深度观察

3月19日,市场调研公司Mobile Experts发布最新报告,预计从2017-2025年, 毫米波 5G 无线单元的出货量将呈快速增长态势。

 

 

由上图看来:

① 2017年与2018年,毫米波5G都有出货,从频段(27.5-29.5 GHz)和时间点看来,估计很可能是Verizon基于其“V5G”技术规范在28 GHz频段所部署的“5G”毫米波固定无线接入网;

 

② 从2019年到2025年,毫米波5G网络商用部署(符合3GPP R15标准)将会快速铺开。

 

另一家市场调研公司Reportlinker在3月中旬发布最新报告,预计2019-2027年全球毫米波技术市场将以30.64%的年复合增长率上升——其中主要驱动力之一是“毫米波5G的商用普及”。

 

此外,美国正在进行的24 GHz频段5G频谱拍卖,截至3月27日的出价总额已经高达14亿美元。

 

总结起来一句话:移动通信网络运营商们将热衷于在毫米波频段部署5G商用网络。

 

那么,为何?

这就要看在运营商们的心目中,“毫米波”在其整个5G布局中的角色到底有多重要。

 

据笔者观察,AT&T在2018-2020年于39 GHz频段部署毫米波5G商用网,并将从2020年开始在Sub-6 GHz频段部署5G商用网,宣称要在2020年实现“全国5G覆盖”——从多个报道来综合分析,可能是在700 MHz频段及/或3G逐步退网后所“释放”的低频段。

 

T-Mobile在2018年10月份则直接给出了一张圆柱图,非常形象——“表面积”代表“5G覆盖广度”、“高度”代表“用户体验到的下行速率”):

 

 

在几乎所有人的印象中,非洲在“数字化”方面落后。但是5G时代可能将不会如此。在6个非洲国家运营移动通信网络的Vodacom集团(由Vodafone控股),已经于2018年8月在莱索托王国推出5G商用服务(3.5 GHz频段,100 MHz)。

 

Vodacom在GSMA于2019年2月25日的CPM19-2研讨会上首次展示了其5G频谱策略(如下图所示),5G“先锋”频段分别为:700 MHz频段(用于5G广覆盖→面向城区、郊区、偏远地区);3.5/3.7 GHz频段(用于5G连续覆盖以及容量提升→面向城区、郊区、部分热点区域);毫米波(具体是26 GHz)频段(用于进一步提高5G系统性能→面向部分极热点区域)。

 

 

而为什么5G一定、必须要用到毫米波?从上述AT&T、T-Mobile、Vodacom的内容中轻易看不出答案。

 

但是,最近,瑞典主流运营商Telia给出了一个很干脆的解释——一些新兴应用的大规模提供,只有用毫米波5G才行,低、中频5G都不行。

 

Telia在上述CPM19-2研讨会上表示,各种新用例、用户使用行为的改变等,驱动这移动通信网络容量、带宽需求不断增长;如果没有足够的24 GHz以上的毫米波频谱,人们在人流密集区域的5G体验就将会和3G/4G一样很差。

 

Telia还给出一张图,很形象地描述了毫米波在5G时代的角色——提供高性能(下图右上角):

 

 

此外,毫米波5G的“高性能”(High performance)不止于涉及上图(纵轴)所述的带宽、速率。Telia表示,3.5 GHz频段的TDD 5G有着很好的时延表现(小于5毫秒),但还达不到“极低时延”,而毫米波5G的时延则可以做到1毫秒——由此,大规模开展一些新兴移动通信服务(360°高/超高清视频、行业应用、FWA)所需的容量、带宽、时延,只有24 GHz以上的毫米波5G系统才能够提供。目前,Telia试验的毫米波5G应用包括:eSports、VR、对远程数据中心进行实时质量分析、为港口附近的游轮提供网络接入等。

 

 

从上面几家运营商的情况看来,“毫米波”对于5G商用而言,是“不可或缺”的。

 

不仅仅是这几家运营商,这更是全球所有移动通信运营商基础网络运营商的共识。

 

共识达成的时间,回溯到2015年11-12月份,ITU召开的世界无线电通信大会(WRC-15)上,各国代表提出强烈要求把一些毫米波频谱资源识别用于5G。WRC-15最后决议设立5G高频段议题1.13,将针对24.25-86 GHz频段内的11个5G毫米波候选频段开展研究,为5G及其演进的未来发展寻找新的频谱资源。这标志着5G频谱全面迈入“毫米波”时代。

 

民用移动通信从来都是主要用Sub-3 GHz频段,从未使用毫米波频段,“毫米波5G”最终可以实现吗?可以说面临巨大挑战。从那时起,学术界、产业界开始加快、如火如荼地研发毫米波5G毫米波的器件、芯片、应用等,并且进展非常迅速,比如在WRC-15成功召开不到3个月后的2016年2月世界移动通信大会上,高通就展示了移动化毫米波原型机;同年10月,高通发布全球首款5G调制解调器骁龙X50(可支持毫米波频段)。

 

这些快速的进展,进一步坚定了业界对于“毫米波5G”的信心,把包含毫米波无线通信的全频谱接入技术列为5G核心技术之一,并进一步明确:以Sub-6 GHz频段5G系统支持n×1 Gbps高速通信,以毫米波频段5G系统支持n×10 Gbit/s超高速通信。

 

而为了实现n×10 Gbps,毫米波5G微基站方面,业界对于毫米波Massive MIMO技术进行了大量研究,如下图所示,涉及信号传播、波形、多址接入与用户调度、阵列天线、预编码机制、信道建模、信道测量、信道预估和反馈、前传/回传等诸多关键领域。

 

 

除了毫米波Massive MIMO,多功能、高宽带、高集成度、低功耗5G毫米波专用芯片、器件的研发也取得快速进展。比如,在AD/DA方面,Xlinx研制的RF-SoCs把ADC、DAC和RF SOC集成,减少了尺寸、降低了功耗,未来适用于多功能、高宽带、高集成度、低功耗的毫米波5G微基站;在中频收发多功能芯片及射频前端方面,高通、IBM等企业的技术处于领先地位;5G毫米波关键器件——化合物半导体方面,高通、Qorvo、Globalfoundries等企业都在GaAs射频器件领域占据一席之地——随着5G毫米波频段的加入,终端用GaAs射频器件用量将会进一步提升,预计到2020年,全球GaAs器件市场将超过百亿美元;在相当长的时间内,5G毫米波终端的前端芯片离不开Si工艺,因为Si基(含SiGe)前端芯片在成本、系统功耗上均具有一定优势,此方面目前有高通基于28nm Si-CMOS工艺的多通道收发前端芯片、文献报道的180nm SiGe-BiCMOS的多通道收发前端芯片等。

 

在这些进展的支撑下,运营商们也在抓紧进行毫米波5G技术试验。GSA在2019年2月份发布的报告显示,共有83个国家/地区的201家运营商在积极投资5G技术(包括技术测试、试验、展示、预商用);全球5G试验网中有多达57%使用了毫米波频段,另外43%的使用Sub-6GHz频段。

 

 

从运营商们发布的毫米波5G技术试验结果看来,网络吞吐、峰值速率、单用户体验速率、时延等均能满足ITU对于5G系统的关键性能指标要求。

 

在进行毫米波5G技术试验的过程中,运营商、设备商、芯片商、测试测量厂商等逐渐形成共识:未来的5G网络架构必须异构多层且能支持全频段接入的低频、中频、毫米波频段无线协作组网。

 

毫米波单独组网有着优秀的表现,而能与Sub-6GHz频段协作组网才是毫米波5G能进入商用状态的一大前提。2018年的一次试验,不但证明了协作组网的可行性,还表明协作组网后能达到更高能力——当时,高通在美国旧金山进行了5G网络模拟实验,在现有的LTE的基站(100%的4G覆盖)辅以毫米波基站,实现毫米波5G网络65%的覆盖率,并实现了5倍的网络容量增益。

 

上述这些进展,不断加速着毫米波5G的商用进程。

 

5G商用,终端先行。GSA在2019年3月25日发布的首份5G终端生态系统报告显示,全球已有5G终端34款,有17款采用高通5G芯片、6款采用巴龙5000、2款采用联发科芯片、1款采用英特尔芯片、1款采用三星芯片、另有7款尚不清楚采用何家芯片。其中5G手机11款,基本能在今年上市商用,比如摩托的“5G Moto Mod”4月份将用于Verizon的毫米波5G商用网,中兴“Axon 10”有望上半年在欧洲、中国上市,这两款均采用高通5G芯片。

 

GSMA于2019年2月25日的CPM19-2研讨会上,GSA的一张PPT胶片(如下图)显示:毫米波5G基站、芯片组、无线路由器、手机在2018-2020年可用,运营商的5G毫米波商用部署已经开始。

 

 

“毫米波5G已经成为现实”,Etisalat International技术和频谱部门负责人Abdulhadi AbouAlmal博士在CPM19-2研讨会上说到。

 

这次研讨会上,亚太电信组织(APT)、非洲电信联盟(ATU)、阿拉伯频谱管理组织(ASMG)、欧洲邮政和电信管理局(CEPT)、东欧与北亚区域通信联合体(RCC)的高层代表齐聚,高通、爱立信、华为、诺基亚、三星等供应商与会,达成共识:毫米波可以释放5G的全部潜力;频谱协调是实现毫米波5G规模经济效益的关键;WRC-19(2019年世界无线电通信大会)的结果将决定移动设备如何最大限度地从毫米波中获益。

 

在我国,《2019年全国无线电管理工作要点》明确,将会在2019年适时发布5G系统部分毫米波频段频率使用规划,引导5G系统毫米波产业发展。5G微信公众平台(ID:angmobile)认为,这将利于支撑2019 年毫米波预商用试验及2020年毫米波大规模商业部署。

 

GSMA在2018年12月发布的报告《毫米波5G的社会经济效益(2020-2034年)》显示,保守预计,2034年一年,全球2.2万亿美元的GDP中有5650亿美元(约合人民币3.8万亿元)将是由毫米波5G贡献的——占到由(全频谱)5G所创造价值的25%。

 

 

这凸显了从2019年开始(预)商用的毫米波5G之广阔商业前景。