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三年内会商用的5G射频与测试的八个关注点

发布时间:2018-04-19 来源:赵娟 责任编辑:wenwei

【导读】毫米波未来的五年时间估计也不会被普及,因为穿透有限需要大规模部署,成本太高。运营商在主流城市地区利润增长和投入不成正比积极性不大。本文的关注点只聚焦在三年内会商用的5G射频前端与5G测试。
 
毫米波未来的五年时间估计也不会被普及,因为穿透有限需要大规模部署,成本太高。运营商在主流城市地区利润增长和投入不成正比积极性不大。本文的关注点只聚焦在三年内会商用的5G射频前端与5G测试。
 
关注一:5G要实现的三大场景
 
下图是国际电信联盟委员会,3GPP都达成共识的一张图,可能EDN电子技术设计的读者们都很熟悉了,但还是作为开场罗嗦一下已经非常明确的5G要实现的三大场景:
 
场景一:增强型的移动网络,可能应用于现在看到的很多高密度的组网,像VR、AR这些应用,它对于大带宽、对于数据吞吐量的要求非常高。
 
场景二:MASSIVE MACHINE,其实就是更多面向像物联网一些低功耗的应用,会更广泛的部署在长时间、低功耗的应用。
 
场景三:高可靠性零时延,比如自动驾驶、AR、VR等应用。
 
三年内会商用的5G射频与测试的八个关注点
 
5G时代的IoT,一定区别现在4G时代。现在谈到的NB-IoT、EMTC、Cat-M1都是基于4G LTE时代的IoT,这样的MMTC可以变相理解为一个基于5G标准的IoT,这个也会是5G三大场景里面第二个应用。
 
关注二:5G三个场景对射频的不同影响?
 
对于场景一增强型移动宽带,我们分别看看其对手机和基础设施的影响:
 
A.对终端手机的影响。支持5G的不可能是个单纯的5G手机,而是需要兼容3G、4G,所以会有很多新的射频,无论是滤波器、开关、功率放大器以及整合起来的前端模块,都会有额外的新的器件。这是来自于新的5G标准、新的5G调试方式的需求,会有更多新的区别于传统4G的射频半导体器件。
 
除了新的定义成5G的频段以外,还有一些到2020年甚至之后会有很多4G频谱的重耕,就需要在现有的4G射频半导体基础上同时支持5G NR的标准。从移动宽带的角度来说,对于5G的智能手机会有更多射频半导体器件在里面,相比较4G而言。
 
B.对基础设施的影响。除了增强型宽带以外,更多的放在毫米波领域。毫米波在在中国可能还需要往后过3-5年的时间,但是在目前主流的全球领域毫米波走的最靠前的是美国。美国在今年就有毫米波的商用(固定无线接入设备FWA),这样的场景并不是传统意义上移动终端手机的应用场景,所以看不到在美国基于毫米波的5G有任何移动制式的手机或者移动制式的数据类器件。对于这样一个FWA的固定接入设备就有新的基础设施需求。
 
举个很简单的例子,在中国宽带有最后一公里怎么去解决,很多时候光纤入户,必须光纤和楼宇相互连接,必须要光缆埋在地下,现在美国就是用毫米波的FWA解决。这个区别于真正的5G移动智能手机的另外一个应用场景。eMBB的应用场景会带来新的毫米波的终端制式的产生。所以无论从基础设施(基站布局)的角度和终端角度都会有这个问题。
 
场景二,万物互联的影响。基于5G新标准的IoT,不是现在基于4G标准的NB-IoT或者EMTC制式的IoT,这样的标准无论从基础设施还是移动终端的角度,都会有新的射频器件产生。
 
场景三,低功耗高可靠性低时延的通信设备。在中国,尤其是2020,三家运营商都要商用5G,所有产品都会在第一个场景(增强型的宽带),这个延伸了会有很多额外射频器件的产生,无论是在基础设施领域还是在移动终端智能手机领域。
 
关注三:从2018年到2021年,5G的三个阶段
 
从2018年开始所有国家运营商都在做试商用,但真正到了2020年之后下半年或者2021年之后才开始大规模的商用。
 
三年内会商用的5G射频与测试的八个关注点
 
那么,产品开发的路线图怎么真正跟标准化制定的时间点相匹配?
 
从现在开始到2019年的上半年更多的运营商会做5G的试商用,主要是现在还没有真正确定的标准。去年12月份完成的NSA的第一版标准,今年6月份完成的第一版SA标准。所有的国家运营商都会基于这个标准做试商用运行。
 
从2019年下半年到2020年会有更多基于3GPP的第15个版本的有限商用,可能在某些国家会有大规模的商用,包括中国现在三家运营商的目标,都是希望在2019年下半年、2020年初的时候正式商用。但是运营商肯定会有不同制式的规划。
 
2020年到2021年就是真正的5G大规模商用,所有支持5G的独立组网以及非独立组网的终端网络在2020年都会完成这个商用功能。
 
关注四:NSA和SA——非独立组网vs独立组网
 
商用的5G产品,在2018年到2019年,因为目前在全球的所有运营商只有两家会走独立组网路线,就是中国移动、中国电信。其他所有国外运营商,包括中国联通,目前的规划都是走非独立组网。
 
三年内会商用的5G射频与测试的八个关注点
 
所以NSA是一个非独立组网。非独立组网对射频前端,对5G的智能手机最大的影响是:非独立组网是依靠LTE作为核心网,所有的语音通信层面、控制层都是LTE,数据层走的是5G NR,射频前端就意味着必须有一个LTE的通道,无论是哪一个频段,还必须有一个5G的通道在同时上下行工作,这是一个非常大的挑战,因为有一些互干扰的问题。
 
关注五:SA与NSA,优劣势分别在哪里?
 
SA相对NSA的劣势在于,要做一个SA的布网需要全部重新投入,包括核心网、接入网、数据链网都是基于5G-NR,投入相当大;NSA的好处可以在核心网、接入网基于4G-LTE,只需要在数据内容层面做5G的基站部署,从资本的角度会节省很多。
 
但是SA相比于NSA的最大优势在于,很多人会认为5G相比较4G第一个概念就是速度快,但是从运营商的角度,5G有4G时代不能实现的功能,比如网络虚拟化管理、网络切片功能——相对于4G,运营商在5G网络里可以节省很多成本。
 
从这方面来说,NSA的组网方面是不能实现的,这就是为什么中国移动和中国电信第一步就选择做SA,这是一种国家使命。
 
3G时代我们处于跟进状态,4G处于还是,我们希望在5G属于一个领先者的状态,希望一步最大化用到5G,从资本投入来说一定会是更多的,但是对运营商未来的投资成本,以及为用户服务的角度来说,纯粹的SA的5G一定是真正的5G。
 
NSA只是中间的一个过渡,虽然我们现在看到全球除了两家运营商之外都是做的NSA,但是未来他们一定会过渡到SA,这只是时间问题。Qorvo正在努力,计划在2020年的时候推出同时支持非独立组网以及独立组网手机射频半导体的射频解决方案。
 
关注六:非独立组网对测试的挑战?
 
在满足5G要求的同时,还并行要兼容4G的要求,因为频段上面的一些重合,这对测试测量厂商有非常大的挑战,存在干扰,频谱等问题。
 
第一个是复杂性的提升,包括非常灵活的参数级,包括子载波间距,以前固定的方式变成可灵活调配的子载波间距,包括在射频前端这些要求,这些对设计的复杂度,测试来说是非常重大的挑战;
 
第二个是4G和5G共存的问题,在前端的芯片设计上面都是会把它高度集成化的设计到单一的前端芯片上面,整体来说会增加整个设计的复杂度,对测试来说也有更高的要求。更多的射频指标的测试,包括高带宽,还有高的调制特性,其实就需要更好的EVM,对仪器的指标有更高的要求。
 
第三个是测试时间和更快的上市时间,时间成本、“快”是5G时代面临的一个严峻挑战。
 
像5G前端设计的这么复杂,有射频部分,数字部分,还有很多其他的带宽要求,多个仪器的配合是不是有很好的同步,很好的进行协同,特别是进行复杂度提高这种自动化测试的要求,对于很多传统的设计公司来说,可能还会用下图左侧的测试方法。下图右侧NI的平台化仪器集成在一个非常小的机箱里面,并且用PXI的技术完成非常好的同步机制,看起来就清爽多了,测试速度也有非常大的提升,EDN电子技术设计的读者们可以考虑这个方案。
 
三年内会商用的5G射频与测试的八个关注点
 
同时NI在算法上还把FFT,傅里叶变换等部署到FPGA里面,比CPU做FFT的运算速度快很多倍,极大的提升测试效率。
 
关注七:5G-NR的商用与5G重耕
 
5G-NR的商用,现在主要讲的两个频段,3.5GHz和4.5GHz。
 
(FR1、FR2都是3GPP的术语,指频率的覆盖范围,FR2讲的是毫米波)
 
三年内会商用的5G射频与测试的八个关注点
 
当下主流的芯片公司,包括高通、海思、英特尔,在移动芯片里可能会把5G-NR全新的收发机芯片和4G的LTE芯片做两个芯片。
 
到了2019年之后,更多的基于5G NR模块的产生,n77、n79、n41(尤其是n77、n79)这三个都是新的专门为了5G 6GHz以内新定的频段。n41会是未来第一个从4G重耕成5G的频段,这个频段短期内不会发生的中国,但是n41在美国马会被做重耕,一部分重耕成做5G的应用场景。
 
(备注:n77代表3.5GHz,是个频宽从3.3一直到4.2GHz,n79代表中心频率在4.4-5GHz,n41就是在2.5GHz的频率。)
 
5G的重耕,n1、n3、n71,这里的n代表new radio,相对于4G时代的B代表band。Band1,band3与n71这三个频段是第一批都进行4G重耕的频段,可能不同运营商有不同的规划,band1,band3可能会在中国,但是在未来哪年不是一个短期能看到的,主要的重耕可能会发生在欧洲,n71发生在美国。
 
关注八:除了RF的影响,还要考虑天线分工
 
未来在5G的前端架构里面,除了PA、滤波器、LNA等传统的射频收发器件以外,需要更多的是前端的天线怎么分配,多工器如何支持更好的载波聚合。
 
天线分工器有不同的组合,不同频段、不同功能性的组合,所以在未来5G的智能手机里,天线的分工会是占比相当大的设备器件,这也是伴随着5G衍生起来的新设备前端器件。天线分工器可能需要更多的跟手机厂家合作,他们决定了手机里用哪几根天线,每根天线支持什么样的频段。
 
除此以外,因为天线越来越多,但手机上还希望一根天线的覆盖更宽的范围,未来在5G时代天线调谐技术相比较4G时代会用的更加多。
 
SA相比较NSA来说,最大的区别在于SA场景不需要与4G两路共存,但需要两路的发射,比如中国移动就是走的SA的场景,它目前就明确规划在3.5G、4.8G需要两路上行的情况。SA相比较NSA来说,有更多一系列针对5G-NR标准的规格,所以会有更多复杂的射频前端架构的解决方案。
 
(作者注:本文大部分内容来自第七届EEVIA年度中国ICT媒体论坛暨2018产业和技术展望研讨会上Qorvo亚太区移动事业部市场战略高级经理陶镇及NI中国技术市场工程师马力斯的演讲与采访整理)
 
本文转载自电子技术设计。
 
 
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