5G的發(fā)展方向和應(yīng)用趨勢(shì)

作者 / 王瑩 毛爍 《電子產(chǎn)品世界》編輯

摘要：面對(duì)日益增長的網(wǎng)絡(luò)容量和即將到來的超連接社會(huì)，業(yè)界將重點(diǎn)推出 5G 蜂窩通信技術(shù)以更快地傳輸數(shù)據(jù)，并結(jié)合一系列先進(jìn)技術(shù)，以確保數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的可靠和安全傳輸。

5G標(biāo)準(zhǔn)在演進(jìn)，模塊和芯片需要高集成度和高可靠

　　5G走勢(shì)

　　5G主要有三大應(yīng)用愿景：1.增強(qiáng)的移動(dòng)寬帶，核心是高帶寬，2.大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)，這需要低功耗的基礎(chǔ)設(shè)施，3.關(guān)鍵業(yè)務(wù)服務(wù)，其核心是低延遲、超可靠。因此，5G和現(xiàn)有技術(shù)相比有很多增強(qiáng)擴(kuò)展，這些指標(biāo)跨度很大，所以需要有規(guī)劃、階段性的引入，不可能一下子都全部實(shí)現(xiàn)。所以在5G進(jìn)入商用之前的技術(shù)落地非常重要。

　　5G主要有兩個(gè)發(fā)展階段，第一階段主要針對(duì)增強(qiáng)的移動(dòng)寬帶場景。下一階段，也就是16版(Rel-16)主要針對(duì)兩大應(yīng)用場景，即eMTC(增強(qiáng)機(jī)器類通信)，mMTC(海量機(jī)器類通信)，使5G可以滲透到更廣領(lǐng)域。在市場上，相信5G會(huì)帶動(dòng)車聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等的發(fā)展。

　　車聯(lián)網(wǎng)場景

　　中國主要是中國移動(dòng)通信系統(tǒng)的C-V2X方案，當(dāng)然在亞太地區(qū)也使用。關(guān)于C-V2X的演進(jìn)，在3GPPP時(shí)，14版(Rel-14)和15版本都分別推出了兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)， V2V和V2X。繼14版的V2X后，15版又出了增強(qiáng)型的C-V2X。16版技術(shù)演進(jìn)路線已確定。業(yè)界也在做5G的V2X，像NR-V2X，但特別高端的這塊還要再過幾年，標(biāo)準(zhǔn)要到2019的年底才能完成，之后可能還要等一兩年才做芯片。目前14版標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)出來和落地了，現(xiàn)在有一些商家陸續(xù)在做測(cè)試和部署。

　　另一個(gè)車聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)是802.11p專用短程通信，在北美和歐洲是主流的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。u-blox最近發(fā)布了一個(gè)業(yè)界最小的V2X通信芯片UBX-P3，以加速802.11p的應(yīng)用。該技術(shù)比較成熟，經(jīng)濟(jì)高效，產(chǎn)業(yè)鏈也很成熟，可以密集部署。

　　工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)及其他應(yīng)用

　　在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)方面，可用5G的無線新空口替代以太網(wǎng)的固線設(shè)備。當(dāng)然這需要非常低的延遲，超高的可靠性和準(zhǔn)確度。此部署的范圍可能會(huì)遇到一些非授權(quán)頻譜和較高頻率的頻譜。

　　在技術(shù)層面，目前有兩大主流技術(shù)：授權(quán)的和非授權(quán)的頻段技術(shù)。NB-IoT、LTE-M和EC-GSM-IoT代表主流的授權(quán)頻段技術(shù)，非授權(quán)技術(shù)包括LoRa和RPMA。

　　5G取代有線通訊方面，有兩類應(yīng)用場景：第一是毫米波部分，美國已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)用毫米波來替代最后一公里的光纖入戶。特別是運(yùn)營商在這方面走得非?？壳?，也下了很大決心和財(cái)力在此部署，對(duì)于當(dāng)前的cable campany (光纖公司)也產(chǎn)生一些業(yè)務(wù)上的遞增。另一個(gè)應(yīng)用是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，用無線來替代以太網(wǎng)會(huì)增加靈活度，例如工廠會(huì)減少很多固線，但是需要在技術(shù)上做得很好，包括高穩(wěn)定性、低延遲等，這些都是5G能夠?qū)崿F(xiàn)的。

　　預(yù)計(jì)2019年年底5G工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)才能落地， 2018年才開始相關(guān)課題。有些工業(yè)聯(lián)盟，主要是歐洲的，以德國為首的叫5G ACIA。

　　為了讓5G像物聯(lián)網(wǎng)一樣遍地開花，需要擴(kuò)展到更多的應(yīng)用或者新型產(chǎn)業(yè)里，例如Sylvia Lu的朋友不久前成功演示了世界首個(gè)5G同步音樂會(huì)，在英國和德國做跨國演出，在藝術(shù)界掀起了一波探索5G應(yīng)用的高潮。

　　窄帶在5G中的地位

　　用于物聯(lián)網(wǎng)的NB-IoT和LTE-M等窄帶技術(shù)已是5G技術(shù)。有些國家已經(jīng)開始部署窄帶物聯(lián)網(wǎng)，中國走得非常前端;此外，西班牙或意大利及一些北美國家也有部署。

　　在LTE-M和NB-IoT方面，u-blox推出了多種NB-IoT模塊，例如SARA-N系列，在歐亞已獲認(rèn)證，其中SARA-N201也落地中國電信設(shè)置的網(wǎng)絡(luò)頻段。u-blox還推出了針對(duì)NB-IoT和LTE-M的全球通用模塊。

　　在eMTC網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方面，u-blox的SARA-R4系列能夠運(yùn)行在eMTC網(wǎng)絡(luò)，是雙模模塊，eMTC和NB-IoT可同時(shí)工作，2018年在美國已被AT&T授權(quán)使用。

ADI：需要集成多種通信協(xié)議的芯片

　　5G是通信業(yè)的下一波熱潮，也是半導(dǎo)體業(yè)下一個(gè)增長驅(qū)動(dòng)力之一。中國將是世界上第一個(gè)推廣5G的國家，預(yù)計(jì)2019年中國移動(dòng)就率先部署5G基礎(chǔ)設(shè)施，第一步通常是在大城市的熱點(diǎn)區(qū)域。

　　5G對(duì)設(shè)備運(yùn)營商(OEM)提出了新的挑戰(zhàn)，因?yàn)?G技術(shù)和4G有很大不同，包括空口技術(shù)、編碼技術(shù)，以及后面的基帶等。最直接的挑戰(zhàn)是頻譜擴(kuò)展，之前頻段一般集中在2GHz、2.7GHz以下，新的5G頻段有3.5GHz頻段、4.9GHz頻段等，因此設(shè)備商要提供新的產(chǎn)品來覆蓋這些頻段。

　　一方面是帶寬增加，之前的帶寬更多是50MHz，最多100MHz。5G因?yàn)閿?shù)據(jù)流量大大增加，數(shù)據(jù)流量要10倍甚至100倍的增長，帶寬也要更寬。目前3GPP推出的規(guī)格里最寬的帶寬達(dá)200MHz。

　　另一方面通道數(shù)也會(huì)大大增加，之前宏基站是2×2或者是4×4，現(xiàn)在8×8已經(jīng)出來了，甚至16×16。5G有一個(gè)專門的技術(shù)叫Massive MIMO。在Massive MIMO場景中有64×64，甚至128×128。通信商巨頭已經(jīng)有這些Massive MIMO的原型產(chǎn)品了，在MWC(世界移動(dòng)通信大會(huì))及微波展上都曾展出過。這些難題從技術(shù)角度對(duì)設(shè)備商提出了挑戰(zhàn)，不但要滿足新技術(shù)的要求，同時(shí)運(yùn)營商也要求設(shè)備商進(jìn)一步降低尺寸、功耗和成本。因此，需要半導(dǎo)體廠商推出新的解決方案給設(shè)備商。

　　5G在2019年就要部署了，市場份額會(huì)越來越高，但是同時(shí)那些舊有的通信技術(shù)，像2G、3G等并沒有因此消失掉，如下圖可見4G仍會(huì)占很大一部分比重。2G、3G在2020年以前還是會(huì)有一定的市場，因此對(duì)設(shè)備商來說，要求其設(shè)備既要支持5G、4G新的協(xié)議，同時(shí)還要向前支持到舊有的協(xié)議，因此客戶必須要有各種各樣不同的平臺(tái)，這無疑會(huì)增加成本。

　　ADRV9008/9正是這一理念下誕生的新產(chǎn)品，其是ADI最新的、也是迄今業(yè)界最寬的射頻(RF)收發(fā)器(注：截至2018年8月)，能夠支持2G、3G、4G、5G，滿足所有的通信協(xié)議，同時(shí)可以支持多芯片相位合成，用在Massive MIMO和相控陣領(lǐng)域，以及手持儀器儀表領(lǐng)域。

羅杰斯：5G需要新材料應(yīng)用的相關(guān)產(chǎn)品

　　眾所周知，5G相對(duì)于4G/LTE，具有比4G/LTE高達(dá)1000倍以上的網(wǎng)絡(luò)傳輸速率。Massive MIMO技術(shù)、更寬頻譜帶寬的需求以及毫米波頻段的使用等等都使得5G相對(duì)于4G/LTE有著非常大的區(qū)別和不同。

　　比如5G技術(shù)中Sub-6GHz頻段下的天線系統(tǒng)。雖然其頻段上與4G相差并無太大的不同，但于5G天線數(shù)目和復(fù)雜度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于4G的天線，5G天線系統(tǒng)中所使用的更加先進(jìn)Massive MIMO技術(shù)，使在同一個(gè)天線中具有多達(dá)64路甚至更高的輸入/輸出，天線的集成度更高，設(shè)計(jì)變得越來越復(fù)雜。由此衍生出來的，是對(duì)具有低介電常數(shù)及容差、更低插損、能夠進(jìn)行多層板設(shè)計(jì)、在溫度、環(huán)境變化保持穩(wěn)定性能且滿足阻燃性要求的材料需求。因此，羅杰斯相應(yīng)開發(fā)了RO4730G3材料以滿足設(shè)計(jì)工程師的需求。

　　5G的頻段還包括28GHz、39GHz等毫米波頻段。毫米波頻段的信號(hào)都具有很小的波長，電路設(shè)計(jì)需要選擇更薄的電路材料。而且隨著頻率的升高電路損耗會(huì)進(jìn)一步增加，也需要更低損耗的電路材料滿足設(shè)計(jì)的需求。同時(shí)，5G中由于系統(tǒng)多通道的特點(diǎn)，需要降低電路的尺寸，減小基站體積，工程師對(duì)射頻和數(shù)字信號(hào)的集成度提出了更高要求，從而需要廣泛使用多層板結(jié)構(gòu)進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)，電路層數(shù)將從10層演變到20多層、甚至30層?；谶@樣的應(yīng)用需求，羅杰斯推出了RO4835T、RO4450T、RO4460G2，以及CLTE-MW等一系列材料來為工程師提供不同的解決方案。

　　羅杰斯公司作為全球材料工程領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，持續(xù)創(chuàng)新、不斷研發(fā)出新的材料和解決方案應(yīng)對(duì)未來市場的需求。對(duì)于5G，羅杰斯發(fā)布了多款針對(duì)于5G不同應(yīng)用的相關(guān)產(chǎn)品。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] KalyanSundar. 打通邁向5G之路[J],電子產(chǎn)品世界，2018(1);32-33

　　[2] 田元鎖,張黎明.5G通信信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J],電子產(chǎn)品世界，2018(1);33-36

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第10期第20頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。