1.3　5G技术、器件和设备成熟度

在4G产业化和商用化的进程刚刚进入起步阶段，业内对5G技术的研究就如火如荼地展开了。基于全球的众多企业、科研机构、高校等近十年对5G技术的研究成果，使得5G技术和标准快速成熟，如本书1.1节介绍的，5G在标准化方面相比4G做了大量的增强和演进，支持毫米波频谱范围、灵活的帧结构、灵活参数集、导频优化设计、灵活的调度方式、新型编码、MIMO增强、时延降低、移动性增强、终端节能、信令优化、全新的网络架构、非授权频谱（NR-U）、车联网（NR V2X）、工业互联网（IIoT）等多种不同特性。从技术方案上确保了5G技术先进性和未来5G商业部署对新场景新业务需求的良好满足。5G整个产业能够在第一个版本（R15）标准化后迅速开展全球商业部署，也是受益于整个移动通信行业在器件、芯片、设备等产业化方面的积累。

·数字器件和芯片的发展和成熟良好地支撑了5G设备研发需求

与4G移动通信系统相比，5G需要满足更加多样化的场景和极致的性能指标，因此对设备的处理能力也提出了更高要求。5G需要支持1 Gbps的用户体验速率，数Gbps的用户峰值速率，数十Gbps的系统峰值吞吐量，相比4G系统的10倍频谱效率提升等，5G还需要支持毫秒级的端到端时延，达到99.999%数据传输正确率的高可靠性，以及海量连接的物联网终端。所有这些5G的超高性能的技术指标的满足，都需要5G商用设备具有强大的计算、处理平台才得以保证。以5G商用网络部署最主流的Massive MIMO宏基站为例，eMBB场景下的基带处理单元（Baseband Unit，BBU）的处理功能需要满足如下技术指标：单载波100 MHz带宽64T64R数字通道，上行8流、下行16流的MIMO处理能力，20 Gbps的系统峰值速率，4 ms的空口时延，单小区支持几千个用户同时在线连接。这些性能指标都需要5G基站平台的处理能力大幅提升，包括如基带处理ASIC（Application Specific Integrated Circuit）芯片、SoC（System on Chip）芯片、多核CPU、多核DSP、大容量现场可编程阵列（FPGA）、高速的传输交换芯片等。同样，5G单用户峰值速率提高到几Gbps，终端设备的通信芯片的处理性能相比4G终端也要大幅提升。可见，5G对通信器件、半导体芯片都提出了更高的要求。

伴随着移动通信技术的不断演进，半导体产业也一直是在飞速发展的。特别是近些年在通信需求巨大的驱动力下，半导体材料以及集成电路的工艺也在快速地完成技术创新和升级换代。数字集成电路（Integrated Circuit，IC）工艺已经从几年前的14 nm升级为主流的10 nm和7 nm工艺。未来一两年全球领先的芯片设计公司和半导体制造企业有望向更先进的5 nm和3 nm工艺迈进。先进的半导体芯片的工艺水平成熟和发展，满足了5G网络设备和终端设备的通信和计算能力需求，使其具备了5G商用化的条件。

·5G有源大规模天线设备已满足工程化和商用化条件

除了数字器件和芯片已经可以很好地满足5G设备通信需求外，作为5G最具代表性的大规模天线（Massive MIMO）技术的设备工程化问题也得到了有效突破。我们都知道，LTE网络中的远端射频单元（Remote Radio Unit，RRU）设备一般都是4天线（FDD制式）或8天线（TDD制式），RRU的体积、重量、功耗等设备实现和工程化都没有技术瓶颈。而5G的Massive MIMO需要水平维度和垂直维度都具有波束扫描能力和更高的空间分辨率，支持多达几十个流的空分复用传输能力，因此天线阵列的规模和数量都需要大幅提高。5G大规模天线的典型配置是64数字通道192天线阵元，200 MHz工作带宽，相比4G RRU设备工作带宽增加了5～10倍，射频通道数增加了8倍。由于射频通道数目太多，4G之前移动通信采用的RRU与天线阵分离的传统的工程应用方式已经无法适用。5G需要把射频单元和无源天线集成在一起，设备形态演变为射频和天线一体化的有源天线阵列AAU（Active Antenna Unit）。另外，商用网络部署的要求是5G基站能与4G网络共用站址建设，由于5G的工作频谱相比4G要高，工作带宽相比4G宽，因此需要5G AAU设备能支持更大的发送功率，才能满足与4G相同的覆盖距离。

从LTE网络建网的后期，为了满足日益增长的用户容量需求，系统厂家就已经针对LTE的TDD频谱设备进行大规模有源天线阵列的工程样机的研制，并一直在持续改进和优化。近些年，伴随着射频器件工艺改进和新材料的应用，功率放大器（Power Amplifier，PA）支持的工作带宽和效率不断提升，射频收发器（RF Transceiver）的采样率、接口带宽以及集成度不断提高，关键器件和核心芯片的能力和指标有了巨大突破，逐步满足了商用化和工程化的需求。但5G AAU的设备功耗和设备工程化问题仍旧面临着较大挑战。一方面，由于5G大规模天线设备的射频通道数和工作带宽都数倍于4G，导致的设备功耗也数倍于4G设备。另一方面，从节能环保和降低基础运营成本的角度出发，运营商对设备具有低功耗要求的同时，也会对设备工程参数如体积、重量、迎风面积等有严格的限制性要求。因此，在一定的工程限制条件下，5G AAU设备所要满足的功率需求、功耗需求、散热需求是网络设备厂家近几年一直努力解决的难题。为此，设备商通过优化射频电路设计，提高功放效率和功放线性度，选用高集成度的收发信机，以及对中射频算法进行优化、降低峰均比（PAPR）和误差矢量幅度（Error Vector Magnitude，EVM）指标等技术手段，来提高整机效率降低设备功耗。另外，针对设备散热问题，一方面，从设备研制角度，采用先进的散热方案、合理的结构设计，以及器件小型化等手段来解决；另一方面，结合工作场景和业务负荷情况，采用自适应地关载波、关通道、关时隙、关符号等软件技术方案来节能降耗，以最终满足设备的商用化和工程化要求。

·毫米波技术、器件和设备日渐成熟

5G相比4G的显著增强点之一，就是支持了FR2（24.25～52.6 GHz）范围的毫米波频谱，由于高频谱范围内可用频谱非常广阔，从而为5G的未来部署和业务应用提供更大的潜能和灵活性。

尽管毫米波频谱的频谱广阔可用带宽大，但由于毫米波所处的频谱高，应用于移动通信系统中，相比低频谱存在着如下这些问题。

■　传播路径损耗大，覆盖能力弱。

■　穿透损耗大、信号易受遮挡，适合直视径（LOS）传输。

■　毫米波工作频谱高，功放器件效率低。

■　毫米波工作带宽大，需要的ADC/DAC等射频器件采样率和工作时钟高。

■　毫米波器件相位噪声大，相比低频器件EVM指标要差。

■　毫米波器件成本高、价格昂贵，产业链不成熟。

业界针对毫米波存在的问题，多年来一直在进行研究和突破。为了解决毫米波传播特性不理想、传播损耗大、信号易受遮挡等问题，首先，从技术方案上，5GNR协议引入了多波束（Multi-beam）的机制，包含波束扫描、波束管理、波束对齐、波束恢复等技术方案，在空口通信机制上来保证无线链路的传输质量。其次，从设备形态上，由于毫米波频谱相比sub-6 GHz波长短、天线阵尺寸小，毫米波功放（PA）出口功率低，因此毫米波的天线阵都是设计成在射频前端具有调相能力的相控阵天线面板（Panel），由一组天线单元合成一个高增益的窄波束，通过移相器来调整模拟波束（Analog Beam）的方向对准接收端，提高空口传输链路的信号质量。另外，为了避免分立器件连接导致的能量损耗，毫米波的设备研制都是采用射频前端与天线单元集成一体化（Antenna in Package）的形式，以最大化提高效率。为了满足NR的MIMO传输的功能需求，同时降低对基带处理能力的要求，毫米波设备都是采用数字＋模拟混合波束赋形的方案，即一路数字通道信号在射频前端是扩展到一组天线单元后通过模拟波束赋形发送，在通信过程中基站与终端基于NR协议的波束管理（Beam Management）机制，不断进行波束方向的调整与对齐，确保通信双方的波束能准确指向对方。

可见，毫米波用于移动通信中，无论是对技术方案还是对设备性能要求都是巨大的挑战。但经过业内专家多年来的不懈努力，毫米波通信的技术方案已经在5G引入并被标准化，毫米波器件和设备研制也都取得了巨大突破。近两三年已经有一些设备制造商、运营商、芯片制造商等对外展示了一些基于毫米波样机的演示和测试结果。北美、韩国、日本等国家和地区由于5G商用频谱短缺，在2020年启动了毫米波预商用网络的部署。我国的IMT-2020（5G）工作组于2019年组织完成了第一阶段的5G毫米波技术试验，2020年会继续开展相关的工作，进一步推动毫米波技术和设备成熟，为未来的5G毫米波商用网络的部署提供技术方案支撑和测试数据参考。