5G巨头齐发力,或将破除终端瓶颈效应

继2017年完成大范围技术验证以及在产品形态上实现从大型验证终端向小型预商用终端的突破后,5G终端在2018年进入了部分无线接入型终端实现小规模商用与验证型手机研发成功的新阶段,5G第一阶段标准化完成、多个厂商终端芯片平台发布及首批5G网络商用计划发布等成为5G终端发展的主要驱动力。

主要厂商均已发布5G芯片及终端计划

随着今年6月3GPP批准5G SA(独立组网)功能冻结,加上2017年12月完成的NSA(非独立组网)标准,5G完成了第一阶段全功能标准化(R15)工作,这有助于加速包括终端在内的5G产业链发展,并为5G真正商用冲刺做准备。

目前,主要的4G终端芯片平台厂商都已发布5G产品和后续演进规划,其中高通率先于2017年10月发布可支持5G NSA标准的手机商用芯片X50,X50可同时支持Sub-6GHz(600-6000MHz)和毫米波(26GHz以上)频段,随后华为海思发布Balong5000,MTK发布Helio M70,Intel发布XMM8060,三星发布Exynos Modem 5100,展讯发布Roc。展望2019年5G产品也将成为这些厂商的研发重点。目前,部分厂商产品已支持某些应用场景下的小规模5G终端商用,今年10月AT&T就展示了全球首款可商用的5G终端Netgear Nighthawk移动热点,支持5G NSA标准和28GHz毫米波频段,并计划今年底前在美国12个城市投入5G网络商用。

国外部分运营商公布了2019-2020年首批5G网络商用计划,其中日本和韩国主要基于NSA标准,推出毫米波频段的宽带无线接入业务以及支持3.5GHz频段为主的手机业务,美国则以支持毫米波频段的宽带无线接入业务为主,其中AT&T的5G业务基于NSA标准,Verizon的则基于SA标准,T-Mobile的5G计划虽然比竞争对手稍晚,但会一开始就开通基于SA标准和2.6GHz频段的手机业务。

射频、功耗等仍是挑战

本部分将探讨现阶段影响5G终端发展的若干关键问题,并对其未来的发展作出一定展望。可以说,在目前5G尚未启动规模商用的情况下,影响5G终端发展的主要是技术研发挑战,包括射频前端复杂、终端功耗大等。

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射频前端研发挑战

5G将有更多的频段资源被投入使用,这增加了射频前端的芯片需求,同时Massive MIMO(多进多出)、波束成形、CA(载波聚合)、毫米波等关键技术,也会对射频前端部分的元器件性能、布局设计以及成本提出新的、更高的要求。

目前已规划出的5G频段主要在2.6GHz以上,相对主要在2.6GHz频道以下的2G/3G/4G频率更高、衰减更多,需增大射频套件的输出功率以支持更好的空间覆盖,这会对射频厂商的设计与射频器件性能提出更高要求。

5G频段增多使射频前端需搭配更多射频器件,例如一部支持3.5GHz和4.9GHz两个频段的5G多模智能机,其射频功放的通路个数至少从现在的3路增加至5路,如果未来需进一步支持毫米波,还要增加到6路或以上,在移动终端越来越轻薄的趋势下,这会对射频前端的尺寸提出非常高的要求。另外,如果采用MIMO技术实现更高速率的信号传输,射频前端还需要倍数级的器件进行支持。

由于兼容2G/3G/4G将是5G终端长期的重要发展需求,多模多频段将使5G终端(尤其手机)内部的电磁环境更为复杂,包括移动通信频段和WLAN及GPS的共存干扰、手机其他功能模块如摄像头工作时对接收频段的干扰等,对射频前端的设计都将是不可忽视的挑战。

此外,增加射频通路个数需要单独的硬件进行支持,同时5G要求单载波的带宽达到100MHz以上,较4G的20MHz提升了5倍,这对滤波器、数模转换器件提了更高的性能要求,这些都将加大成本压力。

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终端芯片功耗挑战

除多天线发射和高发射功率带来的功耗增加外,5G上下行的速率大幅提升会使基带芯片功耗明显增加。另外,由于5G商用初期的网络覆盖不足,以及有待持续优化的发展阶段不可逾越,在5G网络信号不佳的情况下,终端(尤其移动终端)容易出现不停地自动搜索优质网络信号,高频率的断网和联网会增加终端芯片的运行负荷和功耗。以上这些都将明显影响到电池容量有限的5G移动终端的待机和续航能力。

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其它终端技术挑战

除了射频前端设计与终端芯片功耗外,5G终端研发还面临着来自其它终端技术的挑战。

首先是5G终端上多协议共存增加了研发难度:NSA与SA两种5G标准协议共存的问题,虽然5G终端发展成熟后主流产品普遍将同时支持NSA跟SA,但在5G发展初期,出于降低研发难度并加快产品上市进度的考虑,仅支持NSA或SA需厂商根据自身研发实力、市场需求等作出选择;多模问题,对于非纯5G运营商,5G移动终端需同时支持2G/3G/4G多模,以在5G网络覆盖完善前提升移动业务的无缝覆盖体验;双卡问题,在中国、印度等市场,双卡手机已成为市场主流,5G手机研发也需考虑双卡互操作问题。

其次,移动边缘计算有望成为5G可带给消费者更好体验的新应用,但网络边缘体验提升需5G终端深度参与,这对5G终端研发提出了新的研发要求。而SUL(5G的补充上行链路技术)和CA是提升5G网络体验的重要技术手段,但其价值实现需要终端研发支持并充分优化。

预计不会出现瓶颈效应

虽然现阶段5G终端研发仍面临着射频前端复杂、终端芯片功耗大等挑战,但综合5G商用推进及终端产业链发展等,可预判5G终端非但不会产生瓶颈效应,而且可较好支持5G商用,其中CPE等5G固定终端有望在2019年底前初步成熟,而支持NSA标准和Sub-6Ghz的5G手机和便携型终端将在2020年下半年后开始逐渐进入主流消费者市场。

与4G发展初期高通在终端芯片平台领域领先优势较大不同,5G终端芯片平台领域有望从一开始就进入多家厂商激烈竞争的格局。在4G发展初期,高通在终端芯片平台处于垄断地位,市场份额较小的厂商GCT和Marvell等后来都相继退出了市场,目前4G终端芯片平台挑战厂商MTK、海思等则比高通晚了1-2年才推出了自家产品。目前5G已进入正式商用前的准备冲刺阶段,虽然高通仍在5G终端芯片平台领域保持一定领先,但Intel、海思、MTK、三星等不仅都发布了可支持手机的5G终端芯片,而且与高通的差距已缩小到1年以内,市场的激烈竞争将成为避免终端环节产生瓶颈效应的最有效因素。

从5G终端类型的发展维度看,CPE等5G固定终端有望率先走向成熟,随后是仅支持Sub 6GHz频段和NSA标准的手机和便携型终端,最后将是能同时支持NSA/SA标准以及毫米波频段的手机和小型可穿戴终端发展成熟。

与3G和4G 发展初期相似,CPE等5G固定终端由于对终端体积和功耗要求较低,只要成本降到一定水平、产品运行稳定即可规模上市。手机等移动终端由于容易受困于体积、重量尤其功耗,走向成熟的时间更长,目前基于10~16nm制造工艺、全部为独立基带芯片的第一代5G终端平台的手机已经可支持实验室环境下NSA标准的5G业务,但体积较大、功耗也较高,主要用于业务演示与研发实力展示,市场化商用的价值则比较有限。

预计2019年下半年,基于7-10nm制造工艺、以独立基带芯片为主的第二代5G终端平台有望商用,这些产品需要跟4G SoC手机芯片组合起来才能研发出5G多模手机,以满足5G移动用户漫游到2G/3G/4G网络的需求,这些手机的功耗虽然可较第一代5G手机下降20%以上,但仍明显高于同期的4G机型,需配置更大容量的电池(或者配置相同容量电池但影响待机和运行时间),在终端体积和重量上会略显笨重,在市场上将以吸引先锋性消费者为主。

2020年下半年,随着5nm制造工艺规模投产,届时以SoC多模芯片为主的第三代5G终端平台有望商用,配合终端射频前端持续优化,预计届时仅支持Sub 6GHz频段的5G手机功耗可跟目前主流4G手机接近,5G手机由此逐渐进入主流消费者市场。未来,随着毫米波技术发展、终端研发推进尤其射频前端新技术设计投入应用,在2022年前后小型可穿戴5G终端以及支持毫米波频段的5G手机有望走向成熟。

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