詳解半導體產業新商機：5G助推新未來

5G 是第五代通信技術，是4G 之后的延伸，是對現有的無線通信技術的演進。 其最大的變化在于 5G 技術是一套技術標準，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。根據歷史經驗，我國移動通信的每十年會推出下一代網絡協議。隨著用戶需求的持續增長，未來 10 年移動通信網絡將會面對：1000 倍的數據容量增長，10 至100倍的無線設備連接，10 到100 倍的用戶速率需求，10 倍長的電池續航時間需求等等，4G 網絡無法滿足這些需求，所以 5G 技術應運而生。需求增加的最主要驅動力有兩個：移動互聯網和物聯網。根據 ITU 給出的計劃， 5G 技術有望在2020 年開始商用。

面對5G 在傳輸速率和系統容量等方面的性能挑戰，天線數量需要進一步增加， 利用空分多址（SDMA）技術，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地適應與編碼和解碼用于多個并行信道的數據流，通常被實現為一個 FPGA。大規模天線陣列將帶來天線的升級及數量需求，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，此外數據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，將會推動半導體產業和終端往一個新的方向發展，創造一波新的價值，我們不妨來詳細了解一下。

什么是5G？

5G 是第五代通信技術，是4G 之后的延伸，是對現有的無線通信技術的演進。其最大的變化在于 5G 技術是一套技術標準，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。

回顧移動通信的發展歷程，每一代移動通信系統都可以通過標志性能力指標和核心關鍵技術來定義，其中， 1G 采用頻分多址（ FDMA），只能提供模擬語音業務； 2G 主要采用時分多址（ TDMA），可提供數字語音和低速數據業務；3G 以碼分多址（ CDMA）為技術特征，用戶峰值速率達到 2Mbps 至數十 Mbps， 可以支持多媒體數據業務； 4G 以正交頻分多址（ OFDMA）技術為核心，用戶峰值速率可達 100Mbps 至 1Gbps，能夠支持各種移動寬帶數據業務。

移動通信標準的發展歷程

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

然而，與以往只強調峰值速率的情況不同，業界普遍認為用戶體驗速率是 5G 最重要的性能指標，它真正體現了用戶可獲得的真實數據速率，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為基礎形成針對所有場景的解決方案。

此外，當前無線技術創新也呈現多元化發展趨勢，除了新型多址技術之外，大規模天線陣列、超密集組網、全頻譜接入、新型網絡架構等也被認為是 5G 主要技術方向，均能夠在 5G 主要技術場景中發揮關鍵作用。

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

5G推進組定義的5G概念

目前5G 技術已經確定了8 大關鍵能力指標：峰值速率達到 20Gbps、用戶體驗數據率達到 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 的關鍵指標，其提出的 9 項關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 的關鍵性能挑戰及實現

從具體網絡功能要求上來說， 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，而這些功能的實現都給供應商帶來了很大的挑戰。

5G主要場景與關鍵性能挑戰

5G 技術創新主要來源于無線技術和網絡技術兩方面。其需求來自于以上的關鍵性能挑戰。我們可以將關鍵性能分為以下三個部分：

5G關鍵性能分類

為了實現更高網絡容量， 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方式有增加基站和天線的數量，對應 5G 中的關鍵技術為大規模天線陣列（ Massive MIMO）和超密集組網（ 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。

而對于關鍵任務要求上，尤其是毫秒級的時延要求，對于網絡架構提出了極大的挑戰，5G 技術中將提出新型的多址技術以節省調度開銷，同時基于軟件定義網絡（ SDN）和網絡功能虛擬化（ NFV） 的新型網絡架構將實現更加靈活的網絡調度。

1、 大規模天線陣列（ Massive MIMO） ：提高頻譜效率，未來需要更多的天線及射頻模塊在現有多天線基礎上通過增加天線數可支持數十個獨立的空間數據流，以此來增加并行傳輸用戶數目，這將數倍提升多用戶系統的頻譜效率，對滿足 5G 系統容量與速率需求起到重要的支撐作用。大規模天線陣列應用于 5G 需解決信道測量與反饋、參考信號設計、天線陣列設計、低成本實現等關鍵問題。

美國萊斯大學 Argos 大規模天線陣列原型機樣圖

大規模天線技術（ MIMO）已經在 4G 系統中得以廣泛應用。面對 5G 在傳輸速率和系統容量等方面的性能挑戰，天線數目的進一步增加仍將是 MIMO 技術繼續演進的重要方向。

根據概率統計學原理，當基站側天線數遠大于用戶天線數時，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，可以在同一時頻資源上服務多個用戶。

空分多址技術（ SDMA）是大規模天線陣列技術應用的重要支撐，其基礎技術原理來自于波束賦形（ Beam forming） ，大規模天線陣列通過調整天線陣列中每個陣元的加權系數產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 之間產生精密的聯系。

空分多址提高頻譜效率

第一：提升網絡容量。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射信號，從而避免使用昂貴的大動態范圍功率放大器，減少了硬件成本。

第三： 低延時通信。 大數定律造就的平坦衰落信道使得低延時通信成為可能。傳統通信系統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突發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據才能獲得信息，造成時延。在大規模天線下，得益于大數定理而產生的衰落消失，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

大規模天線的研發和使用同樣面臨巨大的挑戰，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。首先隨著發射天線數目的增多，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、轉換器的成本也都遠高于傳統基站天線，使得大規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。

大規模天線陣列物理層研究難點

相比于 SISO 或分集天線系統， 大規模多天線系統屬于硬件、軟件密集型的。大規模多天線系統由多個天線子陣列組成，每個子陣列共享數模轉換、 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的容錯能力提升， 每個單元的模塊（如數模轉換、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地適應與編碼和解碼用于多個并行信道的數據流，這就需要一個相對強大的處理器，通常被實現為一個 FPGA。

利用混合波束賦形技術的天線系統架構圖

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，此外數據的增加將利好功能更加強大的綜合處理模塊， 如 FPGA。