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千亿级5G毫米波市场潜能如何释放?

发布时间:2021-12-29作者来源:金航标浏览:240

迄今为止,全球已有超过45家OEM厂商已经或即将宣布推出5G终端,超过50家运营商部署了5G商用网络,超过345家运营商正在投资5G...


5G在世界范围内被广泛认同为工业4.0时代的通用使能技术,它将带来用户体验的革命性提升和千行百业的数字化转型,给数字娱乐、医疗、健康、能源制造、交通运输等行业注入新的活力,激发新的潜能。


相关数据显示,迄今为止,全球已有超过45家OEM厂商已经或即将宣布推出5G终端,超过50家运营商部署了5G商用网络,超过345家运营商正在投资5G。从终端角度看,2022年5G手机出货量预计将达到7.5亿部,全球5G连接数预计将从2023年的10亿个增长到2025年的28亿个。




图1:全球5G部署规划展望


5G毫米波产业链基本成熟


众所周知,6GHz以下(FR1)频段和毫米波(FR2)频段是承载5G部署的核心。只有当网络在高频部署有毫米波、中频部署有Sub-6GHz与LTE、低频部署有2G与3G网络,再配合多载波聚合技术时,整个5G网络的速率、覆盖、时延三项指标才能达到最优。


目前来看,FR1频段相对更加拥挤,除中国外,很少有国家能在6GHz以下为运营商分配100M以上的连续频谱;毫米波频段虽然覆盖能力相对较弱,但丰富的频谱资源可以实现高速的数据传输,并显著提高容量,对于充分释放5G性能、容量、吞吐量的全部潜能而言至关重要。


GSMA发布的《5G毫米波技术白皮书》显示,5G毫米波预计将在2035年前对全球GDP做出5650亿美元的贡献,占5G总贡献的25%。而在中国市场,预计到2034年,5G毫米波频段所带来的经济收益将达到约1040亿美元,其中垂直行业领域中的制造业和水电等公用事业占贡献总数的62%,专业服务和金融服务占12%,信息通信和贸易占10%。


“但目前5G毫米波的商业化还处在初期,产业链没有全面开花,应用场景处在‘养在深闺人未识’的状态中。”GSMA大中华区总裁斯寒说。


2019年国际电信联盟(ITU)的世界无线电通信大会(WRC-19)是毫米波发展史上的重要一刻。会议确定了24GHz至86GHz之间的毫米波频段将用于国际移动通信(IMT),其中24.25-27.5GHz、37-43.5GHz、45.5-47GHz、47.2-48.2GHz和66-71GHz频段为全球融合一致的IMT频段,标志着全球产业朝5G毫米波的[敏感词]性能和规模效应[敏感词]化迈出了坚实的一步。


截止2020年6月,已有17个国家和地区的79家运营商拥有了在24.25-29.5GHz部署5G毫米波的频率许可,超过120家运营商正在积极投资毫米波。除了普遍看好的28GHz频段外,美国还在积极推进24GHz/37GHz/39GHz/47GHz的商业网络部署;在亚洲,中国早在2017年7月就批准在24.75-27.5GHz和37-42.5GHz的5G毫米波频段内开展研发试验,日本、韩国、泰国、中国香港和中国台湾也已经完成了26GHz和28GHz部分频谱的分配或拍卖;欧盟于2019年5月统一26GHz频段的无线电频谱,使成员国能够为频段使用设定共同的技术条件并开放使用,意大利、芬兰、挪威已经完成部分频谱的分配或拍卖。


图2:全球运营商5G毫米波24.25-29.5GHz投资情况


尽管在毫米波频段的分配和使用上,欧美国家比中国要先行一步。但由于5G属于“新基建”战略的重要组成部分,国内三大运营商在5G毫米波建设上的节奏也开始明显加快。


中国联通研究院副院长迟永生表示,随着5G的发展以及行业应用拓展,通信频段必然向毫米波方向发展。自中国联通与中国电信共建共享一年多来,截止今年8月底,双方共完成30万个共享基站的建设,2020年的总体工作量已完成了93%,对所有地级市都完成了共享建设覆盖,今年年底共享基站数量将达38万站,两家运营商共节省约600亿元的投资。


“从中国移动的角度来看,毫米波有望在2022年具备规模商用的能力,以SA为基础部署毫米波网络对运营商来说会是比较理想的选择。届时,中移动将考虑采用载波聚合、双连接的部署方式与6GHz以下频段进行配合,以解决毫米波部署瓶颈。”中国移动通信研究院无线与终端技术研究所副所长李男说,外场测试数据显示,24.75-27.5GHz频段下采用3DEU结构时,测试带宽支持100M、200M、400M和800M,小区峰值速率可以达到14.7Gbps,用户时延1-1.5毫秒,与理论分析数值吻合,有效提升了对毫米波的信心。


而从设备和芯片厂商角度来看,目前主流设备厂商均支持800M带宽,高通发力最早,已有多代商用毫米波天线模组产品能够支持毫米波全频段。此外,三星Exynos 5123、联发科Helio M80等系列芯片也能够支持毫米波。国内终端方面,中兴、一加、OPPO、移远等厂商分别推出了支持毫米波的移动热点、手机、模组等产品。例如OPPO携手爱立信,实现了5G毫米波商用系统与商用CPE的端到端测试,4.06Gbps的下行速率以及210Mbps的上行速率,并在拉远测试中,2.3千米处仍然保持200Mbps的下行速率。


兵马未动,标准先行



从标准成熟度来说,无论是中国采用的3.5GHz,还是美国主导的28GHz,两者是同步的。例如Rel-16项目中已经引入了许多支持毫米波的5G NR增强特性,包括支持小基站灵活部署的集成接入与回传(IAB)技术、增强型波束管理、双连接优化、定位技术等,旨在重点增强垂直行业应用及提升整体系统性能。同时,为了进一步提升5G NR毫米波能效,R16还支持终端辅助节电、高效载波聚合运行和C-DRX(基于联网状态下的非连续接收)等功能。


在Rel-17及未来版本项目中,更多支持毫米波5G NR增强的特性将被引入,包括优化IAB支持分布式部署,从而帮助引入全双工运行和移动中继(例如汽车),以提升容量、覆盖和服务质量;优化的网络覆盖和波束管理以减少系统开销、增强性能、提高网络覆盖;继续扩展频谱范围,支持从52.6GHz到71GHz的频段以及免许可频谱;支持eMBB之外的全新场景,将毫米波支持扩展至直连通信、URLLC(超高可靠与低时延通信)和工业物联网领域;持续增强定位技术,实现厘米级精度,更低时延和更高的容量。




图3:3GPP标准时间表


除了物理层和系统设计之外,3GPP在射频标准方面也对毫米波进行了广泛的支持,包括在R15阶段针对运营商关注的毫米波频段做了单频段标准化、在R16/R17阶段进一步支持毫米波频段内载波聚合,以及FR1和FR2跨频段的载波聚合和双链接等,基本可以满足目前运营商对毫米波部署的需求。后续,3GPP还将会考虑毫米波频段之间的跨频段载波聚合,进一步丰富毫米波工作场景和频段的组合。


需求引领三大应用场景


目前,除了重点打造三大应用场景——室内外交通枢纽/场馆等热点覆盖、工业互联网等行业应用、家庭/写字楼无线带宽接入外,中国联通正以科技冬奥为时间节点,通过开展冬奥场景的毫米波试点验证,带动国内毫米波产业链加速发展,预计将于2021年6月完成全部冬奥场馆设备部署。


如何基于5G毫米波的特性,更好的实现应用落地?迟永生认为,应充分聚焦应用场景。例如在to C的情况下,要通过提供高质量的服务打造品牌特区,依托5G毫米波确保对热点区域的[敏感词]覆盖,做好业务量的分流;在to A场景下,可以利用FWA(Fixed Wireless Access,固定无线接入)的方式,作为解决家庭宽带或办公室宽带的需求;在to B场景下,毫米波可以与MEC(Mobile Edge Computing,移动边缘计算)、AI技术结合,在大带宽、高速率特性上叠加出更多增值业务,为智慧厂区、园区、码头等工业互联网为主场景提供专属服务。




图4:体育场馆在5G毫米波部署后信号实测结果以及4G与5G毫米波下载速率对比测试结果


“发挥5G毫米波的全部潜能,需要加速向更有价值的移动接入应用拓展。”李男表示。5G毫米波未来潜在的应用场景,除了对速率要求极高的XR(Extended Reality,扩展现实)社交和游戏、高清直播等2C应用之外,还可以在2B行业应用中,发挥5G毫米波超大上行、超大下行数据传输、超短时延的技术优势,拓展5G毫米波在垂直行业的应用,以应用促进毫米波发展。


由于毫米波频段特性与Sub-6GHz不同,适用场景不同,部署节奏也不同。中国电信高级技术专家陈鹏表示,在5G毫米波网络部署方面,运营商将不再采取地级市以上的广域全覆盖,而是作为容量热点解决方案,重点部署室内、热点地区和垂直行业。例如在室内部署时,毫米波能够与Wi-Fi提供的现有无线服务互补,并扩展至全新的终端类型,带来卓越速度和无限容量的同时支持增强体验。同时,5G毫米波的大带宽和更精准的指向性,也将在光纤资源匮乏地区成为潜在的回传方案。


5G毫米波的四大误区


“道”“法”“术”,这是中兴通讯无线产品规划总工王建利给出的形象说法。所谓“道”,是指要从根本上解决毫米波覆盖差的能力;“法”,是指基于毫米波特有的波束特征,设计自己的阵列天线架构、波束算法、反射板技术;“术”,则是指积极参与3GPP标准的制定,吃透技术细节。


其实就毫米波本身而言,其[敏感词]的优势首先在于频段资源非常丰富;其次,带宽大、传输速度快,400M甚至800M的带宽是3.5GHz频段的4倍,传输速度可达10Gbps,空口时延小,为高可靠、低时延业务的开展提供了天然的优势;最后,毫米波天线尺寸小,可以形成更窄的波束,空间分布能力强,能在一定程度上弥补由于频率过高导致的传播损耗和穿透损耗。当然,后者也正是毫米波技术的不足之处,在穿透混凝土的典型场景中,穿透损耗高达109db,是2.6GHz和3.5GHz的2倍以上。


“移动宽带新突破的关键是实现毫米波的移动化”—这是高通工程技术高级总监骆涛博士的核心观点。如前文所述,毫米波[敏感词]的优点是带宽资源比较丰富,运营商可以利用800MHz带宽部署网络。此外,毫米波基站和支持毫米波的手机都能利用载波聚合或波束聚合实现数据传输,在减少干扰的同时支持密集的空间复用。


在他看来,毫米波部署的初期侧重于智能手机,主要由运营商驱动,且侧重于城市人口密集区域。Ookla SPEEDTEST[敏感词]实测结果显示,基于6GHz以下频段(比如3.5GHz、2.6GHz)的现网实测,5G下载速率比4G LTE快5倍,而与6GHz以下频段相比,5G毫米波终端的实测下载速度快4倍,平均速率高达900Mbps,峰值速率超过2Gbps,这意味着长达10小时的有声书能够在1秒钟内下载完毕,速度非常惊人。同时,毫米波的高容量特性还有助于推动运营商提供无限流量套餐,这对消费者是重大利好。




图5:与6GHz以下频段相比,5G毫米波终端的实测下载速度快4倍


高通公司中国区研发负责人徐晧博士则表示,当前产学界,包括消费者对毫米波移动化仍然存在四方面的认知误区:


误区一,“毫米波覆盖范围有限且成本昂贵”。他认为这一问题可以通过两方面措施解决:[敏感词],将Sub-6GHz和毫米波结合起来,利用Sub-6GHz的低频段做全国范围内的5G覆盖,在需要大容量、高速率的场景中使用毫米波实现热点覆盖;第二,在重点应用场景中部署毫米波网络,例如奥林匹克场馆、音乐厅、商场、交通枢纽等,不仅成本相对低很多,而且能达到比较好的覆盖效果。


误区二,“毫米波只支持视距传输”。其实支持信道快速切换,是毫米波的一个关键解决方案。也就是说,如果一个传输路径被手部或身体其它部位遮挡,通过激活手机上的另一个模块就可以快速找到一条新的传输路径。当把这种转换从基站内扩展到不同基站之间后,毫米波传输在不同基站之间的切换就能快速实现。


误区三,“毫米波只用于固定场景”。为了验证毫米波调制解调器的性能,高通实验人员要么将手机放置于人流量大且有人群阻挡的场景下测试,要么选择更[敏感词]的测试环境,将搭载骁龙X50芯片的手机固定在无人机上,遥控无人机在园区内穿梭飞行。得益于先进的波束管理算法,即使在以上种种极具挑战性的环境下,手机仍然能够保持高速网络连接。




图6:通过固定在无人机上的移动测试终端,测试5G的[敏感词]移动性


误区四,“毫米波终端外形尺寸较大”。以高通率先商用的毫米波模组为例,在非常紧凑的尺寸中集成了天线、射频前端、收发器,一部手机可以采用多个这样的毫米波模组,不仅满足智能手机紧凑纤薄的设计需求,同时满足功耗需求并提供[敏感词]化的性能。


5G毫米波系统的规模部署和商业经营将是5G后续演进和6G技术研发的重要基础。“只有通过5G毫米波系统的规模部署和商业经营,全球移动通信产业才能获得高频段网络部署经营的[敏感词]手经验,才有可能提炼出进一步的市场和技术需求,才有可能指引5G后续演进和6G技术的研发。”Strategy Analytics无线通讯领域高级分析师杨光说。


避免“纸上谈兵”



再先进的通信技术,如果不能装进智能手机这样的终端里,无异于“纸上谈兵”。一加手机高级无线工程师钟永卫和小米手机天线部预研团队负责人谢万波分别介绍了他们是如何把毫米波技术装进智能终端的。


钟永卫说,把毫米波放到手机里面,主要会面临以下三方面的挑战:[敏感词],路径损耗比较高,覆盖范围受限,特别是手机如果采用传统的天线形式,覆盖范围会小于3G的1/8以上,连接性会受到很大伤害;第二,如果采用传统的天线和芯片分离方式,会导致信号传输效率低下、发热严重、制造工艺难度加大、手机生产成本提高;第三,毫米波很容易受物体遮挡,特别是对手机来讲,不仅有建筑,还要考虑手或者人体的遮挡。


“手机终端要考虑Sub-6GHz和毫米波共存的问题,就会在天线集成、支持较宽频段等方面遇到挑战。”谢万波坦言[敏感词]个挑战是空间问题,如何把毫米波和传统天线融合在一起,这需要投入很多的精力和人力;第二个挑战是用户体验,毫米波容易被遮挡和手机使用方式比较灵活的矛盾,如何发挥毫米波的优势,这需要花费很多精力尝试;第三个挑战是技术,技术上很多东西和用户体验直接相关,这一系列问题需要用新的材料、新的工艺、新的实现方式,这项工作需要产业链相关各方一块技术攻关。”


来自学术界的研究成果同样大有裨益。东南大学信息科学与工程学院教授、博士生导师,电磁场与微波工程系主任陈继新分享了毫米波多通道芯片的研究情况。毫米波和太赫兹频段处于电子学向光子学的过渡频段,频谱资源丰富,在信息、生活、国防、航天等领域具有很高的学术和工程研究价值。其中,毫米波多通道芯片是5G、B5G/6G移动通信的核心器件,随着移动通信的进化,毫米波芯片也将不断演进。


西安电子科技大学刘志宏教授则介绍了第三代半导体材料GaN-on-Si(硅基氮化镓)用于毫米波系统关键射频器件的技术及现状。在PA领域,第三代半导体在输出功率和效率方面有着毋庸置疑的优势,在雷达、卫星、有线宽带、基站、射频能源等领域占主导地位。而在手机射频器件市场,氮化镓技术的挑战来自两方面:一是热阻比较高,对于大功率或者特别大功率的功放,散热性比较差;二是射频损耗较高,尤其是频率较高时。此外,从大尺寸晶圆生长制造角度来看,应力、位错密度、可靠性、CMOS兼容工艺制造等方面也存在挑战。但从长远角度来看,随着5G基站数目和对成本控制的要求逐步增加,GaN就会成为不错的选择。


目前市场上主要以碳化硅基氮化镓产品为主,成熟的商用产品主要来自美国的Macom和欧洲的Ommic,但英特尔、TSMC、三安、英诺赛科等国内外公司目前也都处于高速开发阶段。刘志宏教授认为,如果真的期望手机射频前端市场接受氮化镓技术,那么与Si CMOS实现工艺兼容[敏感词]是无法回避的课题。从当前的研究成果来看,西电团队已经能够设计制造80nm硅基GaN HEMT,尽管还有很多待优化的空间,但从功率和效率两方面来看,已经超过了现有的砷化镓产品,这也代表了其未来在移动终端市场的潜力。