5G市场空间与技术路线,天线数量增加贯穿5G进程

来源:华强电子网 作者: 时间:2018-04-04 09:14

5G 市场空间 天线

1. 5G 市场空间与技术路线

1.1. 5G 是将改变社会生活的通用技术

长期来看,5G 是4G LTE 标准之后全新的电信标准阶段,将不局限于移动网络的升级换代,更将成为一项通用技术,深入改变各个行业的运行模式,并产生巨大的的经济机会。IHS 预测,在2020–2035 年期间全球实际GDP 将以2.9%的年平均增长率增长,其中5G 将贡献0.2%的增长。

IHS 预计,2020~2035 年,全球七个主要国家在5G 价值链中的相关企业平均每年投入的研发资金与资本性支出总和将超过2000 亿美元。美国和中国有望在2020~2025 年间主导5G研发与资本性支出,两国将分别投入1.2 万亿美元和1.1 万亿美元。美国的投入将约占全球5G 投入的28%,中国紧随其后将约占24%。

伴随5G 研发与资本性支出的投入,各行业均受到积极正面影响。IHS 预计,到2035 年,5G 价值链本身将创造3.5 万亿美元经济产出,同时创造2200 万个工作岗位。其中,中国5G 价值链总产出9840 亿美元,创造就业机会950 万,位居全球首位。

图 1:5G 价值链的研发与资本性支出份额(按国家) 图 2:2025 年全 球 5G价值链的产出(美元)和就业机会


短期来看,5G 是4G LTE-A 的延伸发展,尤其LTE-A Pro 中的许多增强功能是5G 的重要构建模块,将支持5G 关键特性和早期用例。ITU 在2015 年举办的无线电通信全会上将5G 的应用场景划分增强型移动宽带(eMBB)、海量物联网(mMTC)和高可靠、低延时通信(uRLLC)三类。为了满足更丰富的应用场景需求,5G 在峰值速率、频谱效率、空间容量和网络能效等需求指标方面都较4G 有了一系列重大突破。通过突出增强移动宽带体验并演进至满足海量物联网和高可靠、低延时关键业务型服务应用的新需求,5G 技术将促进移动网络发展。

图 3:5G 关键技术目标


5G 投入和部署的初期将会以增强型移动宽带为中心,主要满足多媒体内容服务和无线数据连接,尤其是视频,将在广泛的移动宽带终端上发挥重要作用。大幅降低单位数据传输成本是5G 的一个关键优势,对于增强现实(AR)和虚拟现实(VR)这些数据密集型场景至关重要。

随着5G 进一步推进,海量物联网和高可靠、低延迟通信的应用比例将提升。海量物联网的特点是联网终端数量极多,对于数据传输量较少、对时延不敏感。因此,这些终端需要实现低成本和超长电池续航。而高可靠、低时延通信,对吞吐量、时延和可用性等特性具有严格要求,适用场景包括自动驾驶、工业控制、远程医疗和智能电网等。

图 4:5G 生态链


1.2. 5G 技术实现之路——循序渐进,“上下”求索

从2G 到3G 再到4G,每一代无线通信都经历3 个阶段,4G 跨向5G 依然如此。在2017年前三季度工业通信业发展情况新闻发布会上,工信部信息通信发展司司长闻库表示:“今年年底前,我们将完成5G 二阶段网络部分测试。明年6 月5G 国际标准第一个版本出台的时候,我们的产品基本上能够同步出台或者接近商用的产品出台,为5G 的快速发展奠定基础。”工信部部长苗圩之前就指出:从2018 年开始要实现第三阶段的5G 试验,并希望2018年5G 标准能够正式通过国际电联的批准,成为新的标准。下一步,我国将加快5G 建设应用,争取实现2020 年全球首发。

图5:5G 推进时间表


2017 年11 月15 日,工信部官网发布《关于第五代移动通信系统使用3300-3600MHz 和4800-5000MHz 频段相关事宜的通知》,规划明确了3300-3400MHz(原则上限室内使用)、3400-3600MHz 和4800-5000MHz 频段作为5G 系统的工作频段。2017 年11 月27 日,发改委官网发布《国家发展改革委办公厅关于组织实施2018 年新一代信息基础设施建设工程的通知》。通知要求,5G 规模组网建设及应用示范工程方面,以直辖市、省会城市及珠三角、长三角、京津冀区域主要城市等为重点,开展5G 规模组网建设。5G 网络应至少覆盖复杂城区及室内环境,形成连续覆盖,实现端到端典型应用场景的应用示范。指标要求:(1)明确在6GHz 以下频段,在不少于5 个城市开展5G 网络建设,每个城市5G 基站数量不少50个,形成密集城区连续覆盖;(2)全网5G 终端数量不少于500 个;(3)向用户提供不低于100Mbps、毫秒级时延5G 宽带数据业务;(4)至少开展4K 高清、增强现实、虚拟现实、无人机等2 类典型5G 业务及应用。

2018 年世界移动通信大会(Mobile World Congress,MWC)在西班牙巴塞罗那举办。5G距离2020 年全球商用越来越近,当之无愧成为今年MWC 的核心话题。华为发布首款5G商用芯片巴龙5G01 和商用终端CPE;高通推出骁龙X50 5G调制解调器聚焦5G商用部署;英特尔规划5G 商用终端在2019 年中发布并为2020 年东京奥运会部署更成熟的5G 技术;中国移动启动“5G 终端先行者计划”,计划于2019 年发布首批5G 预商用终端。

4G 时代的通信频段主要集中在3GHz 以下,在2018 年开始的5G 初期,sub-6GHz(6GHz以下)以下的频段将为5G 应用的主流,初步实现增强型移动带宽,标志性的下载速率逐步突破1Gbps。2020 年以后,5G 大规模商用,30GHz 附近及以上的mmWave(毫米波)频段将成为热点加强覆盖的解决方案。

图6:5G 频段应用


2. 天线数量增加贯穿5G 进程

2.1. 四天线手机将为2018 年主流,天线数量翻倍

5G 初期,增强型移动带宽为主,提升下载速率是首要任务。高阶调制、载波聚合、多天线MIMO,三个维度提升传输速率,手机终端实现的下载速率可达5G 的门槛水平1Gps。

①高阶调制:在单位频谱资源内提升信号调制复杂度,提升单位频谱数据的传输量。高阶调制在下行链路上,从64QAM 转向256 QAM 可将单个10MHz 信道的速度从75 Mbps 提高到100Mbps。

②载波聚合(CA):同时利用多个载波频段,增加信息传输载波数量。目前已经可以实现3-5下行链路(DL) CA。

③MIMO:在通信系统的发射端和接收端分别使用多个天线。相比于单天线SISO 系统,MIMO提升天线数量,增加信道传输的物理通路,从而改善通信质量,进一步提升传输速率。


图 7:64 QAM 转向 256 QAM 效率提升 33%   图 8:3CA配合 4 天线达成 1Gbps 下载速率


高阶调制和载波聚合偏向于“软升级”,MIMO 多天线技术是硬件通路提升的“硬升级”。2G、3G 时代,手机主要有一根主天线负责通信信号的发射和接收;4G 时代,智能机普遍采用2 根天线;在5G 初期,4 天线将成为手机设计的基础需求。


图 9:载波聚合逐年演进   图 10:4×4 的含义 :基站 4 天线发射,手机 4 天线接收


4x4 MIMO 在全球市场发展迅猛。根据GSA 统计,截至2017 年10 月,已经有超过80 个4x4 MIMO 试验和商用网络正在推进中。截至2017 年5 月底,华为宣布已经配臵了50 个商用4x4 MIMO 网络。华为预测,具有商业价值的4x4 MIMO LTE FDD 网络将在2017 年底超过100 个。


表1:全球运营商积极开展4×4 MIMO 千兆LTE 网络建设


运营商积极布局,终端厂商全力跟进。三星与美国电信运营商AT&T 合作的S7 已经具备了4 天线MIMO 功能,2017 年发布的S8 采用多载波聚合、256QAM 信号调制和4 天线MIMO技术,成为业界首款下载速率达到1Gbps 的智能手机。此外,在2017 年间,华为、小米、索尼、HTC、LG、夏普、中兴均有4 天线手机新品面市发售。


下载速率作为通信能力的重要衡量指标之一,苹果自是不会落后,从产业链信息了解2018年苹果新品预计将具备4 天线MIMO 功能。预期从2018 年开始,4 天线手机设计将在行业内实现快速推广。在4 天线设计的支持下,IHS 预计2018 年全球约有3 亿部智能手机达到Cat 16 以上的通信等级(Cat 4 对应150Mbps,Cat 16 对应1Gbps,Cat 18 对应1.2GBps),预计到2021 年全球销售的新手机中将有11 亿部的下载速率能够达到1Gbps 以上。


图11:2014~2021 年不同LTE 等级智能手机出货量


2.2. 四天线上下分布,射频连接器需求配套提升

天线需要通过射频连接线(RF cable)与主板相连,完成信号传输。对于传统2 天线设计,上天线通过PCB 走线与主板直连,下天线通过一根射频连接线将天线与主板跨接。对于4天线设计,上部2 个天线同样与主板直连,而下部2 天线则需要2 根射频连接线将天线与主板跨接。

图12:三星Note 8 采用4 天线、2 条射频连接线


从三星Note 8 的实际拆解中可以发现,Note 8 已经支持4 天线,同时下部的2 根天线通过2 条射频连接线连接到主板。1 条射频连接器配套2 个射频连接座,伴随着4 天线手机的普及渗透,预计将带动手机市场射频连接线、射频连接座需求翻倍。

图13:1 条射频连接器配套2 个射频连接座


前面关于iPhone X“LCP 天线”的过程中已提及,不同于三星等厂商,苹果采用LCP FPC的方式实现射频连接线的功能。融合射频连接线功能的LCP FPC 需要特殊定制,不同手机产品间不通用,供应商有限导致交货周期长,同时成本价格是目前的RF cable 的4 倍以上(常规RF cable 单价0.8~1 元,仅LCP FPC 连接线价格在4 元以上)。对于苹果而言,单款产品数量大且生命周期长,具备定制零组件的能力。对于苹果之外的手机厂商,采用更具性价比优势的RF cable 是合理的选择。

2.3. 基站端5G 技术4G 化,运营商加速布局Massive MIMO,手机端天线数量持续翻倍

在5G 初期,基础通信设备和手机的平滑升级将是主要趋势,载波聚合、高阶调制和4 天线MIMO 逐步成为行业标配。更进一步的,在通信基站端,Massive MIMO(大规模天线阵列)是实现5G 峰值网络容量指标的重要手段之一,Massive MIMO 的以阵列的形式排列,天线数量可以达到64、128 或256 个,据仿真结果表明,128 天线的Massive MIMO 基站,其吞吐率可达到TD-LTE 8 天线基站的4-6 倍,频谱效率和网络容量大幅提高。

图14:Massive MIMO 基站


运营商方面,中国移动于2016 年公开表示将会在4G 网络中率先部署Massive MIMO 技术。此外,中国移动计划从2017 年开始,在全网热点区域分三阶段推进Massive MIMO 的商用:第一阶段为2017 年,在现有4G 商用终端推广,利用TDD 技术的特有优势对Massive MIMO的基础版进行商用;第二阶段为2018 年-2019 年,由Massive MIMO 基础版软件升级至增强版,系统性能提升20%;第三阶段为2020 年,将Massive MIMO 增强版软件升级至5G,同时引入支持5G 新空口的全新型态产品。2017 年4 月,中国移动启动4G 网络五期招标。在招标中,中国移动明确提出Massive MIMO 的商用需求并正式采购,标志着Massive MIMO正式商用。

图15:中国移动Massive MIMO 商用计划


基站端Massive MIMO 普及以后,手机端8 天线接收将成为常态,终端天线市场持续倍增。2017 年9 月,联发科技宣布成功完成符合3GPP 5G 标准的终端原型机与手机大小8 天线的开发整合,携手华为完成5G New Radio 互通性与对接测试(IODT),实测传输速率超过5Gbps,成为首家拥有手机尺寸天线,并与通讯设备厂商完成对接测试的芯片厂商。此次测试充分展现5G 技术在sub-6GHz 频段商用部署的潜力。



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