詳解半導體產(chǎn)業(yè)新商機：5G助推新未來

5G 是第五代通信技術(shù)，是4G 之后的延伸，是對現(xiàn)有的無線通信技術(shù)的演進。 其最大的變化在于 5G 技術(shù)是一套技術(shù)標準，其服務的對象從過去的人與人通信，增加了人與物、物與物的通信。根據(jù)歷史經(jīng)驗，我國移動通信的每十年會推出下一代網(wǎng)絡協(xié)議。隨著用戶需求的持續(xù)增長，未來 10 年移動通信網(wǎng)絡將會面對：1000 倍的數(shù)據(jù)容量增長，10 至100倍的無線設備連接，10 到100 倍的用戶速率需求，10 倍長的電池續(xù)航時間需求等等，4G 網(wǎng)絡無法滿足這些需求，所以 5G 技術(shù)應運而生。需求增加的最主要驅(qū)動力有兩個：移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)。根據(jù) ITU 給出的計劃， 5G 技術(shù)有望在2020 年開始商用。

面對5G 在傳輸速率和系統(tǒng)容量等方面的性能挑戰(zhàn)，天線數(shù)量需要進一步增加， 利用空分多址（SDMA）技術(shù)，可以在同一時頻資源上服務多個用戶，進一步提高頻譜效率。硬件上，大規(guī)模天線陣列由多個天線子陣列組成，子陣列的每根天線單獨擁有移相器、功率放大器、低噪放大器等模塊。軟件層面則需要復雜的算法來管理和動態(tài)地適應與編碼和解碼用于多個并行信道的數(shù)據(jù)流，通常被實現(xiàn)為一個 FPGA。大規(guī)模天線陣列將帶來天線的升級及數(shù)量需求，同時射頻模塊（移相器、功率放大器、低噪放大器等）的需求將爆發(fā)，此外數(shù)據(jù)的增加將利好功能更加強大的綜合處理模塊如 FPGA等等。

可以說5G的出現(xiàn)，將會推動半導體產(chǎn)業(yè)和終端往一個新的方向發(fā)展，創(chuàng)造一波新的價值，我們不妨來詳細了解一下。

什么是5G？

5G 是第五代通信技術(shù)，是4G 之后的延伸，是對現(xiàn)有的無線通信技術(shù)的演進。其最大的變化在于 5G 技術(shù)是一套技術(shù)標準，其服務的對象從過去的人與人通信，增加了人與物、物與物的通信。

回顧移動通信的發(fā)展歷程，每一代移動通信系統(tǒng)都可以通過標志性能力指標和核心關(guān)鍵技術(shù)來定義，其中， 1G 采用頻分多址（ FDMA），只能提供模擬語音業(yè)務； 2G 主要采用時分多址（ TDMA），可提供數(shù)字語音和低速數(shù)據(jù)業(yè)務；3G 以碼分多址（ CDMA）為技術(shù)特征，用戶峰值速率達到 2Mbps 至數(shù)十 Mbps， 可以支持多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務； 4G 以正交頻分多址（ OFDMA）技術(shù)為核心，用戶峰值速率可達 100Mbps 至 1Gbps，能夠支持各種移動寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務。

移動通信標準的發(fā)展歷程

5G 更強調(diào)用戶體驗速率，將達到 Gbps 量級。 5G 關(guān)鍵能力比以前幾代移動通信更加豐富，用戶體驗速率、連接數(shù)密度、端到端時延、峰值速率和移動性等都將成為 5G 的關(guān)鍵性能指標。

然而，與以往只強調(diào)峰值速率的情況不同，業(yè)界普遍認為用戶體驗速率是 5G 最重要的性能指標，它真正體現(xiàn)了用戶可獲得的真實數(shù)據(jù)速率，也是與用戶感受最密切的性能指標?；?5G 主要場景的技術(shù)需求， 5G 用戶體驗速率應達到 Gbps 量級。

面對多樣化場景的極端差異化性能需求， 5G 很難像以往一樣以某種單一技術(shù)為基礎形成針對所有場景的解決方案。

此外，當前無線技術(shù)創(chuàng)新也呈現(xiàn)多元化發(fā)展趨勢，除了新型多址技術(shù)之外，大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、全頻譜接入、新型網(wǎng)絡架構(gòu)等也被認為是 5G 主要技術(shù)方向，均能夠在 5G 主要技術(shù)場景中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

綜合5G 關(guān)鍵能力與核心技術(shù)， 5G 概念可由“ 標志性能力指標”和“一組關(guān)鍵技術(shù)”來共同定義。 其中，標志性能力指標為“ Gbps 用戶體驗速率”，一組關(guān)鍵技術(shù)包括大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、新型多址、全頻譜接入和新型網(wǎng)絡架構(gòu)。

5G推進組定義的5G概念

目前5G 技術(shù)已經(jīng)確定了8 大關(guān)鍵能力指標：峰值速率達到 20Gbps、用戶體驗數(shù)據(jù)率達到 100Mbps、頻譜效率比IMT-A 提升 3 倍、移動性達 500 公里/時、時延達到 1 毫秒、連接密度每平方公里達到 10Tbps、能效比 IMT-A 提升 100 倍、流量密度每平方米達到 10Mbps。

ITU定義的5G關(guān)鍵能力

中國5G之花概念

我國提出的 5G 之花概念形象的描述了 5G 的關(guān)鍵指標，其提出的 9 項關(guān)鍵能力指標中除成本效率一項外，其他 8項均與 ITU 的官方指標相匹配。

5G 的關(guān)鍵性能挑戰(zhàn)及實現(xiàn)

從具體網(wǎng)絡功能要求上來說， IMT-2020（5G）推進組定義了 5G 的四個主要的應用場景：連續(xù)廣覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接和低時延高可靠，而這些功能的實現(xiàn)都給供應商帶來了很大的挑戰(zhàn)。

5G主要場景與關(guān)鍵性能挑戰(zhàn)

5G 技術(shù)創(chuàng)新主要來源于無線技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)兩方面。其需求來自于以上的關(guān)鍵性能挑戰(zhàn)。我們可以將關(guān)鍵性能分為以下三個部分：

5G關(guān)鍵性能分類

為了實現(xiàn)更高網(wǎng)絡容量， 無線傳輸增加傳輸速率大體上有兩種方法，其一是增加頻譜利用率，其二是增加頻譜帶寬。

提高頻譜利用率的主要的技術(shù)方式有增加基站和天線的數(shù)量，對應 5G 中的關(guān)鍵技術(shù)為大規(guī)模天線陣列（ Massive MIMO）和超密集組網(wǎng)（ UDN）；而提高頻譜帶寬則需要拓展 5G 使用頻譜的范圍，由于目前 4G 主要集中在 2GHz以下的頻譜，未來 5G 將使用26GHz，甚至 6-100GHz 的全頻譜接入，來獲取更大的頻譜帶寬。

而對于關(guān)鍵任務要求上，尤其是毫秒級的時延要求，對于網(wǎng)絡架構(gòu)提出了極大的挑戰(zhàn)，5G 技術(shù)中將提出新型的多址技術(shù)以節(jié)省調(diào)度開銷，同時基于軟件定義網(wǎng)絡（ SDN）和網(wǎng)絡功能虛擬化（ NFV） 的新型網(wǎng)絡架構(gòu)將實現(xiàn)更加靈活的網(wǎng)絡調(diào)度。

1、 大規(guī)模天線陣列（ Massive MIMO） ：提高頻譜效率，未來需要更多的天線及射頻模塊在現(xiàn)有多天線基礎上通過增加天線數(shù)可支持數(shù)十個獨立的空間數(shù)據(jù)流，以此來增加并行傳輸用戶數(shù)目，這將數(shù)倍提升多用戶系統(tǒng)的頻譜效率，對滿足 5G 系統(tǒng)容量與速率需求起到重要的支撐作用。大規(guī)模天線陣列應用于 5G 需解決信道測量與反饋、參考信號設計、天線陣列設計、低成本實現(xiàn)等關(guān)鍵問題。

美國萊斯大學 Argos 大規(guī)模天線陣列原型機樣圖

大規(guī)模天線技術(shù)（ MIMO）已經(jīng)在 4G 系統(tǒng)中得以廣泛應用。面對 5G 在傳輸速率和系統(tǒng)容量等方面的性能挑戰(zhàn)，天線數(shù)目的進一步增加仍將是 MIMO 技術(shù)繼續(xù)演進的重要方向。

根據(jù)概率統(tǒng)計學原理，當基站側(cè)天線數(shù)遠大于用戶天線數(shù)時，基站到各個用戶的信道將趨于正交，在這種情況下，用戶間干擾將趨于消失。巨大的陣列增益將能夠有效提升每個用戶的信噪比，從而利用空分多址（ SDMA）技術(shù)，可以在同一時頻資源上服務多個用戶。

空分多址技術(shù)（ SDMA）是大規(guī)模天線陣列技術(shù)應用的重要支撐，其基礎技術(shù)原理來自于波束賦形（ Beam forming） ，大規(guī)模天線陣列通過調(diào)整天線陣列中每個陣元的加權(quán)系數(shù)產(chǎn)生具有指向性的波束，從而帶來明顯的信號方向性增益，并與 SDMA 之間產(chǎn)生精密的聯(lián)系。

空分多址提高頻譜效率

第一：提升網(wǎng)絡容量。波束賦形的定向功能可極大提升頻譜效率， 從而大幅度提高網(wǎng)絡容量。

第二： 減少單位硬件成本。 波束賦形的信號疊加增益功能使得每根天線只需以小功率發(fā)射信號，從而避免使用昂貴的大動態(tài)范圍功率放大器，減少了硬件成本。

第三： 低延時通信。 大數(shù)定律造就的平坦衰落信道使得低延時通信成為可能。傳統(tǒng)通信系統(tǒng)為了對抗信道的深度衰落，需要使用信道編碼和交織器，將由深度衰落引起的連續(xù)突發(fā)錯誤分散到各個不同的時間段上，而這種揉雜過程導致接收機需完整接受所有數(shù)據(jù)才能獲得信息，造成時延。在大規(guī)模天線下，得益于大數(shù)定理而產(chǎn)生的衰落消失，信道變得良好，對抗深度衰弱的過程可以大大簡化，因此時延也可以大幅降低。

第四：與毫米波技術(shù)形成互補。毫米波擁有豐富的帶寬，但是衰減強烈，而波束賦形則正好可以解決這一問題。

波束賦形示例

大規(guī)模天線的研發(fā)和使用同樣面臨巨大的挑戰(zhàn)，從研究層面而言，物理層研究會面臨下表中的多個難點。而從實際部署層面而言，硬件成本是最主要的阻礙。首先隨著發(fā)射天線數(shù)目的增多，天線陣列的占用面積將大幅增加，天線群及其對應的高性能處理器、轉(zhuǎn)換器的成本也都遠高于傳統(tǒng)基站天線，使得大規(guī)模部署存在成本問題；其次實際的使用中，為了平衡成本和效果，可能會采用一些低成本硬件單元替代， 在木桶原理的作用下小幅降低成本可能會導致性能急劇下降，從而達不到預期效果。

大規(guī)模天線陣列物理層研究難點

相比于 SISO 或分集天線系統(tǒng)， 大規(guī)模多天線系統(tǒng)屬于硬件、軟件密集型的。大規(guī)模多天線系統(tǒng)由多個天線子陣列組成，每個子陣列共享數(shù)模轉(zhuǎn)換、 混頻器等元件， 而子陣列的每根天線單獨擁有移相器、 功率放大器、低噪放大器等模塊。 所以隨著天線數(shù)的增加，硬件的部署成本會快速增加。

不過與此同時，多天線的增益效應使得系統(tǒng)的容錯能力提升， 每個單元的模塊（如數(shù)模轉(zhuǎn)換、功率放大器等） 的功能可以進一步減弱。軟件層面則需要復雜的算法來管理和動態(tài)地適應與編碼和解碼用于多個并行信道的數(shù)據(jù)流，這就需要一個相對強大的處理器，通常被實現(xiàn)為一個 FPGA。

利用混合波束賦形技術(shù)的天線系統(tǒng)架構(gòu)圖

整體而言， 未來 MIMO 將對天線帶來升級需求，同時射頻模塊（移相器、功率放大器、低噪放大器等）的需求將爆發(fā)，此外數(shù)據(jù)的增加將利好功能更加強大的綜合處理模塊， 如 FPGA。