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一文读懂千亿级5G毫米波市场的“道”“法”“术”

时间:2020-08-31 作者:邵乐峰 阅读:
只有当5G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,5G网络的速率、覆盖、时延三项指标才能达到最优。因此,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,国内产业链在5G毫米波建设上的节奏也开始明显加快。
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尽管新冠肺炎疫情让5G在全球快速地进行规模化部署的进程受到了一定的影响,但整体来看,疫情对5G商用的影响是短暂且有限的。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。iNJEETC-电子工程专辑

毫米波应用价值巨大

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。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。iNJEETC-电子工程专辑

根据GSMA《毫米波的应用价值》报告,预计到2035年,5G毫米波将创造5650亿美元的全球GDP,并产生1520亿美元的税收,占到5G创造总价值的25%。而另一份《5G毫米波在中国》的报告则指出,预计到2034年,在中国使用毫米波频段所带来的经济收益将达到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%。iNJEETC-电子工程专辑

2019年世界无线电大会是毫米波发展史上的重要一刻。会议共完成了17.25GHz的毫米波频谱划分,包括24.25-27.5GHz、37-37.5GHz、45.5-47GHz、以及66-71GHz,极大地鼓舞了产业界对毫米波的信心,使得毫米波的发展又往前迈进了一大步。iNJEETC-电子工程专辑

截止2020年8月,已有包括美国、日本和韩国在内的22家运营商在全球范围内部署了毫米波5G系统,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/26GHz/37GHz/39GHz的商业网络部署;日本采用27.4-29.5GHz,每个运营商可获得400M频谱,韩国运营商则可以得到800M频谱;欧盟属于分阶段部署,优先采用24.25-27.5G频段,德国、英国、意大利都在积极推进,但频谱相对较少,例如意大利5家运营商各自分配到200M频谱。 iNJEETC-电子工程专辑

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(Integrated Access Backhaul, IAB)技术,能够重用频谱和设备,节省开支;增强型波束管理,通过全波束优化和多天线面板波束支持以改善时延、鲁棒性和性能;双连接优化,可以帮助降低终端初始接入时延,并在连接多个节点时改善覆盖;定位技术,能初步满足定位精度需求,80%的情况下可实现室内3米和室外10米的定位精度。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。iNJEETC-电子工程专辑

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。iNJEETC-电子工程专辑

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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。iNJEETC-电子工程专辑

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。而爱立信(中国)高级标准化经理王卫分享的爱立信研究成果也表明,只有当5G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,5G网络的速率、覆盖、时延三项指标才能达到最优。iNJEETC-电子工程专辑

中国联通研究院无线技术研究部副主任李福昌表示,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。目前,除了重点打造三大场景——基于网络的数据热点、场景智慧园区和基于合作伙伴的服务保障外,中国联通正在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月完成冬奥场馆设备部署。 iNJEETC-电子工程专辑

“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。”中国移动研究院无线技术研究所副主任李男说,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。iNJEETC-电子工程专辑

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,海思Balong 5000、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、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,一加8毫米波版也在今年4月登陆北美市场,而在8月25日一加与爱立信率先完成的2020年IMT-2020毫米波终端测试中,使用一加8手机,配合爱立信基站,4cc下行吞吐率可达2.1Gbps,最大距离可达1.2公里。iNJEETC-电子工程专辑

5G毫米波的“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。iNJEETC-电子工程专辑

其实就毫米波本身而言,其最大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。毫米波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。iNJEETC-电子工程专辑

李男则从毫米波系统设计方面给出了自己的思考。在他看来,毫米波工作频段高,传播损耗和穿透损耗大,大规模天线是必选技术,需要利用数模混合方案进行系统设计,例如载波聚合支持800M甚至更高的大带宽、120KHz最大间隔、利用PTR参考信号校正毫米波噪声。iNJEETC-电子工程专辑

下图描述了毫米波基站从最初的下发同步和广播信号,到网络设备根据记录判断如何使用波束,再到终端根据对波束测量的结果不断调整控制和应用信道波束,从而基本实现毫米波工作的全流程。iNJEETC-电子工程专辑

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可以看出,毫米波传播损耗比低频高20-30GHz,为了保证覆盖范围,就必须大幅增加天线数目(10-100倍)。考虑到毫米波频段器件单路很难支撑较大的功率,而且毫米波主要通过波束扫描方式实现用户接入,为了保证波束配置的灵活性和波束的分辨率,需要一定数目的具有调控能力的通道。由于毫米波工作带宽达到400GHz甚至更大,如果采用传统6GHz架构,会对ADC/DAC/IFT容量提出苛刻要求,导致毫米波成本、体积和功耗大幅提升,从而限制产业化的发展。 iNJEETC-电子工程专辑

因此,业界目前的做法是通过在模拟端加入调幅和调相器件,以实现对模拟预算数字叠加混合复型,在确保取得与纯数字复型相类似性能的同时,还能大幅降低毫米波网络设备的成本和复杂度。此外,由于毫米波频率上升到24GHz以上,终端射频器件和天线尺寸都会大幅下降,将射频前端元件和天线封装到同一个模组中的AIP技术也成了毫米波终端的主流。iNJEETC-电子工程专辑

移动宽带新突破的关键是实现毫米波的移动化——这是高通公司工程技术高级总监骆涛博士的核心观点。如前文所述,毫米波最大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。iNJEETC-电子工程专辑

毫米波部署的初期侧重于智能手机,部署主要由运营商驱动,且初期部署侧重于城市人口密集区域。面向室内部署,毫米波能够与Wi-Fi提供的现有无线服务互补,同时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。Ookla最新数据分析显示,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900Mbit/s,峰值速率超过2Gbit/s,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。iNJEETC-电子工程专辑

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为了解决毫米波覆盖问题,通过先进的波束成形技术,高通能够实现超过150米的毫米波传输,这项技术不仅通过仿真实验得到了验证,而且在外场测试中也得到了验证,意味着毫米波能够实现与现有热点和小基站的共址。同样,如果有相关基础设施设备,也可以实现与Wi-Fi共址。 iNJEETC-电子工程专辑

关于毫米波的另外一个误区,是“它只能够实现视距传输和固定传输”,而事实是5G NR能够提供解决方案。5G设计中,高通的做法是通过支持物理层信号快速调整和切换附近的波束,从而很好地利用多路径和反射。“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。我们还将这种转换从基站内扩展到不同基站之间,这意味着毫米波传输在不同基站之间的切换也能够快速实现。这是毫米波的一个关键解决方案,能够支持信道快速切换。”骆涛说。iNJEETC-电子工程专辑

关于支持毫米波的终端尺寸,可能很多人也存在误解。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最大化的性能。iNJEETC-电子工程专辑

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下图展示的是高通在美国圣迭戈进行的5G毫米波OTA外场测试场景。该测试基于28GHz频段800MHz带宽的毫米波网络进行,网络设置包括一个gNodeB基站,三个射频拉远(RRH)和两个中继器。为了验证毫米波调制解调器的性能,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,要么选择更极端的测试环境,将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。 iNJEETC-电子工程专辑

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骆涛还重点谈及了IAB如何通过动态拓扑结构支持灵活分配回传和接入资源,以便于快速且成本高效的进行5G NR毫米波网络扩建。下图中,有3个光纤回传点和5个IAB节点,每个IAB覆盖范围用圆圈表示,可以看到,不同时间段、不同地点用户数量在不断变化。当采用动态拓扑结构时,如果某个IAB受到阻挡,本来应该通过光纤回传连接到网络的数据就会寻找其它IAB。此时,数据要么经过接入负载更高的gNodeB向回传分配更少无线电资源,要么接入负载更轻的gNodeB向回传分配更多无线电资源,IAB可灵活分配,满足动态需求。iNJEETC-电子工程专辑

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2020年MWC期间,高通法在法兰克福市中心一平方公里范围内部署了7个gNodeB,400个毫米波终端和28个IAB节点。下图中,绿色表示覆盖情况良好,红色表示覆盖不佳。可以看出,没有IAB时绿色部分很少,部署了IAB之后整个覆盖范围明显增加,网络吞吐量也得到提升。iNJEETC-电子工程专辑

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王建利也做了相关数据测试分享,包括在印尼进行的毫米波速度测试、在东京进行的街道覆盖测试(车辆以60km/h速度行驶时,毫米波能够覆盖4个街区的范围内保持下载流畅)、以及室内覆盖测试(40个dbmEIRP基站的情况下,200多平米的办公区域无死角覆盖)。iNJEETC-电子工程专辑

避免“纸上谈兵”

再先进的通信技术,如果不能装进智能手机中,无异于“纸上谈兵”。一加手机高级无线工程师钟永卫介绍了一加是如何把毫米波技术装进智能终端的。iNJEETC-电子工程专辑

把毫米波放到手机里面,主要会有以下三个挑战:第一,路损比较高,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。 iNJEETC-电子工程专辑

那么,一加是怎么做的呢?针对高路损和插损,即便将单独的移动天线更换成定向天线,再把射频前端全部集成进去,覆盖范围最多也只能增加12db,远远不够。为了能够灵活的将模组AIP部署到手机中,一加在手机中增加了一条低损耗的中频传输线进行二次变频,也就是把毫米波转到中频,才能比较灵活的部署在手机终端上。而针对定向和容易受到物体阻挡这一问题,一加的解决方案是布置多个模组+波束扫描/跟踪,再根据用户单手握、双手握的使用习惯加以优化。iNJEETC-电子工程专辑

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他强调了毫米波手机开发过程中仿真的重要性。“对于传统频段的天线来说,业内基本还是以调试为主,但毫米波频段天线一定要从仿真开始,并且需要贯穿整个研发的过程。因为不仅在天线堆叠阶段,结构、材料、表面工艺都会对信号产生影响。”iNJEETC-电子工程专辑

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。iNJEETC-电子工程专辑

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。iNJEETC-电子工程专辑

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实现工艺兼容绝对是无法回避的课题。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。iNJEETC-电子工程专辑

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邵乐峰
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