的邊緣切換要求。

MEC技術(shù)上比較成熟,但在資源下沉的位置方面仍有爭議,實現(xiàn)方案有四種:

1.資源下沉到基站,在現(xiàn)有4G的eNodeB加裝MEC服務(wù)器,資源最貼近用戶;

2.資源下沉到P-GW,在計費系統(tǒng)加裝MEC服務(wù)器。計費清晰方便;

3.CDN下沉成為MEC服務(wù)器;

4.重新建設(shè)基站架構(gòu),通過NFV方式實現(xiàn)資源下沉。

MEC的思想是網(wǎng)絡(luò)扁平化的體現(xiàn),總體來講通過NFV方式實現(xiàn)是最終目標(biāo),然而實現(xiàn)中還要考慮計費、成本、移動性、安全性等多種問題。中國移動近期C-RAN云化也將MEC作為重點,而中國移動作為5G網(wǎng)絡(luò)3GPP網(wǎng)絡(luò)設(shè)計牽頭單位,對MEC的推動力度預(yù)計較強(qiáng)。

潛在應(yīng)用技術(shù):SDN/NFV和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

雖然很多技術(shù)并沒有在我國5G初步試驗中被包含,但以下技術(shù)必將會在5G時代的網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮更大的效用。

SDN/NFV技術(shù):5G網(wǎng)絡(luò)無處不在的蔓延

從上文可以看出,雖然SDN和NFV技術(shù)并沒有獨立成為關(guān)鍵技術(shù),但是此技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計算等應(yīng)用落地的核心。SDN架構(gòu)將控制面和數(shù)據(jù)面分離,高效控制網(wǎng)絡(luò),而NFV可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)運營商和設(shè)備商解綁。對于5G網(wǎng)絡(luò)的低時延、高效能都有重要意義,可以作為5G最底層的技術(shù)看待。

物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù):NB-IoT作為先鋒,投資機(jī)會最先來臨

5G對物聯(lián)網(wǎng)提出了確定性的支持。3GPP的R12版本的Cat1同現(xiàn)有LTE相容,但卻傳輸率較高、較為耗電、成本較高,Cat0同現(xiàn)有LTE又不相容。R13的CatM與NB-IoT則更加成熟,分別面向1.4MHz和200kHz組網(wǎng)。3GPP為了快速布局物聯(lián)網(wǎng),僅使用9個月就完成NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)訂立,可見物聯(lián)網(wǎng)市場的競爭。3GPP也的R13中也同時提出了補(bǔ)充技術(shù)eMTC和EC-GSM作為備選。

未來5G也將有物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議落地,然而NB-IoT預(yù)計會在一段時間內(nèi)成為5G的近期標(biāo)準(zhǔn)。2016年11月18日,我國第一家NB-IoT商用局已經(jīng)于福州啟用。預(yù)計2017年將迎來NB-IoT的大規(guī)模商用。

車聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù):LTE-V2X明年落地,成為車聯(lián)網(wǎng)重要標(biāo)準(zhǔn)

5G也將會對URLLC場景設(shè)立標(biāo)準(zhǔn),然而作為URLLC場景的代表,車聯(lián)網(wǎng)場景會首先使用LTE-V。我國大唐電信在其中做了大量工作。

量化5G:未來網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)業(yè)鏈和投資分析

4G時代的網(wǎng)絡(luò)相比3G時代取消了電路域并引入了新技術(shù),實現(xiàn)了質(zhì)的突破。5G時代,網(wǎng)絡(luò)又會出現(xiàn)一系列變化。

未來5G變化暢想:終端側(cè)、網(wǎng)絡(luò)側(cè)并行成長的時代將至

終端側(cè):強(qiáng)調(diào)芯片、天線的能力提升,多種終端接踵而來

1、5G時代將會出現(xiàn)三種不同的終端。車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、低功耗物聯(lián)網(wǎng)終端等會成為手機(jī)之后移動網(wǎng)絡(luò)終端的第一增量貢獻(xiàn)。5G時代,物聯(lián)網(wǎng)終端密度可能比現(xiàn)有手機(jī)密度高出10倍,也即人均擁有10個聯(lián)網(wǎng)終端,汽車、自行車、空調(diào)、燈具、窗簾、門鎖、電表、手表、衣帽、音響、行李箱都可能實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng),快遞也會實現(xiàn)實時查看,工業(yè)機(jī)器人通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置......而很大一部分終端將是通過NB-IoT、eMTC等技術(shù)連接的低功耗物聯(lián)網(wǎng)終端。5G時代物聯(lián)網(wǎng)將成為改變?nèi)藗兩畹淖畲罅咙c。

2、手機(jī)基帶芯片計算能力更強(qiáng)。目前的手機(jī)CPU和基帶整合基本完成,基帶的提升也即手機(jī)核心處理器的提升?；鶐酒–PU處理器、信道編碼器、數(shù)字信號處理器、調(diào)制解調(diào)器和接口模塊。先進(jìn)編碼調(diào)制對信道編碼器提出了要求;新型多址、新型多載波對調(diào)制解調(diào)器提出了要求;大規(guī)模MIMO、全雙工、高頻段通信、超密集組網(wǎng)由于提升了數(shù)據(jù)量,對整個芯片都提出了要求。

3、天線更加多元。除了目前的雙天線,多天線技術(shù)會出現(xiàn)。同時,高頻段小尺寸天線也會集成在手機(jī)之中。由于受到手握原因影響,高頻天線很可能首先布放在手機(jī)上端和下端小截面以防觸摸或者通過集成在芯片中的方式實現(xiàn)芯片化;低頻天線主要布放于手機(jī)后蓋,手機(jī)外殼制造難度進(jìn)一步提升。手機(jī)為了追求全向的接收,多天線的設(shè)計主要增強(qiáng)其接收通道數(shù),與基站測MIMO天線同時提升定向能力有一定區(qū)別。

4、基于以上影響屏幕會拋棄LCD節(jié)省電能,大屏幕移動終端設(shè)備出現(xiàn)。電池容量進(jìn)一步提升。手機(jī)發(fā)熱現(xiàn)象成為未來重要研究問題。

5、車聯(lián)網(wǎng)成為輔助駕駛的前奏曲。汽車上的終端除了多媒體應(yīng)用,添加了V2X功能,可以查看汽車周圍100米左右范圍的加油站、紅綠燈、監(jiān)控攝像頭、垃圾桶、減速帶、基站、收費站等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和路上的其他汽車;也可以實現(xiàn)汽車的遠(yuǎn)程控制,包括遠(yuǎn)程暖車、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。

6、其他新設(shè)備成為手機(jī)后新的終端形式。從簡單的手機(jī)Goggle到輕便的專業(yè)VR設(shè)備將會逐步落地。長期來看,無線VR設(shè)備、無人機(jī)、可能作為新的聯(lián)網(wǎng)終端成為人同外部世界溝通的橋梁。

網(wǎng)絡(luò)側(cè):C-RAN、D-RAN、宏基站組網(wǎng)方式更加多樣,核心層更加扁平

4G時代的基站包括天線、RRU、BBU三個部分,功能主要包括無線電磁波的接收發(fā)送、電磁波到電信號的轉(zhuǎn)換和處理和同核心網(wǎng)的連接。5G時代基站已被3GPP定名為gNB,未來將會呈現(xiàn)以下變化。

1、組網(wǎng)方式更靈活,出現(xiàn)更多樣的蜂窩架構(gòu)方式,C-RAN、D-RAN、網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)(Mesh)、D2D接入將會共存。

C-RAN是將多個基帶處理單元集中,通過大規(guī)模基帶處理池增加現(xiàn)有射頻拉遠(yuǎn)演規(guī)模,為成百上千個遠(yuǎn)端服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)。中國移動4G時代C-RAN已經(jīng)在近20個城市布設(shè)。5G時代BBU的設(shè)置會更加集中,RRU與BBU之間的距離也會相應(yīng)變遠(yuǎn),從現(xiàn)有市區(qū)1公里間隔量級提升至10公里量級。5G時代,C-RAN將大范圍鋪開,BBU之間的協(xié)作更加方便、迅速,三大運營商C-RAN數(shù)量可能達(dá)到30萬個。BBU還進(jìn)一步地可以通過軟件無線電、NFV技術(shù)實現(xiàn)靈活設(shè)置,形成更大型、計算能力更強(qiáng)的BBU,甚至通過虛擬化技術(shù)形成本地內(nèi)容、計算資源池。C-RAN減少了基站機(jī)房的數(shù)量,同時降低了能耗。然而其時延性能不足,同時對光纖等的要求較高(LTE三扇區(qū)單小區(qū)對應(yīng)的RRU帶寬為16Gbps)。C-RAN對于光通信網(wǎng)絡(luò)也提出了更大容量、更高速率要求。D-RAN面向超密集組網(wǎng)場景,相應(yīng)用戶較強(qiáng)的通信需求,通過更多的小基站布放實現(xiàn)通信能力的提升。和C-RAN不同的是,C-RAN強(qiáng)調(diào)覆蓋區(qū)域大小,D-RAN強(qiáng)調(diào)覆蓋速率。而D-RAN中,小基站很可能同時集成RRU和BBU,以提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù);也可能僅有RRU,實現(xiàn)分層次的基站設(shè)置。D-RAN對“蜂窩”概念進(jìn)行了顛覆,未來的蜂窩網(wǎng)絡(luò)不再同構(gòu)。

Mesh網(wǎng)絡(luò)相比現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò),BBU之間的互聯(lián)會加強(qiáng),從現(xiàn)有的X2接口進(jìn)一步提升至更深層的互聯(lián),提升BBU之間的協(xié)作能力。Mesh網(wǎng)絡(luò)也能連接各類不同的RAN,如小基站、傳統(tǒng)宏基站、D2D站等。同時Mesh網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)調(diào)基站的動態(tài)自適應(yīng)性,基站之間的配合更加自主而智能。小區(qū)甚至不再有固定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),可以快速重構(gòu)。

D2D面向臨時自組織的終端網(wǎng)絡(luò),作為通信補(bǔ)充。

2、基站層次更加明顯,組網(wǎng)架構(gòu)對應(yīng)場景更加專業(yè)。

宏基站重點采用6G以下頻段,為室外環(huán)境和寬闊室內(nèi)環(huán)境提供覆蓋能力。在應(yīng)用密集區(qū)域,部分宏基站采用高頻段布設(shè),由于頻率提升,尺寸變小,基站覆蓋區(qū)域變小(百米量級)。

微基站類似于現(xiàn)有WIFI的接入點,部分微基站采用高頻,作為補(bǔ)充選擇性密集布放,對商業(yè)樓盤、火車站、地鐵站等高耗流地區(qū)或者居民樓等室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行小范圍(百米以內(nèi)量級)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化,采用D-RAN技術(shù)靈活部署。

C-RAN服務(wù)在汽車、高鐵領(lǐng)域,方便高速移動場景下的站點切換。

D2D一方面用于車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域方便終端迅速溝通,另一方面用于個人通信領(lǐng)域,作為通信補(bǔ)充。

3、大規(guī)模MIMO逐步采用,天線、RRU集成化更明顯,RRU價值提升。

大規(guī)模MIMO技術(shù)會在宏基站上面選擇使用,重點覆蓋商業(yè)區(qū)、體育場等高耗流地區(qū)和摩天大樓等垂直分布需求較高的地區(qū)。較目前的天線通道數(shù)和振子數(shù)都有提升。同時在布設(shè)中不一定通過機(jī)械調(diào)節(jié)向下覆蓋,可能會通過電子方法調(diào)整朝向,覆蓋摩天大樓等(也稱為3D-MIMO)。微基站天線方面采用多根天線布設(shè),由于部分采用高頻布設(shè),天線設(shè)計會更加小型、精密。

由于全雙工技術(shù)的出現(xiàn),RRU系統(tǒng)中雙工器取消,再加上頻率的升高,將高頻信號解調(diào)至低頻變得更加困難,RRU難度提升。同時由于高頻信號的引入,高頻微基站的RRU變得更加小型化,同天線集成存在可能。高頻RRU中的濾波器、模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換(A/D)、數(shù)字模擬信號轉(zhuǎn)換芯片(D/A)由于處理高頻信號,難度會進(jìn)一步提升。

4、NFV降低硬件成本,硬件支持網(wǎng)絡(luò)切片,物理層協(xié)同組網(wǎng)架構(gòu)。

短期,NB-IoT模塊會集成在基站中,采用低頻譜節(jié)約傳輸成本。

長期,NFV技術(shù)會從核心網(wǎng)逐漸引入基站中,BBU會通過通用硬件替代。從而通過虛擬化技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片,設(shè)置物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、手機(jī)通信的專用通路。網(wǎng)絡(luò)更加扁平化。核心網(wǎng)控制功能SGW、PGW、MME等也將被通用硬件實現(xiàn)成為其中的模塊,部署在接入網(wǎng)邊緣,或者與基站融合部署。

5、資源下沉,基站或下沉式CDN成為MEC候選資源池。

NFV使得邊緣計算成為了可能?；緜?cè)通過NFV引入通用硬件,虛擬化出的資源可以作為池承載網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容資源,提供最近距離的內(nèi)容供給。NFV技術(shù)同時可以在MEC前實現(xiàn)計費系統(tǒng)的模塊化,實現(xiàn)云計算的落地。CDN也可能從業(yè)務(wù)層下沉,成為MEC的承載基礎(chǔ)。

6、鐵塔資源進(jìn)一步整合,過剩資源部分得到應(yīng)用。

目前我國的鐵塔存在結(jié)構(gòu)性不平衡,鐵塔平均租用率不高。未來,部分鐵塔將有可能拆除,部分過剩鐵塔搭載宏基站。另外,路燈、井蓋等公共設(shè)施也有可能成為復(fù)用的鐵塔,進(jìn)一步節(jié)省鐵塔資源。

內(nèi)容側(cè):VR、4K、物聯(lián)網(wǎng)等成為殺手應(yīng)用

1、流量價格進(jìn)一步下降,移動高清視頻爆發(fā)。移動手機(jī)視頻更加普及。可視電話應(yīng)用逐漸興起。

2、VR內(nèi)容、4K內(nèi)容更加普遍,高清付費模式更加成熟。

3、物聯(lián)網(wǎng)管理平臺和網(wǎng)站會逐步出現(xiàn),通過數(shù)據(jù)提升效率成為物聯(lián)網(wǎng)更核心的意義。

4、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng),互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)級服務(wù)更加成熟。

投資機(jī)會量化分析:終端、基站、核心層全面升級

由于5G的方案仍然沒有完全確定,這里僅作一個前瞻性的投資機(jī)會分析,并且基于現(xiàn)有4G基站分析,沒有考慮2G、3G基站。定量分析同未來的實際可能存在一定差距。

終端:手機(jī)天線市場規(guī)模或提升275%,CPU芯片保持穩(wěn)定

手機(jī)端天線為實現(xiàn)低頻和高頻的支持,數(shù)量提升。同時,高頻天線相比低頻天線制作難度和工藝都有更高的要求。另外,隨著物聯(lián)網(wǎng)終端的加入,天線數(shù)量將有進(jìn)一步提升。我們假設(shè)全球手機(jī)出貨量為20億臺,每臺手機(jī)的天線價格從10元提升至30元,則手機(jī)天線市場將達(dá)600億元人民幣規(guī)模。物聯(lián)網(wǎng)終端低端天線價格3元,按照每年50億終端估計,則市場規(guī)模在150億元人民幣?？傮w看來,終端天線相比現(xiàn)有市場規(guī)?；蛱岣?75%。

CPU大幅提升,或因摩爾定律保持穩(wěn)定。手機(jī)終端CPU因5G對計算能力的要求,性能需要大幅提升。然而由于摩爾定律預(yù)測了芯片價格的迅速下降,雖然目前廠商已經(jīng)不再按照摩爾定律的速度設(shè)計芯片,預(yù)計未來手機(jī)CPU價格或繼續(xù)保持穩(wěn)定或小幅上漲。按照每片平均價100元價格測算,則市場空間在2000億元/年。

基站設(shè)備:接入層基站側(cè)5G整體投資規(guī)?；蚩蛇_(dá)6500億元

5G時代基站將分層,出現(xiàn)C-RAN大型基站、宏基站和小微基站等主流基站模式。對接入層基站側(cè)4G基站升級整體投資規(guī)?；蛟?500億元規(guī)模。

2014-2016年,三大運營商4G無線網(wǎng)絡(luò)投資總規(guī)模約為4000億元。我們對現(xiàn)有4G宏基站升級進(jìn)行測算?，F(xiàn)有4G宏基站約300萬(中國移動143萬,中國電信84萬,其中30萬在建,中國聯(lián)通70萬,年內(nèi)建設(shè)60萬)。未來5G宏基站數(shù)量預(yù)計也將達(dá)到400萬規(guī)模。同時隨著高頻設(shè)備基站建站難度提升,價格將會有一定上升。我們預(yù)計,三大運營商5G無線網(wǎng)絡(luò)投資總規(guī)模約為6500億元,其中:宏基站總數(shù)約為400萬個,小微基站約600萬個。

1、BBU處理設(shè)備級升級3000億元。基站計算處理芯片的升級成為未來的重要投資內(nèi)容。而隨著NFV的落地,專用的通信設(shè)備將會被NFV設(shè)備逐步替代,未來設(shè)備升級成本有望降低。而MEC的部署有可能從宏基站展開。整體基站板卡的投資費用估計為7.5萬元,總計3000億元。

2、天線整體600億元,約150億/年。第一,天線陣子數(shù)量因為大規(guī)模MIMO技術(shù)顯著提升。現(xiàn)有天線一般擁有10~20個振子,5G時代將出現(xiàn)擁有128~256個振子的大規(guī)模天線陣。第二,新建基站帶來天線數(shù)量的進(jìn)一步擴(kuò)容。第三,高頻天線難度增大。相比終端天線,高頻天線要實現(xiàn)更大功率的高頻信號發(fā)射,天線實現(xiàn)難度和價格相應(yīng)提升。第四,天線新技術(shù)增加附加值。天線的遠(yuǎn)程電調(diào)、熱插拔、劈裂天線等技術(shù)趨勢都提升了天線的附加值。對于高頻天線,為減小信號衰減,振子和RRU的距離將進(jìn)一步拉近,甚至實現(xiàn)集成,即有源天線。用第五,宏基站將采用C-RAN技術(shù)布設(shè)。即繼續(xù)通過光纖拉遠(yuǎn)天線,未來一個基站可能對應(yīng)多副天線?；谶@些升級,每個宏基站天線價格有望因為MIMO技術(shù)等新技術(shù)從現(xiàn)在的均價4000元提升至均價6000~8000元?？紤]進(jìn)一步的天下拉遠(yuǎn),則天線設(shè)備市場規(guī)?？蛇_(dá)600億元,按照四年建設(shè)期計算,年均市場規(guī)模在150億/年。

3、濾波器、功放100億元/年。隨著天線通道數(shù)量的增加,后端的基站配套設(shè)備(濾波器、功放、天饋等)規(guī)模也相應(yīng)的提升。加之頻率提升,配套器件的附加值進(jìn)一步提升。濾波器方面,美國擁有高頻寬帶濾波器技術(shù)全球領(lǐng)先的公司,如LINEAR、Analog等,其模擬濾波器產(chǎn)品一般為IC芯片,我國在此方面處于追趕態(tài)勢。

我國在高頻方面的發(fā)展相對低頻成熟度不夠,大帶寬的產(chǎn)品只在軍用雷達(dá)中采用,未來或逐步民用。濾波器、功放市場規(guī)模約為在60億元/年。未來,隨著頻率提升,兩個市場都有翻倍可能,市場規(guī)模達(dá)到100億元/年。由于全雙工技術(shù)的引入,雙工器可能會逐步取消。

4、光模塊。5G時代C-RAN中的光模塊使用更加高頻,同時光模塊的性能進(jìn)一步提升。假設(shè)每個基站光模塊升級費用為3000元,則在無線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的投資也在120億量級。

微基站投資思路高類似于宏基站。小基站的建設(shè)落地會進(jìn)一步推高5G投資規(guī)模。假設(shè)微基站密度為現(xiàn)有宏基站的二倍。對于600萬個微基站的投入,假設(shè)基站價格為5000元,則資本開支在300億元規(guī)模。

其中,微基站中的高頻天線由于集成RRU,價格或在1000元左右;低頻微基站天線價格也在400元左右,如果按照800元均價分析,微基站的天線設(shè)備投入成本約50億元。

匯聚、核心網(wǎng):NFV逐步落地,通用硬件逐步替代規(guī)模千億

匯聚網(wǎng)和核心網(wǎng)中,SDN、NFV逐步落地。將進(jìn)一步拉動無線側(cè)投資,預(yù)計規(guī)模也在千億量級。

投資節(jié)奏:物聯(lián)網(wǎng)先行,終端、基站接力爆發(fā)

本文開始就回答了5G落地的問題。然而已經(jīng)看到,5G相比4G擁有更多復(fù)雜的技術(shù),5G時代的投資節(jié)奏同4G相比將會有較大差別。如果將前一段時間NB-IoT帶來的投資機(jī)會作為5G投資的前奏,則未來一段時間這樣的前奏會越來越密集,會在不同的模塊爆發(fā),最終形成一曲協(xié)奏曲!相比4G大風(fēng)大浪的投資節(jié)奏,5G的節(jié)奏會更加平穩(wěn),所以在5G投資中更要注意節(jié)奏把握。

我國優(yōu)勢:5G全球領(lǐng)跑,產(chǎn)業(yè)鏈逐步健全,關(guān)注全球市場投資

經(jīng)歷了2G的落后、3G的追趕和4G的同步后,在5G的發(fā)展中,我國承擔(dān)了更加重要的角色,甚至實現(xiàn)了國際領(lǐng)先。

我國4G中提出的LTETDD制式在4G中作為補(bǔ)充,然而在5G中的意義更加突出。。(1)大規(guī)模MIMO應(yīng)用的重要假設(shè)是上傳下傳模型的一致性。FDD頻點不同,信道互易性差;TDD更適合大規(guī)模天線陣的部署。(2)TDD更易于滿足超密集組網(wǎng)對應(yīng)的上下行業(yè)務(wù)不對稱需求,更易于小蜂窩覆蓋和靈活組網(wǎng);(3)D2D場景因為不存在中央節(jié)點,可以通過更靈活的時隙配比實現(xiàn)多方的D2D業(yè)務(wù),而不是兩方的FDD業(yè)務(wù)。

我國在全球的話語權(quán)也不斷提升。我國科學(xué)家趙厚麟現(xiàn)任ITU秘書長。中國移動在48個國家的支持下成為5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究組組長單位,最近又成功牽頭3GPPSA工作組5G系統(tǒng)設(shè)計。我國華為、中興等主設(shè)備廠商在全球的技術(shù)也十分領(lǐng)先,市場份額逐步提升。

我國在專利方面也有了大幅提升。經(jīng)歷了2G的落后、3G的追趕和4G的同步后,在5G的發(fā)展中承擔(dān)了更加重要的角色,甚至實現(xiàn)了國際領(lǐng)先。終端芯片方面結(jié)束了3G時代美國獨大的局面。高通持有大量CDMA、GSM、WCDMA、TDS-CDMA和LTE的必要專利(SEP)。數(shù)據(jù)顯示,高通2016財年營收235.5億美元,其中許可和特許權(quán)使用費占比34.33%。而在大陸地區(qū)收入占全公司收入的57%。

5G時代,華為、展訊、大唐、中興加入未來TD產(chǎn)業(yè)鏈,實現(xiàn)全球規(guī)模的芯片銷售。在投資5G方面,不但應(yīng)該關(guān)注國內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)球長期還應(yīng)該關(guān)注全球5G的建設(shè)跑和普及,一旦美日等國搶跑5G,對我國擁有SEP的廠商也存在利好。我國工信部近日發(fā)布的《關(guān)于組織“新一代寬帶無線移動通信網(wǎng)”國家科技重大專項2017年度課題申報的通知》的5G 24個研發(fā)項目中,也對我國的技術(shù)短板進(jìn)行了布局。

來源:雪球;RFsister編輯整理

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