搜索再不了解就OUT了！读懂5G要了解这些：大规模天线...
2017-06-20 by:CAE仿真在线 来源:互联网
定义5G:新一代移动通信系统,实现人、物全面通信
5G概念由需求确定,商业或提前宣传
5G(FifthGeneration)是第五代移动通信的简称。这里强调了使用场景“移动通信”和发展阶段“第五代”。移动通信自上世纪70年代出现,到目前已经经历了四代更迭。
对于移动通信的断代,实际并不严格,可以从三个角度理解:需求、技术和商业。
需求断代:这是移动通信断代的主要依据,也可以看为1G~4G的定义。每一次移动通信的升级,对应了下行速率约10倍的提升。需求断代有明确的需求指标支撑,如4G要求下行速率1Gbps等。5G和之前几代移动通信的不同点在于,其对需求指标除了传统的峰值速率指标,还提出了包括体验速率、频谱效率、空间容量、移动性能、网络能效、连接密度和时延等八个而非一个关键要求。
技术断代:1G~4G每一代通信系统都有一个核心技术,按照技术断代其实是选取了每一代的代表性技术作为标签,例如,1G时代的频分多址(FDMA)、2G时代的时分多址(TDMA)、3G时代的码分多址(CDMA),4G时代的正交频分多址(OFDMA)等。随着技术的提升,频谱效率也相应有了提升。
商业断代:商品同技术一样是持续升级的,并不会断代,所以每当新一代移动系统落地时商品的提前宣传屡见不鲜。如运营商之前将HSPA+(即3.75G)宣传成4G;“4G+”等概念一定程度也是商业概念;还有LTE和4G一起宣传,实际上LTE的早期版本是不能满足4G需求断代中的性能指标。可以预料到,5G即将爆发之前,会有一系列标准、产品、服务以5G作为商业宣传出现。
5G全面包含物联网,成为终端增量支撑
从从5G规定的8大指标可以看出,5G将会是一个全面的网络。根据国际电联ITU的5G愿景,5G将会面向三大场景:增强移动宽带场景(Enhancedmobilebroadband,eMBB)、低时延高可靠场景(Ultra-reliableandlowlatencycommunications,URLLC)和大连接低功耗场景(Massivemachinetypecommunications,mMTC)。从经济效益层面出发,不适合通过一张网络满足三大场景,于是ITU提出利用三种网络覆盖此三大场景。在我国的5G标准中考虑人口因素还增加了高密度覆盖场景。
如果说4G是3G的长期演进结果,那么5G中的增强移动宽带场景可以看为4G的长期演进(但这种演进因为编码等技术的不同具有颠覆性)。而5G相比4G的增量在于后两大场景对物联网场景的覆盖。近年,智能手机逐渐饱和,电脑更是出现销量下滑,物联网终端成为未来通信终端的增量,成为延续通信终端数量增长的支撑点。5G将会全面支持人与人、人与物和物与物的智能互联。
迎接5G:甲方ITU5GG时间表已定愿景,乙方83GPP2018初步回应
根据现有国际组织的时间表,5G将于2020年商用,然而实际商业环境中的5G概念产品很可能早已鱼贯而出了。如美国通信运营商Verizon最近推出了Verizon“5G”标准,从编码、传输信号结构等角度同全球范围5G的标准难以融合,将其说成是5G值得商榷。由于5G商业噱头的宣传难以把握,本文对5G的探讨仅基于需求和技术的定义展开。
对对4G落地过程的对比可以更深入了解5G目前的状态。为了保证各厂家手机在世界范围通信正常,全球范围通信标准由联合国专门机构ITU(国际电信联盟)确立,需要经历“愿景确定”-“频谱规划”-“标准征集”-“标准制定”-“推出商用”几个步骤;而国内商用之前还需要工信部发放牌照。
5G方面ITU时间表已进入标准征集。2012年7月,在制定4G标准后,ITU开始筹备启动5G愿景研究工作。无线通信部门主席和副主席在2014年2月会议上提出了“IMT-2020工作计划”讨论稿,并于2014年10月形成最终方案。方案明确了全球5G发展总体规划、国际标准化机制流程等重大问题,从而为后续的5G技术、标准和产业发展奠定了基础。根据ITU的愿景,5G的商用共分5个阶段,10个步骤。ITU于2015年6月也制定了5G的时间表。5G已经完成“愿景确定”步骤,由于5G“频率规划”复杂,将在“标准征集”阶段同时完成“频谱规划”。
其中重要的两个时间节点是:(1)初步技术文档的提交截止日期2019年年6月的ITU无线通信部门第32次会议和(2)详尽技术规范文档的提交截止日期:2020年年10月的ITU无线通信部门第36次会议。
为了响应ITU的号召,并在5G时代实现技术的主导,全球相关组织都在积极布局5G研发。其中包括行业组织3GPP(第三代合作伙伴计划)、IEEE(电气和电子工程师协会)、NGMN(下一代通信网络组织)、5GPPP(欧盟下设5G组织),以及地方组织IMT-2020(中国)、5GAmericas(美国)、5GForum(韩国)、5GMF(日本)、5GRUS(俄罗斯)、TAICS(台湾地区)、FuTUREForum(中国)等。
括其中负责技术面的组织包括3GPP和和IEEE,相当于向ITU申请项目的乙方。而其他组织主要从需求端推动5G发展。除此之外,很多具有技术优势的公司也都独立对5G进行描述,希望能够获得最终话语权。
对不同的组织的理解是有必要的,台湾就在4G时代选择了IEEE的WiMAX技术,在4G发展中走了弯路。
3GPP:5G时代领跑,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厂商,其5G方案最为全面和完整,也是4G时代的权威。3GPP下属RAN和SA部门负责5G项目,目前正在进行5G的初步研究,2017年年3月会有阶段性讨论结果,以Rel-14的形式体现。目前各家厂商都在努力争取,存在重大争议的问题通过推后讨论方式处理。针对ITU的时间表,3GPP2018年年9月的Rel-15将是一个可用的商业版本,实现标准化4G和5G混合组网;而3GPP将于2019年年12月冻结Rel-16,于于2020年年2月月ITU举行的第34次会议上提前提交5G最终对标准,其中将对5G通信的所有细节进行覆盖,按照标准即可构建完整的5G通信系统。
IEEE:WiMAX时代强者,5G时代重要补充
IEEE是美国重要的通信标准化组织,曾提出WIFI、蓝牙等全球通用通信标准,之前提出的基于TD的WiMAX最终在同TD-LTE的竞争中失败。然而在5G时代,拥有WiMAX的经验教训,再加上多年的积淀,IEEE在5G部分标准的设计制定中拥有一席之地。IEEE于2015年11月召开多伦多5G峰会,2016年1月成立了5G标准委员会,2016年7月形成了两个方案:
案方案1:与与3GPP合作开发。通过“LTEWIFI聚合”(LWA、eLWA等)系列技术将WIFI接入3GPP5G网络,提供宽带接入服务。
方案2:独立制定5G方案。通过沿用802.1OmniRAN的设计思路,兼容IEEE802.1的各种接入技术(如P802.1CF),提供灵活的宽带接入方案。
两种5G方案都不是完整的5G系统,也并没有完整的时间表。由于方案1的工作量较小,成为IEEE的首选5G方案。5G标准如果考虑集成IEEE的方案,可能同时使用WIFI和传统移动通信。
其他组织:5GPPP和和NGMN各有侧重,同3GPP协同欧洲5GPPP发布了一系列白皮书,涵盖未来健康、工业、能源、汽车、网络管理、教育娱乐等相关课题,同时资助了一系列5G相关项目,从项目中也可以了解到5G的一些重点研究领域。
NGMN2006年成立,其主导发起人是包括中国移动、DoCoMo、沃达丰、Orange、Sprint、KPN的7大运营商。作为运营商组织,发表了5G白皮书。NGMN在5G中扮演的角色是协调者,推动5G的普及。而从其时间表中可以看出NGMN同3GPP的协同性,体现了运营商对技术的支持。
地方组织:我国IMT-2020异军突起,拥有重要话语权
全球还有若干地方组织对5G进行研究,代表了全球各个区域对于5G的态度。日本明确表示,2020东京奥运会上提供5G服务;欧洲目标掌握20%5G核心专利,获得全球35%市场。然而近期Turbo编码退出历史舞台一事将会减弱欧洲的影响力。
我国IMT-2020(ITU项目选择了相同的项目名)负责举办了全球第一届5G研讨会。其提出的5G需求“5G之花”被ITU几乎全部接纳。
最后,很多公司也推出自己的时间表、标准和白皮书,甚至开发了相应产品,试图推进5G标准的进度。
·日本第一大移动通信运营商NTTDOCOMO正研发高容量、低延迟、小能耗、低成本的5G网络/系统,包括5G核心网、大规模MIMO技术、高频段5G小基站等。NTT预计会在2020年之前部署5G,并实现其与4GLTE系统的互通;2020年之后将部署60GHz以上的“5G+”,并能确保5G终端在“海量”小小区、微小区之间平滑、“无缝”的网络切换。日本运营商软银还在9月9日启动了“5GProject”计划。
·韩国SKTelecom曾表示将于2017年正式试用5G,并规划部署5张5G试验网;2020年正式商用5G;同时希望能在6GHz频点以上的频段部署5G,将优先采取28GHz频段。
·美国第一大移动通信运营商Verizon于8月联合思科、爱立信、英特尔、LG、诺基亚、高通、三星,发布了4份5G无线接入标准/规范。
·高通近期甚至推出了首款应用于5G网络的芯片骁龙X50。该芯片基于28GHz毫米波段设计,同时兼容4G和5G网络。在编码方案中,高通也十分积极,支持的LDPC码成为了5G长码编码标准。
·华为也发布了《5G网络架构顶层设计理念》、《5G行业引用白皮书》等助力5G的发展。另外,华为也提出了一系列5G方案,在3GPP中努力争夺话语权。近期的Polar码入选控制编码标准就由华为主推。我国运营商:三大运营商计划明确,2018年最早试用我国三大运营商也纷纷对5G的落地时间进行了表态,表示2018年后进行网络的布设。
落地时间总结:国内2018年开始初步商用,全球球3GPP抢跑者或撕裂标准
目前,全球3GPP成为实际5G的主导方。而所谓3GPP、IEEE、NGMN等组织背后是各大通信公司。相比4G时代,随着通信公司的整合,5G时代大公司的发言权加重。所以这些组织的竞争更深层次是公司的竞争和公司所代表的国家的竞争。5G的目标是实现全球标准的统一,为了争夺5G时代的话语权,各方竞争十分激烈。3GPP中的标准制定环节存在一票否决方法,为了获得最终的平衡,3GPP的结果往往“让各家同样不开心”而非“让某方开心”。为了在讨论中获得优势,最强势的公司很可能推出早期产品以图通过抢占市场获得“事实上的标准”的主动权。
综上,5G将在多个组织和厂商的讨论后,在3GPP的主导下于2018年年9月确定早期标准,2019年末~2020年初确定最终标准,ITU将于2020年将此标准进行小幅修订后宣布其为全球标准。
而其中高通等公司由于拥有技术话语权,很可能提早发布相应产品抢占市场,而此举也受到了美国、日本、韩国运营商的支持。预计以上三国将有抢跑5G,可能。需要强调的是,4G时代三国就已经有类似布局,抢跑ITU并不奇怪。然而美国Verizon近期抢跑3GPP则略有不同,甚至可能破坏5G的统一性。
我国在5G各个组织之中的话语权相比4G时代又有提高,预计2018年开始5G的预商用。
剖析5G:接入和网络技术的完美结合,基站、终端、网络全面升级
5G可行关键技术验证试验成功,重要技术一览无余
5G概念似乎特别抽象,然而其落地是以一系列技术的落地来体现。我国工信部于今年1月7日正式启动了5G技术研发试验,分关键技术验证、技术方案验证和系统方案验证三个阶段推进实施。
9月22日,第一阶段试验宣布成功。试验充分验证了大规模天线、新型多址、新型多载波、高频段通信、先进编码(极化码)调制、超密集组网、全双工等7个无线关键技术以及网络切片、移动边缘计算、控制和承载分离、网络功能重构等4个网络关键技术在5G场景需求的技术可行性。一阶段试验参与的公司包括华为、爱立信、中兴、三星、上海贝尔、大唐电信和英特尔。
在完成了一阶段试验后,后续试验预计将会更加顺利地展开。论围绕这些技术讨论5G前瞻性的投资机会似乎更加有意义。其中无线关键技术指手机等终端和基站之间的关键通信技术,用术语“NewRadio”(NR)代表新的通信技术方式,NR可是以看成是LTE的的5G版本;网络关键技术指基站组网和基站与城域网之间通信的关键技术。
无线关键技术:为提升传输效率全面升级终端
对5G无线技术理解,最直观地是掌握通信最核心的原理——香农公式。公式指导了历代无线通信的设计,成为最经典的通信原理。
通信系统理论传输最大信息量=收发其中一端最少天线流数×带宽×信号质量函数
5G无线关键技术大多数围绕上面原理展开,还有部分目标是提高用户数量和降低时延。
大规模天线(MassiveMIMO):信号传输的“高架骨干桥”
多天线(MIMO)技术由贝尔实验室在20世纪90年代提出,早在3G时代就被引入无线通信领域,4G中也是关键技术之一。经历多年发展,多天线技术已经演进为大规模天线技术,拥有更多的收发终端。根据香农公式,通过MIMO技术可以获得两个好处:
(1)提高效率:将天线分组,通过提高天线信道流数提高香农公式的第一项,,可以比喻为通过建立高架桥实现信号的并行传输;
(2)提高信号质量:每组天线利用波束形成(定向发射)技术提高信号强度,从而提高香农公式第三项。在高频段的信号增强、高频信号的覆盖能力方面应用更加必要,相当于确定了直连通道高架桥的方向。
大规模MIMO技术是3GPP中研究的最重要的议题之一,大规模MIMO技术可以支持百根量级天线和十数天线流数;而现有的LTE一般为20根天线以内,形成两组天线。大规模MIMO相比传统MIMO技术进一步挖掘空间资源,充分地利用了频谱效率。
虽然标准仍在争论,但是多天线技术目前已经可以应用。软银已于9月16日在全国43城市的100个基站中使用相关技术。东京城区4个位置的测试表明多天线技术可以实现约6.7倍的通信速度提升。据估计,软银的多天线供货商为我国中兴通讯和华为。而中兴通讯的MassiveMIMO产品已在国际屡屡获奖,而大唐电信的MassiveMIMO也已集成了256个天线。上海也已经有了大规模MIMO的试点。我国运营商中,中国移动近期曾公开表示将会在4G网络中率先部署大规模天线技术,提升用户体验。
我国本次5G试验中,大唐大规模天线采用256个天线,128个射频通道;采用10个终端,每个终端可以支持双流传输。根据测试结果,在用户分散情况下,以100MHz带宽传输,峰值速率可以达到4Gbp/s,是单用户场景的8倍。可见MIMO技术在提高并发性中的作用。另外需要注意的是,MIMO技术的性能同用户的分布有很大关系,对于高密度场景性能会有下降。
新型多址:搭建更多专线,送货不顾冗余,拆除减速带
多址技术指基站区分用户的技术,其中的“址”代表“用户端”。3G时代的CDMA、4G时代的OFDMA作为多址技术都是移动通信中最重要的技术之一。
多址技术主要目的在于提高基站接入用户的数量。为达到此目的,5G使用的多址技术将会在原有多址技术的基础上继续增加用户。然而用户的增加会造成用户之间信号的干扰。华为、中兴、大唐等厂商通过精心设计提出的SCMA(基于多维调制和稀疏码扩频的稀疏码分多址技术,华为提出),MUSA(基于复数多元码及增强叠加编码的多用户共享接入技术,中兴提出),PDMA(基于非正交特征图样的图样分割多址技术,大唐提出)算法,基于用户信号的特点(如稀疏性),实现了在接收端通过计算抑制干扰的多址技术。如果将信息传递过程比喻为运送拼图,4G时代送达的拼图不存在错误,而5G时代送达的拼图可能出现多余拼图,需要用户在终端处处理实现最终信息的正确接收。
同时,新型多址技术还将集成免调度传输,有效简化信令流程,降低时延。这可以比喻为高速路上拆除了减速带,提升了传输效率。
在我国的5G试验中,相比LTE华为、中兴下行吞吐量性能增益超过86%,华为、中兴、大唐上行用户连接能力均可提升3倍。
新型多载波:高速公路动态划线,实现不同“车流”分流
OFDM技术存在子载波的频谱外泄,对同步性要求较高。滤波器组多载波调制技术应运而生,可以更灵活地进行业务配置,是5G时代最重要的底层技术之一。
滤波器组多载波调制技术是OFDM的改进。滤波器组多载波调制技术可以针对子带进行滤波,为不同业务配置不同的时延、带宽等参数,自适应地应对高速移动、物联网、语音数据业务等各类5G业务。同时对保护带的要求较低,进一步提升了频谱效率。现有的技术包括F-OFDM(华为提出)、FB-OFDM(中兴提出)和UFOFDM(上海贝尔提出)等。
可以将多载波技术比喻为车流的分流。通过配置不同的参数,信息的传递更加更加灵活,业务之间干扰减少。
全频谱接入:增加超宽快车道,不同频率路面坑洼成议题
根据香农公式,5G时代超高的通信速率需要频率上大带宽的支持。4G时代的载波聚合技术已经试图高效利用低频资源。5G时代更需要开发未利用的频率资源。
5G的无线技术可由5G新空口(包括6GHz以下低频技术和6GHz以上高频技术)和4G演进空口两部分组成。其中5G低频新技术用于增强移动宽带场景,高频新技术联合低频技术组网用于热点地区;4G演进技术作为补充。所以高频技术仅用于人与人之间的高速通信;低频技术用于人与人的通信和物联网场景。
不同于4G时代,5G频谱并没有提前确定,这也是由于5G面临高频段通信技术的加入,而此技术尚未在全球达成共识。为了统一全球的毫米波频率标准,ITU在WRC-15会上通过了2019年WRC-191.13议题:审议国际移动通信未来发展的频谱需求和候选频段。同时公布了24GHz到86GHz之间的全球可用频率的建议列表: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。
美国联邦通信委员会(FCC)已于2015年10月21日发布了拟议规范公告(NPRM),针对28GHz(27.5-28.35GHz)、37GHz(37-38.6GHz)、39GHz(38.6-40GHz)和64-71GHz频带提出全新且灵活的服务规则。今年7月,FCC又立法确定了这些频率的应用。而日本NTT也已提议将3.5GHz、4.5GHz和28GHz频段作为5G服务的潜在备选频段,并已将3.5GHz用于4G服务。
频率的选择对于通信系统的建设成本至关重要。根据Friis传输公式,无线电波在空气中传播的能量衰减正比于频率的平方。因此现有的无线通信系统一般基于低频实施,也有800MHz左右的频段被称为“黄金频段”的说法。同时在更高频率上,空气中的水蒸汽等因素阻碍电磁波的传播因素更加明显,因此需要找到这类干扰最小的“大气窗口”进行电信服务的开展,而美日提到的这些频点正是大气窗口所在频点。
必须要指出的是,高频除了覆盖能力的下降,传输中的多径等效应进一步提升。信号处理的难度也进一步提升。高频信号波长更短,对其相位的控制精度和工艺密切相关,对于噪声更加敏感。同时高频信号在放大等处理时,非线性更加明显。另外,高频信号的处理同材料密切相关,新的半导体材料工程也成为高频半导体领域的研究课题之一。
面对世界各国的5G频率布局,我国也采取了一系列行动。(1)我国5G推进组已完成2020年我国移动通信频谱需求预测,结果显示:到2020年,我国移动通信频谱需求总量为1350~1810MHz,目前我国已规划了687Mz移动通信频谱,因此还需要新增663~1178MHz频谱。(2))而8月印发的《国家无线电管理规划(2016-2020年)》中阐述了我国“十三五”期间无线电管理的主要任务,其中,在“创新频谱管理,提高资源利用效率”方面提到,我国将完善陆地移动通信频率规划,适时开展公众移动通信频率调整重耕,为IMT-2020(5G)储备不低于500MHz的频谱资源。(3)新的无线电管理条例将建立动态频谱共享机制和频谱审计制度。(4)中国通信标准协会无线通信技术工作委员会频率工作组召开会议已经通过了《移动通信频谱重耕关键技术研究》报告。报告分析了移动通信系统的频谱重耕需求,并对设备及网络的支持程度(面向“频谱重耕”)作了研究,而且研究了频谱重耕过程中包括频点规划、同频干扰、邻频干扰等在内的关键问题。随着VoLTE技术的开展和3G的退网,5G将在高频率的同时重耕低频资源。(5)现有2G、3G网络通过VoLTE等技术替代逐步退网,用于新无线网络建设。
事实上,正因为带宽对于5G的重要性,各个厂商早已瞄准了高频通信这一重点技术。在我国的5G试验中,爱立信(15GHz)、中兴(15GHz)、三星(28GHz)、诺基亚和上海贝尔(28GHz)、华为(73GHz)都完成了高频段测试。诺基亚利用射线追踪电脑仿真证明72GHz频段适合移动业务;三星主要关注28GHz和39GHz两个频段,并与NTTDoCoMo共同开展28GHz频段测试,研究潜在的超宽带混合波束成形和波束追踪技术;三星和爱立信已经通过合并多径反射信号证实了在28GHz频段建立可靠无线链路的可能性;爱立信同NTTDoCoMo及SK电信的试验将主要关注15GHz频段的潜在可能性,并将探索新的天线技术以支持大规模MIMO;英特尔正在研究能够支持在39GHz频段实现移动接入和在60GHz实现Wi-Fi类似的WiGig(2016年10月末刚刚获得WIFI联盟标准认证)操作的芯片集。
我国此次5G试验,第一阶段主要围绕关键技术验证,由各厂家自己决定频段。从第二阶段开始,要有统一的频段,目前确定的是3400~3600MHz。第三阶段之后,在3400~3600MHz基础上,考虑增加低频频段,同时考虑引入6~100GHz的高频段(28G、40G和70G等)。
除了利用高频频率,5G为了提高传输效率,提出更灵活地利用频谱。(1)加速2、3G的退网实现频谱共享;同时试点高频频谱的运营商之间的共享;(2)将WIFI用于5G组网,拓展可用频谱。WIFI相比传统无线通信标准除了覆盖范围的变化,还有服务质量(QoS)的保证。WIFI在非定义频段实行抢占式接入,对于最低服务质量不能保证。Verizon的5G版本对于WIFI十分重视,在QoS问题也需要做出相应解决方案。
信道编码方式:改造汽车,提高运送质量
最近信道编码方式受到了瞩目。信道编码类似于运送货物前将货物重新打包固定,防止货物在运送过程中损坏或丢失。经典的方法有汉明(Hamming)、格雷码(Golay)、维特比码(Viterbi)、Turbo、LDPC等,华为主推的Polar码在3GPP的会议中成为了控制通道的编码方式,在我国的5G试验中也进行了展示。
就在10月中旬的3GPP会议上,3GPP决定将LDPC确定为5G时代的长码编码方式。Turbo最终退出历史舞台,而Polar仍需要一段时间的积累。LDPC对于终端的计算能力要求进一步提高,但是对于5G的低延时传输支持更好。LDPC的推动方高通因此有潜在受益。而短码编码方面,Polar胜出。
此次胜出是我国第一次实现核心通信标准的引领。Polar码背水一战,力压LDPC和Turbo成为控制通道编码方式。这是我国通信行业厂商集体努力的结果,除了技术上的积累,各个厂商对于我国通信也的贡献也令人敬佩。此次胜利是我国通信行业全产业链的胜利,体现了我国在全通通信业的话语权。
对标准的引领是CT、IT领域最核心的无形资产。这种资产可以通过表层的专利等有形方式和更深远的影响力等无形方式释放。ErdalArikan教授已在美国对Polar码专利进行注册,而对于此专利的引用专利共有11个,其中的四个都由华为公司提出,而四个专利中更有两个全球专利,体现了其在Polar方面的影响力。而三星作为通信厂商名列第二。TI和希捷也有相关专利。
3G时代,CDMA在我国的发展速度不快,就是由于高通把持了大多数CDMA的通信标准。未来,Polar编码会以软件算法或者专用硬件单元的形式集成在基站和手机端的处理器中。果如果5G的标准在编码方式上不出现割裂,每部手机都会在通信中应用Polar码。
超密集组网:大流量地区的支撑柱,现有基站的有效补充
随着终端数量的增多,现有的基站在办公室、住宅、校园、大型集会、体育场、地铁等场景中将会面临流量的进一步提升。同时,通信频率的升高也暗示出新建站对应蜂窝尺寸的降低和密度的提升。目前的蜂窝基站覆盖半径约为2km,称为宏蜂窝(Macrocell)。未来可能出现皮蜂窝(Picocell)(半径200米)和飞蜂窝(Femtocell)(半径10米)。宏蜂窝基站的传输功率约为40W,而皮蜂窝和飞蜂窝甚至只需要瓦级和毫瓦级功率,皮蜂窝适合于户外,飞蜂窝适合于室内。小蜂窝的总体硬件成本可以大大低于宏蜂窝,而且更适合实现室内等热点区域的覆盖。如果从天线密度角度理解超密集组网,可以将大规模MIMO和超密集组网技术比较来理解。据相关文献统计,在1950-2000年的50年间,语音编码和调制等物理层技术进步带来不到10倍的频谱效率提升;
采用更大的频谱带宽带来的几十倍的传输速率提升;而通过缩小小区半径带来的频谱效率可以提升2700倍以上。
随着基站密度的提升,纵向来看基站将会出现层次分化。很多基站(如小蜂窝)的回传可能通过无线方式进行,多跳回到光纤网络。横向来看为避免基站间干扰,基站的频率和开关时间等也可能出现区分。另外超密集组网也提出了虚拟层、软扇区等小区虚拟化概念,主要满足用户在小区之间切换时连续通信的要求。
小基站不同于室分(DAS)方案,更强调架构简化和基站可控。
灵活双工&全双工:建立双层车道,复用频谱资源
目前的LTETDD和LTEFDD技术虽然可以让用户感到同时收发信息,然而实际上收发时间或者频率是不同的,是一种半双工系统,即通信一方发送和接收不能通过同一个频谱同时进行。视频业务这类下行速率要求高;直播业务上行速率要求高;FaceTime业务上下行要求相同。面对不同的业务,灵活的双工方式变得更加有必要。由于目前TDD模式相比FDD模式在上下行资源配置方面更加灵活,未来双工技术的发展主要基于TDD。
更进一步地,通信双方同时收发理论上可以将信道利用率提升一倍。但是全双工需要解决收发信号的隔离。
全双工模式下,如果发射信号和接收信号不正交,发射端产生的干扰信号比接收到的有用信号强数十亿倍。正像会议对话的两个人边听边说又能听懂对方的意思一样,对终端的处理能力和检测能力都有要求。华为在我国的的5G试验中利用全双工技术可以获得90%以上的吞吐率增益。
终端直连:邻里之间不需快递,直接上门
终端直连技术主要应用于物联网、车联网中的V2X,减少终端与网络的交互,技术上可以结合LTE-D2D、WIFI、蓝牙等方法实现终端的文件互传。
网络关键技术:网络面向物联网更加专业化,IT化趋势明显
5G虽然是无线网络技术,然而其对上层网络也有一定优化。2015年3GPP的SA2已经开启了NextGen项目,而Rel-14不但会确定无线技术,5G的几大网络关键技术也会被包含。从趋势上观察,随着CT服务的逐步丰满,CT网络会向IT网络逐步演进。
网络切片:网络侧的分流,云技术、SDN、NFV的集合体
传统蜂窝网采用“一刀切”的网络架构明确面向移动手机用户。5G时代单一物理网络似乎难以满足不同用户的要求,除了上文提到的信号域多载波技术,网络侧网络切片技术将不同业务划分在不同通道,优化了任务的开展实施,为典型的业务场景分配独立的网络切片。网络切片基于NFV展开,面向不同的业务提供不同的服务。通过切片技术,云端和终端形成了分业务的直连通路,业务效率实现了最优化。不同分片的网络功能、拥塞、过载、配置调整都不对其他分片形成影响。
当前ETSINFV、ITU、3GPP、CCSA等标准组织正在制定或即将开始相关技术标准工作,产业界也在积极投入移动网络切片的研究和试验。爱立信作为概念的提出者,与SK电讯于2015年10月23日成功演示了5G网络切片技术。该演示在韩国Bundang的SK电讯企业研发中心进行,演示创建了专为超多视点、增强现实、虚拟现实、大规模物联网以及企业解决方案等业务优化的虚拟网络切片。而今年二月,华为也分别联合中国移动、德国电信等演示了5G端到端网络切片技术。
VPN是网络切片的基本版本,而云技术、SDN和NFV等技术提供了一系列的工具,使架构师能更抽象地打造系统,从而提高网络的灵活性。SDN通过对流量的顶层设计,可以实现5G复杂场景下的网络侧的整体接入性能;基于NFV按需编排网络资源,可以满足端到端的业务体验和高效的网络运营需求。预计5G的的NFV将从核心网向无线接入网推进。
移动边缘计算:用户家门口建立工厂、仓库,实现“雾”计算
对于高速业务,除了无线侧的加速,资源由骨干网下沉成为一大趋势,移动边缘计算(Mobile Edge Computing,MEC)应运而生。移动边缘使得网络扁平化、智能化、本地化,是“云”的进一步升级。MEC相当于在离用户更近的地方建立了工厂、仓库,实现了资源的快速调度。中国移动在上海F1赛事中曾试用MEC部署,内容直接同无线网连接,直播延时仅有0.5秒。大唐电信也提出了利用接入网小型服务节点实现MEC的产品。另外,移动边缘计算还要满足高速移动时,终端的边缘切换要求。
MEC技术上比较成熟,但在资源下沉的位置方面仍有争议,实现方案有四种:
1.资源下沉到基站,在现有4G的eNodeB加装MEC服务器,资源最贴近用户;
2.资源下沉到P-GW,在计费系统加装MEC服务器。计费清晰方便;
3.CDN下沉成为MEC服务器;
4.重新建设基站架构,通过NFV方式实现资源下沉。
MEC的思想是网络扁平化的体现,总体来讲通过NFV方式实现是最终目标,然而实现中还要考虑计费、成本、移动性、安全性等多种问题。中国移动近期C-RAN云化也将MEC作为重点,而中国移动作为5G网络3GPP网络设计牵头单位,对MEC的推动力度预计较强。
潜在应用技术:SDN/NFV和物联网技术
虽然很多技术并没有在我国5G初步试验中被包含,但以下技术必将会在5G时代的网络中发挥更大的效用。
SDN/NFV技术:5G网络无处不在的蔓延
从上文可以看出,虽然SDN和NFV技术并没有独立成为关键技术,但是此技术是网络切片、边缘计算等应用落地的核心。SDN架构将控制面和数据面分离,高效控制网络,而NFV可实现网络运营商和设备商解绑。对于5G网络的低时延、高效能都有重要意义,可以作为5G最底层的技术看待。
物联网组网技术:NB-IoT作为先锋,投资机会最先来临
5G对物联网提出了确定性的支持。3GPP的R12版本的Cat1同现有LTE相容,但却传输率较高、较为耗电、成本较高,Cat0同现有LTE又不相容。R13的CatM与NB-IoT则更加成熟,分别面向1.4MHz和200kHz组网。3GPP为了快速布局物联网,仅使用9个月就完成NB-IoT标准订立,可见物联网市场的竞争。3GPP也的R13中也同时提出了补充技术eMTC和EC-GSM作为备选。
未来5G也将有物联网协议落地,然而NB-IoT预计会在一段时间内成为5G的近期标准。2016年11月18日,我国第一家NB-IoT商用局已经于福州启用。预计2017年将迎来NB-IoT的大规模商用。
车联网组网技术:LTE-V2X明年落地,成为车联网重要标准
5G也将会对URLLC场景设立标准,然而作为URLLC场景的代表,车联网场景会首先使用LTE-V。我国大唐电信在其中做了大量工作。
量化5G:未来网络的产业链和投资分析
4G时代的网络相比3G时代取消了电路域并引入了新技术,实现了质的突破。5G时代,网络又会出现一系列变化。
未来5G变化畅想:终端侧、网络侧并行成长的时代将至
终端侧:强调芯片、天线的能力提升,多种终端接踵而来
1、5G时代将会出现三种不同的终端。车联网、工业物联网、低功耗物联网终端等会成为手机之后移动网络终端的第一增量贡献。5G时代,物联网终端密度可能比现有手机密度高出10倍,也即人均拥有10个联网终端,汽车、自行车、空调、灯具、窗帘、门锁、电表、手表、衣帽、音响、行李箱都可能实现联网,快递也会实现实时查看,工业机器人通过网络进行配置......而很大一部分终端将是通过NB-IoT、eMTC等技术连接的低功耗物联网终端。5G时代物联网将成为改变人们生活的最大亮点。
2、手机基带芯片计算能力更强。目前的手机CPU和基带整合基本完成,基带的提升也即手机核心处理器的提升。基带芯片包括CPU处理器、信道编码器、数字信号处理器、调制解调器和接口模块。先进编码调制对信道编码器提出了要求;新型多址、新型多载波对调制解调器提出了要求;大规模MIMO、全双工、高频段通信、超密集组网由于提升了数据量,对整个芯片都提出了要求。
3、天线更加多元。除了目前的双天线,多天线技术会出现。同时,高频段小尺寸天线也会集成在手机之中。由于受到手握原因影响,高频天线很可能首先布放在手机上端和下端小截面以防触摸或者通过集成在芯片中的方式实现芯片化;低频天线主要布放于手机后盖,手机外壳制造难度进一步提升。手机为了追求全向的接收,多天线的设计主要增强其接收通道数,与基站测MIMO天线同时提升定向能力有一定区别。
4、基于以上影响屏幕会抛弃LCD节省电能,大屏幕移动终端设备出现。电池容量进一步提升。手机发热现象成为未来重要研究问题。
5、车联网成为辅助驾驶的前奏曲。汽车上的终端除了多媒体应用,添加了V2X功能,可以查看汽车周围100米左右范围的加油站、红绿灯、监控摄像头、垃圾桶、减速带、基站、收费站等物联网设备和路上的其他汽车;也可以实现汽车的远程控制,包括远程暖车、远程监控等功能。
6、其他新设备成为手机后新的终端形式。从简单的手机Goggle到轻便的专业VR设备将会逐步落地。长期来看,无线VR设备、无人机、可能作为新的联网终端成为人同外部世界沟通的桥梁。
网络侧:C-RAN、D-RAN、宏基站组网方式更加多样,核心层更加扁平
4G时代的基站包括天线、RRU、BBU三个部分,功能主要包括无线电磁波的接收发送、电磁波到电信号的转换和处理和同核心网的连接。5G时代基站已被3GPP定名为gNB,未来将会呈现以下变化。
1、组网方式更灵活,出现更多样的蜂窝架构方式,C-RAN、D-RAN、网格网络(Mesh)、D2D接入将会共存。
C-RAN是将多个基带处理单元集中,通过大规模基带处理池增加现有射频拉远演规模,为成百上千个远端服务的网络。中国移动4G时代C-RAN已经在近20个城市布设。5G时代BBU的设置会更加集中,RRU与BBU之间的距离也会相应变远,从现有市区1公里间隔量级提升至10公里量级。5G时代,C-RAN将大范围铺开,BBU之间的协作更加方便、迅速,三大运营商C-RAN数量可能达到30万个。BBU还进一步地可以通过软件无线电、NFV技术实现灵活设置,形成更大型、计算能力更强的BBU,甚至通过虚拟化技术形成本地内容、计算资源池。C-RAN减少了基站机房的数量,同时降低了能耗。然而其时延性能不足,同时对光纤等的要求较高(LTE三扇区单小区对应的RRU带宽为16Gbps)。C-RAN对于光通信网络也提出了更大容量、更高速率要求。D-RAN面向超密集组网场景,相应用户较强的通信需求,通过更多的小基站布放实现通信能力的提升。和C-RAN不同的是,C-RAN强调覆盖区域大小,D-RAN强调覆盖速率。而D-RAN中,小基站很可能同时集成RRU和BBU,以提供更优质的服务;也可能仅有RRU,实现分层次的基站设置。D-RAN对“蜂窝”概念进行了颠覆,未来的蜂窝网络不再同构。
Mesh网络相比现有的4G网络,BBU之间的互联会加强,从现有的X2接口进一步提升至更深层的互联,提升BBU之间的协作能力。Mesh网络也能连接各类不同的RAN,如小基站、传统宏基站、D2D站等。同时Mesh网络强调基站的动态自适应性,基站之间的配合更加自主而智能。小区甚至不再有固定的拓扑结构,可以快速重构。
D2D面向临时自组织的终端网络,作为通信补充。
2、基站层次更加明显,组网架构对应场景更加专业。
宏基站重点采用6G以下频段,为室外环境和宽阔室内环境提供覆盖能力。在应用密集区域,部分宏基站采用高频段布设,由于频率提升,尺寸变小,基站覆盖区域变小(百米量级)。
微基站类似于现有WIFI的接入点,部分微基站采用高频,作为补充选择性密集布放,对商业楼盘、火车站、地铁站等高耗流地区或者居民楼等室内环境进行小范围(百米以内量级)的网络优化,采用D-RAN技术灵活部署。
C-RAN服务在汽车、高铁领域,方便高速移动场景下的站点切换。
D2D一方面用于车联网领域方便终端迅速沟通,另一方面用于个人通信领域,作为通信补充。
3、大规模MIMO逐步采用,天线、RRU集成化更明显,RRU价值提升。
大规模MIMO技术会在宏基站上面选择使用,重点覆盖商业区、体育场等高耗流地区和摩天大楼等垂直分布需求较高的地区。较目前的天线通道数和振子数都有提升。同时在布设中不一定通过机械调节向下覆盖,可能会通过电子方法调整朝向,覆盖摩天大楼等(也称为3D-MIMO)。微基站天线方面采用多根天线布设,由于部分采用高频布设,天线设计会更加小型、精密。
由于全双工技术的出现,RRU系统中双工器取消,再加上频率的升高,将高频信号解调至低频变得更加困难,RRU难度提升。同时由于高频信号的引入,高频微基站的RRU变得更加小型化,同天线集成存在可能。高频RRU中的滤波器、模拟数字信号转换(A/D)、数字模拟信号转换芯片(D/A)由于处理高频信号,难度会进一步提升。
4、NFV降低硬件成本,硬件支持网络切片,物理层协同组网架构。
短期,NB-IoT模块会集成在基站中,采用低频谱节约传输成本。
长期,NFV技术会从核心网逐渐引入基站中,BBU会通过通用硬件替代。从而通过虚拟化技术实现网络切片,设置物联网、车联网、手机通信的专用通路。网络更加扁平化。核心网控制功能SGW、PGW、MME等也将被通用硬件实现成为其中的模块,部署在接入网边缘,或者与基站融合部署。
5、资源下沉,基站或下沉式CDN成为MEC候选资源池。
NFV使得边缘计算成为了可能。基站侧通过NFV引入通用硬件,虚拟化出的资源可以作为池承载网络内容资源,提供最近距离的内容供给。NFV技术同时可以在MEC前实现计费系统的模块化,实现云计算的落地。CDN也可能从业务层下沉,成为MEC的承载基础。
6、铁塔资源进一步整合,过剩资源部分得到应用。
目前我国的铁塔存在结构性不平衡,铁塔平均租用率不高。未来,部分铁塔将有可能拆除,部分过剩铁塔搭载宏基站。另外,路灯、井盖等公共设施也有可能成为复用的铁塔,进一步节省铁塔资源。
内容侧:VR、4K、物联网等成为杀手应用
1、流量价格进一步下降,移动高清视频爆发。移动手机视频更加普及。可视电话应用逐渐兴起。
2、VR内容、4K内容更加普遍,高清付费模式更加成熟。
3、物联网管理平台和网站会逐步出现,通过数据提升效率成为物联网更核心的意义。
4、工业物联网,互联网企业级服务更加成熟。
投资机会量化分析:终端、基站、核心层全面升级
由于5G的方案仍然没有完全确定,这里仅作一个前瞻性的投资机会分析,并且基于现有4G基站分析,没有考虑2G、3G基站。定量分析同未来的实际可能存在一定差距。
终端:手机天线市场规模或提升275%,CPU芯片保持稳定
手机端天线为实现低频和高频的支持,数量提升。同时,高频天线相比低频天线制作难度和工艺都有更高的要求。另外,随着物联网终端的加入,天线数量将有进一步提升。我们假设全球手机出货量为20亿台,每台手机的天线价格从10元提升至30元,则手机天线市场将达600亿元人民币规模。物联网终端低端天线价格3元,按照每年50亿终端估计,则市场规模在150亿元人民币。总体看来,终端天线相比现有市场规模或提高275%。
CPU大幅提升,或因摩尔定律保持稳定。手机终端CPU因5G对计算能力的要求,性能需要大幅提升。然而由于摩尔定律预测了芯片价格的迅速下降,虽然目前厂商已经不再按照摩尔定律的速度设计芯片,预计未来手机CPU价格或继续保持稳定或小幅上涨。按照每片平均价100元价格测算,则市场空间在2000亿元/年。
基站设备:接入层基站侧5G整体投资规模或可达6500亿元
5G时代基站将分层,出现C-RAN大型基站、宏基站和小微基站等主流基站模式。对接入层基站侧4G基站升级整体投资规模或在6500亿元规模。
2014-2016年,三大运营商4G无线网络投资总规模约为4000亿元。我们对现有4G宏基站升级进行测算。现有4G宏基站约300万(中国移动143万,中国电信84万,其中30万在建,中国联通70万,年内建设60万)。未来5G宏基站数量预计也将达到400万规模。同时随着高频设备基站建站难度提升,价格将会有一定上升。我们预计,三大运营商5G无线网络投资总规模约为6500亿元,其中:宏基站总数约为400万个,小微基站约600万个。
1、BBU处理设备级升级3000亿元。基站计算处理芯片的升级成为未来的重要投资内容。而随着NFV的落地,专用的通信设备将会被NFV设备逐步替代,未来设备升级成本有望降低。而MEC的部署有可能从宏基站展开。整体基站板卡的投资费用估计为7.5万元,总计3000亿元。
2、天线整体600亿元,约150亿/年。第一,天线阵子数量因为大规模MIMO技术显著提升。现有天线一般拥有10~20个振子,5G时代将出现拥有128~256个振子的大规模天线阵。第二,新建基站带来天线数量的进一步扩容。第三,高频天线难度增大。相比终端天线,高频天线要实现更大功率的高频信号发射,天线实现难度和价格相应提升。第四,天线新技术增加附加值。天线的远程电调、热插拔、劈裂天线等技术趋势都提升了天线的附加值。对于高频天线,为减小信号衰减,振子和RRU的距离将进一步拉近,甚至实现集成,即有源天线。用第五,宏基站将采用C-RAN技术布设。即继续通过光纤拉远天线,未来一个基站可能对应多副天线。基于这些升级,每个宏基站天线价格有望因为MIMO技术等新技术从现在的均价4000元提升至均价6000~8000元。考虑进一步的天下拉远,则天线设备市场规模可达600亿元,按照四年建设期计算,年均市场规模在150亿/年。
3、滤波器、功放100亿元/年。随着天线通道数量的增加,后端的基站配套设备(滤波器、功放、天馈等)规模也相应的提升。加之频率提升,配套器件的附加值进一步提升。滤波器方面,美国拥有高频宽带滤波器技术全球领先的公司,如LINEAR、Analog等,其模拟滤波器产品一般为IC芯片,我国在此方面处于追赶态势。
我国在高频方面的发展相对低频成熟度不够,大带宽的产品只在军用雷达中采用,未来或逐步民用。滤波器、功放市场规模约为在60亿元/年。未来,随着频率提升,两个市场都有翻倍可能,市场规模达到100亿元/年。由于全双工技术的引入,双工器可能会逐步取消。
4、光模块。5G时代C-RAN中的光模块使用更加高频,同时光模块的性能进一步提升。假设每个基站光模块升级费用为3000元,则在无线网络领域的投资也在120亿量级。
微基站投资思路高类似于宏基站。小基站的建设落地会进一步推高5G投资规模。假设微基站密度为现有宏基站的二倍。对于600万个微基站的投入,假设基站价格为5000元,则资本开支在300亿元规模。
其中,微基站中的高频天线由于集成RRU,价格或在1000元左右;低频微基站天线价格也在400元左右,如果按照800元均价分析,微基站的天线设备投入成本约50亿元。
汇聚、核心网:NFV逐步落地,通用硬件逐步替代规模千亿
汇聚网和核心网中,SDN、NFV逐步落地。将进一步拉动无线侧投资,预计规模也在千亿量级。
投资节奏:物联网先行,终端、基站接力爆发
本文开始就回答了5G落地的问题。然而已经看到,5G相比4G拥有更多复杂的技术,5G时代的投资节奏同4G相比将会有较大差别。如果将前一段时间NB-IoT带来的投资机会作为5G投资的前奏,则未来一段时间这样的前奏会越来越密集,会在不同的模块爆发,最终形成一曲协奏曲!相比4G大风大浪的投资节奏,5G的节奏会更加平稳,所以在5G投资中更要注意节奏把握。
我国优势:5G全球领跑,产业链逐步健全,关注全球市场投资
经历了2G的落后、3G的追赶和4G的同步后,在5G的发展中,我国承担了更加重要的角色,甚至实现了国际领先。
我国4G中提出的LTETDD制式在4G中作为补充,然而在5G中的意义更加突出。。(1)大规模MIMO应用的重要假设是上传下传模型的一致性。FDD频点不同,信道互易性差;TDD更适合大规模天线阵的部署。(2)TDD更易于满足超密集组网对应的上下行业务不对称需求,更易于小蜂窝覆盖和灵活组网;(3)D2D场景因为不存在中央节点,可以通过更灵活的时隙配比实现多方的D2D业务,而不是两方的FDD业务。
我国在全球的话语权也不断提升。我国科学家赵厚麟现任ITU秘书长。中国移动在48个国家的支持下成为5G网络架构研究组组长单位,最近又成功牵头3GPPSA工作组5G系统设计。我国华为、中兴等主设备厂商在全球的技术也十分领先,市场份额逐步提升。
我国在专利方面也有了大幅提升。经历了2G的落后、3G的追赶和4G的同步后,在5G的发展中承担了更加重要的角色,甚至实现了国际领先。终端芯片方面结束了3G时代美国独大的局面。高通持有大量CDMA、GSM、WCDMA、TDS-CDMA和LTE的必要专利(SEP)。数据显示,高通2016财年营收235.5亿美元,其中许可和特许权使用费占比34.33%。而在大陆地区收入占全公司收入的57%。
5G时代,华为、展讯、大唐、中兴加入未来TD产业链,实现全球规模的芯片销售。在投资5G方面,不但应该关注国内网络的建设球长期还应该关注全球5G的建设跑和普及,一旦美日等国抢跑5G,对我国拥有SEP的厂商也存在利好。我国工信部近日发布的《关于组织“新一代宽带无线移动通信网”国家科技重大专项2017年度课题申报的通知》的5G 24个研发项目中,也对我国的技术短板进行了布局。
来源:雪球;RFsister编辑整理
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