5G頻譜對芯片通信帶寬有何影響？

隨著5G時代到來，移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)將成為移動通信發(fā)展的主要驅(qū)動力，同時，移動智能終端也將定義為個人移動計算平臺，要求能夠?qū)崟r處理各種計算、商務(wù)、應(yīng)用和娛樂需求。因此，5G時代的移動智能終端芯片要在計算架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)連接架構(gòu)、控制系統(tǒng)架構(gòu)的軟硬件設(shè)計方面不斷升級和更新，滿足5G新技術(shù)對芯片兼容能力、傳輸速度、低功耗性能等方面的性能要求。

巨大發(fā)展機(jī)遇

高速視頻和語音通話、超高清視頻、增強(qiáng)現(xiàn)實、自動駕駛、移動醫(yī)療、物聯(lián)網(wǎng)、智能制造、智慧城市等各種新興應(yīng)用將不斷涌現(xiàn)，高速語音圖像識別與傳輸、智能感知、海量數(shù)據(jù)處理、深度學(xué)習(xí)、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）等多類技術(shù)創(chuàng)新加速，推動軟硬件的性能需求不斷提升。

2020年以后，5G將主導(dǎo)通信網(wǎng)絡(luò)市場發(fā)展。國際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)迭代的契機(jī)推動芯片研發(fā)不斷加速，企業(yè)面對5G技術(shù)轉(zhuǎn)折點紛紛加快進(jìn)行技術(shù)儲備，抓緊僅剩的2~3年時間進(jìn)行技術(shù)儲備。系統(tǒng)集成商與運營商加快關(guān)鍵技術(shù)研究及樣機(jī)驗證。芯片設(shè)計廠商競相推動5G關(guān)鍵技術(shù)組件成型，致力于成為2020年第一批5G商用芯片提供商。

2016年10月，高通宣布推出業(yè)界首個5G調(diào)制解調(diào)器芯片驍龍X50，并預(yù)計于2017年下半年開始出樣，2018年上半年推出首批商用終端。今年年初英特爾已發(fā)布了它的5G基帶方案并預(yù)計下半年小量試產(chǎn)，隨后，三星也發(fā)布了它的5G射頻芯片并預(yù)計明年可以提供商用芯片。國內(nèi)，華為海思成立的5G專項組已經(jīng)做了大量的終端芯片技術(shù)準(zhǔn)備，借助與華為5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的同步優(yōu)勢，能夠更快地形成聯(lián)調(diào)效應(yīng)，預(yù)計2019年推出相關(guān)產(chǎn)品。展訊也早就參與了國家5G標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，成立了專門的5G研發(fā)團(tuán)隊，預(yù)計在2019-2020年之間推出符合5G標(biāo)準(zhǔn)的商用射頻芯片。

技術(shù)演進(jìn)路線

從技術(shù)特征、標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的角度分析，5G時代技術(shù)發(fā)展存在4G演進(jìn)空口和5G新空口兩條技術(shù)路線。

4G演進(jìn)技術(shù)路線是基于4G框架在幀結(jié)構(gòu)、多天線、多址接入等方面引入增強(qiáng)型新技術(shù)，如小型化基站相關(guān)技術(shù)、3D-MIMO、增強(qiáng)型CoMP、增強(qiáng)型中繼、FDD和TDD的融合等，在保證兼容4G體系的同時進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能，在一定程度上滿足5G場景與速率、時延等性能指標(biāo)需求。例如將MIMO技術(shù)升級成為Massive MIMO，其中天線配置從16x16增長至256x256，從而帶來無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋和傳輸速度的提升。

5G新空口技術(shù)路線主要是面向新場景和新頻段進(jìn)行全新的空口設(shè)計，包括6GHz以下的低頻新空口技術(shù)和6GHz以上的高頻新空口技術(shù)。這些新空口技術(shù)不需考慮與4G框架的兼容性，通過新的技術(shù)方案設(shè)計和引入創(chuàng)新技術(shù)來滿足5G業(yè)務(wù)需求及挑戰(zhàn)，特別是高頻段及物聯(lián)網(wǎng)場景需求。

5G頻譜影響芯片通信帶寬

5G網(wǎng)絡(luò)與4G網(wǎng)絡(luò)最根本的變革是頻段的擴(kuò)展。5G網(wǎng)絡(luò)在中低頻段形成有效地網(wǎng)絡(luò)覆蓋，對用戶進(jìn)行控制、管理并保證基本的數(shù)據(jù)傳輸能力，而高頻段與低頻段聯(lián)合組網(wǎng)，為用戶提供高速數(shù)據(jù)傳輸。6GHz以下低頻段是以現(xiàn)有LTE-A作為5G無線電接入網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，而從6GHz到100GHz的高頻率則需要進(jìn)行體系架構(gòu)、無線組網(wǎng)、無線傳輸、新型天線與射頻以及新頻譜開發(fā)與利用等關(guān)鍵新技術(shù)的探索。

根據(jù)通信原理，在頻譜利用率不變的情況下，增加帶寬可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸速率的增長。無線通信最大信號帶寬大約是載波頻率的5%左右，因此載波頻率越高，可達(dá)到的芯片信號帶寬也越大。由于各國的空余頻段與技術(shù)基礎(chǔ)不同，使得選取與主推的5G頻段不盡相同。例如，美國聯(lián)邦通信委員會主推28GHz（27.5～28.35GHz）、37GHz（37～38.6GHz）和39GHz（38.6～40GHz）頻段，并將現(xiàn)有57～64GHz非授權(quán)頻段擴(kuò)展至71GHz，能夠體現(xiàn)出以高通為代表的一批美國芯片設(shè)計企業(yè)的技術(shù)方向。而我國提倡中低頻段的應(yīng)用，意向頻段主要包括3.3～3.6GHz、4.4～4.5GHz、4.8～4.99GHz等中低頻段，以及25GHz和39GHz的高頻段，主推頻段不同從而直接影響到海思、展訊等國內(nèi)通訊芯片廠商的技術(shù)研發(fā)與國外有所差異。

新空口技術(shù)決定芯片發(fā)展新方向

隨著每一代移動通信出現(xiàn)，空中接口關(guān)鍵技術(shù)均會發(fā)生革命性躍變，如從模擬至數(shù)字、從FDMA至TDMA、從CDMA至OFDM等。5G新空口技術(shù)（5G New Radio）是由國際5G標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP選定的，用于規(guī)范新的5G無線空中接口，其目標(biāo)是將數(shù)據(jù)傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)容量、時延、可移動性、能量效率和覆蓋能力提高到一個全新水平。5G新空口技術(shù)要充分利用可用頻譜，實現(xiàn)低、中、高頻段的組網(wǎng)覆蓋，因而需要軟硬件的不斷適應(yīng)和升級。

新型多址技術(shù)和先進(jìn)調(diào)制編碼

5G通信中，超高數(shù)據(jù)吞吐率的關(guān)鍵是超寬帶信號調(diào)制（通常認(rèn)為達(dá)到500MHz以上），要實現(xiàn)在有限的頻帶內(nèi)傳輸更多的信息，就要基于新的基帶芯片多址技術(shù)和信號編碼技術(shù)。

新型多址技術(shù)通過疊加傳輸，不僅可以提升用戶連接數(shù)，還可以有效提高系統(tǒng)頻譜效率，同時還可以有效降低傳輸時延。除LTE采用OFDMA（正交頻分多址）技術(shù)外，新型多址技術(shù)還包括SCMA（稀疏碼多址接入技術(shù)）、PDMA（圖樣分割多址接入技術(shù)）、MUSA（多用戶共享接入技術(shù)）、NOMA（非正交多址接入技術(shù)）等。

先進(jìn)調(diào)制編碼采用高階的調(diào)制方式和更高的碼率，能夠在大帶寬和信道好的條件下提供較高的頻譜效率和碼長，保障5G傳輸?shù)母咚俾市枨?。較為知名的編碼方式有華為主推的控制信道Polar Code（極化碼）和高通主推的數(shù)據(jù)信道LDPC（低密度奇偶校驗碼）。

新載波和天線技術(shù)的多頻多模結(jié)構(gòu)

高速數(shù)據(jù)傳輸和高密度連接都是5G技術(shù)的核心目標(biāo)，其關(guān)鍵技術(shù)主要針對射頻傳輸技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。為滿足5G技術(shù)目標(biāo)，基于濾波器組的多模多頻射頻芯片需要使用物理層新技術(shù)，其中典型代表一方面是大規(guī)模天線技術(shù)，另一方面是新型多載波技術(shù)。

大規(guī)模MIMO技術(shù)是利用發(fā)射端的多個天線各自獨立發(fā)送信號，同時在接收端用多個天線接收并恢復(fù)原信息的天線系統(tǒng)。由于使用多天線系統(tǒng)，信號的傳輸路徑增多，從而實現(xiàn)空間復(fù)用，能夠有效地提高系統(tǒng)的頻譜效率和可靠性。同時，通過將波束集中在很窄的范圍內(nèi)大幅度降低干擾和發(fā)射功率，從而提高功率效率。

新型多載波技術(shù)，包括F-OFDM技術(shù)、UFMC技術(shù)和FBMC技術(shù)等。它們都是通過優(yōu)化濾波器的設(shè)計，實現(xiàn)頻帶的更高效利用，因此，對應(yīng)了不同的濾波器硬件設(shè)計。

全雙工網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

全雙工（full-duplex）無線通信技術(shù)被認(rèn)為是5G通信中極具潛力的進(jìn)一步挖掘頻譜資源的技術(shù)之一。與傳統(tǒng)的時分雙工（Time-Division Duplexing，TDD）或者頻分雙工（Frequency-Division Duplexing，F(xiàn)DD）方式不同，全雙工技術(shù)旨在能夠允許設(shè)備間同時進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸，因此全雙工技術(shù)理論上可以使得無線頻譜資源利用率翻倍，同時同頻全雙工還能對無線網(wǎng)絡(luò)的物理層設(shè)計帶來極大的好處。同頻全雙工技術(shù)主要面臨的問題在于同頻段同時收發(fā)產(chǎn)生的巨大自干擾。目前，通過模擬端干擾抵消、數(shù)字端干擾抵消和天線抵消等技術(shù)手段，已經(jīng)使得同頻全雙工通信成為可能。另外，同頻全雙工技術(shù)面臨的另一個技術(shù)挑戰(zhàn)在于對MIMO系統(tǒng)的支持，對于多天線系統(tǒng)，自干擾消除的復(fù)雜度將隨著系統(tǒng)天線數(shù)目增加而急劇增加，因此導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計面臨巨大困難。

毫米波技術(shù)對射頻芯片提出要求

毫米波是指波長在毫米數(shù)量級的電磁波，其頻率大約在30GHz～300GHz之間。5G移動通信需要的高傳輸速率、高網(wǎng)絡(luò)容量需要更多的頻譜資源來提供支持，而毫米波通信技術(shù)因其頻譜資源豐富、方向性強(qiáng)等特點是5G移動通信重要的技術(shù)方向之一。

在毫米波通信系統(tǒng)中，因毫米波信號的傳播損耗較高，使得射頻芯片要對微弱信號具有較高的靈敏度。同時，為保證CMOS器件對微弱的毫米波信號能快速響應(yīng)，還需增大芯片的工作電流，從而使得芯片功耗增加。另一方面，因毫米波信號波長接近或小于設(shè)備導(dǎo)線的長度，可能出現(xiàn)線路阻抗不匹配時的“傳輸線效應(yīng)”，發(fā)生信號反射、干涉、衰減、疊加等各種信號畸變，極大地影響信號的傳播。因此在設(shè)計射頻芯片時必須考慮毫米波傳輸線效應(yīng)，才能確保芯片正常工作。

措施建議

加強(qiáng)組織領(lǐng)導(dǎo)，健全協(xié)調(diào)保障機(jī)制

加強(qiáng)國際標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)、技術(shù)研發(fā)合作，知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)、試點應(yīng)用推廣等領(lǐng)域的指導(dǎo)、組織和實施工作。健全移動智能終端芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展相關(guān)的協(xié)調(diào)和推進(jìn)機(jī)制，重點加強(qiáng)在5G標(biāo)準(zhǔn)和頻率上的合作，支持相關(guān)機(jī)構(gòu)與各國的溝通與對話，保障移動智能終端芯片產(chǎn)業(yè)化的快速推進(jìn)。

加大技術(shù)研發(fā)力度，實現(xiàn)核心技術(shù)突破

發(fā)揮設(shè)備制造企業(yè)、網(wǎng)絡(luò)運營商等在國際標(biāo)準(zhǔn)制定和研發(fā)中的支撐作用，積極推動建立以企業(yè)為主體，產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合的技術(shù)創(chuàng)新體制。發(fā)揮科研單位和高校在基礎(chǔ)研究中的帶動作用，建立有效的協(xié)同機(jī)制，支持5G移動智能終端關(guān)鍵核心技術(shù)尤其是芯片、關(guān)鍵元器件等薄弱環(huán)節(jié)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。同時，加大標(biāo)準(zhǔn)制定和知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)的力度，構(gòu)建自主知識產(chǎn)權(quán)體系，加強(qiáng)我國在5G通信領(lǐng)域的核心競爭力。

推進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新協(xié)同

統(tǒng)籌規(guī)劃5G通信產(chǎn)業(yè)的重大專項工程，加強(qiáng)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用領(lǐng)域的融合創(chuàng)新研究，整合終端制造、芯片研發(fā)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造等產(chǎn)學(xué)研資源，開展關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)品研發(fā)與應(yīng)用示范驗證。推進(jìn)公共服務(wù)平臺建設(shè)，支持電信企業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)與行業(yè)用戶加強(qiáng)合作，積極探索新技術(shù)、新業(yè)態(tài)和新模式，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供共性技術(shù)研發(fā)、知識產(chǎn)權(quán)、人才培訓(xùn)、市場推廣等方面的支撐服務(wù)。
? ? ? ?責(zé)任編輯：tzh