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5G的发展方向和应用趋势

作者:王莹 毛烁时间:2018-09-27来源:电子产品世界 收藏
编者按:面对日益增长的网络容量和即将到来的超连接社会,业界将重点推出 5G 蜂窝通信技术以更快地传输数据,并结合一系列先进技术,以确保数据在网络中的可靠和安全传输。

作者 / 王莹 毛烁 《电子产品世界》编辑

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201809/392385.htm

摘要:面对日益增长的网络容量和即将到来的超连接社会,业界将重点推出 蜂窝通信技术以更快地数据,并结合一系列先进技术,以确保数据在网络中的可靠和安全

标准在演进,模块和芯片需要高集成度和高可靠

  走势

  5G主要有三大应用愿景:1.增强的移动宽带,核心是高带宽,2.大规模的物联网,这需要低功耗的基础设施,3.关键业务服务,其核心是低延迟、超可靠。因此,5G和现有技术相比有很多增强扩展,这些指标跨度很大,所以需要有规划、阶段性的引入,不可能一下子都全部实现。所以在5G进入商用之前的技术落地非常重要。

  5G主要有两个发展阶段,第一阶段主要针对增强的移动宽带场景。下一阶段,也就是16版(Rel-16)主要针对两大应用场景,即eMTC(增强机器类通信),mMTC(海量机器类通信),使5G可以渗透到更广领域。在市场上,相信5G会带动车联网和工业物联网等的发展。

  车联网场景

  中国主要是中国移动通信系统的C-V2X方案,当然在亚太地区也使用。关于C-V2X的演进,在3GPPP时,14版(Rel-14)和15版本都分别推出了两个标准, V2V和V2X。继14版的V2X后,15版又出了增强型的C-V2X。16版技术演进路线已确定。业界也在做5G的V2X,像NR-V2X,但特别高端的这块还要再过几年,标准要到2019的年底才能完成,之后可能还要等一两年才做芯片。目前14版标准已经出来和落地了,现在有一些商家陆续在做测试和部署。

  另一个车联网标准是802.11p专用短程通信,在北美和欧洲是主流的车联网技术。u-blox最近发布了一个业界最小的V2X通信芯片UBX-P3,以加速802.11p的应用。该技术比较成熟,经济高效,产业链也很成熟,可以密集部署。

  工业物联网及其他应用

  在工业物联网方面,可用5G的无线新空口替代以太网的固线设备。当然这需要非常低的延迟,超高的可靠性和准确度。此部署的范围可能会遇到一些非授权频谱和较高频率的频谱。

  在技术层面,目前有两大主流技术:授权的和非授权的频段技术。NB-IoT、LTE-M和EC-GSM-IoT代表主流的授权频段技术,非授权技术包括LoRa和RPMA。

  5G取代有线通讯方面,有两类应用场景:第一是毫米波部分,美国已经在实验用毫米波来替代最后一公里的光纤入户。特别是运营商在这方面走得非常靠前,也下了很大决心和财力在此部署,对于当前的cable campany (光纤公司)也产生一些业务上的递增。另一个应用是工业物联网,用无线来替代以太网会增加灵活度,例如工厂会减少很多固线,但是需要在技术上做得很好,包括高稳定性、低延迟等,这些都是5G能够实现的。

  预计2019年年底5G工业物联网标准才能落地, 2018年才开始相关课题。有些工业联盟,主要是欧洲的,以德国为首的叫5G ACIA。

  为了让5G像物联网一样遍地开花,需要扩展到更多的应用或者新型产业里,例如Sylvia Lu的朋友不久前成功演示了世界首个5G同步音乐会,在英国和德国做跨国演出,在艺术界掀起了一波探索5G应用的高潮。

  窄带在5G中的地位

  用于物联网的NB-IoT和LTE-M等窄带技术已是5G技术。有些国家已经开始部署窄带物联网,中国走得非常前端;此外,西班牙或意大利及一些北美国家也有部署。

  在LTE-M和NB-IoT方面,u-blox推出了多种NB-IoT模块,例如SARA-N系列,在欧亚已获认证,其中SARA-N201也落地中国电信设置的网络频段。u-blox还推出了针对NB-IoT和LTE-M的全球通用模块。

  在eMTC网络规划方面,u-blox的SARA-R4系列能够运行在eMTC网络,是双模模块,eMTC和NB-IoT可同时工作,2018年在美国已被AT&T授权使用。

ADI:需要集成多种通信协议的芯片

  5G是通信业的下一波热潮,也是半导体业下一个增长驱动力之一。中国将是世界上第一个推广5G的国家,预计2019年中国移动就率先部署5G基础设施,第一步通常是在大城市的热点区域。

  5G对设备运营商(OEM)提出了新的挑战,因为5G技术和4G有很大不同,包括空口技术、编码技术,以及后面的基带等。最直接的挑战是频谱扩展,之前频段一般集中在2GHz、2.7GHz以下,新的5G频段有3.5GHz频段、4.9GHz频段等,因此设备商要提供新的产品来覆盖这些频段。

  一方面是带宽增加,之前的带宽更多是50MHz,最多100MHz。5G因为数据流量大大增加,数据流量要10倍甚至100倍的增长,带宽也要更宽。目前3GPP推出的规格里最宽的带宽达200MHz。

  另一方面通道数也会大大增加,之前宏基站是2×2或者是4×4,现在8×8已经出来了,甚至16×16。5G有一个专门的技术叫Massive 。在Massive 场景中有64×64,甚至128×128。通信商巨头已经有这些Massive 的原型产品了,在MWC(世界移动通信大会)及微波展上都曾展出过。这些难题从技术角度对设备商提出了挑战,不但要满足新技术的要求,同时运营商也要求设备商进一步降低尺寸、功耗和成本。因此,需要半导体厂商推出新的解决方案给设备商。

  5G在2019年就要部署了,市场份额会越来越高,但是同时那些旧有的通信技术,像2G、3G等并没有因此消失掉,如下图可见4G仍会占很大一部分比重。2G、3G在2020年以前还是会有一定的市场,因此对设备商来说,要求其设备既要支持5G、4G新的协议,同时还要向前支持到旧有的协议,因此客户必须要有各种各样不同的平台,这无疑会增加成本。

  ADRV9008/9正是这一理念下诞生的新产品,其是ADI最新的、也是迄今业界最宽的射频(RF)收发器(注:截至2018年8月),能够支持2G、3G、4G、5G,满足所有的通信协议,同时可以支持多芯片相位合成,用在Massive MIMO和相控阵领域,以及手持仪器仪表领域。

罗杰斯:5G需要新应用的相关产品

  众所周知,5G相对于4G/LTE,具有比4G/LTE高达1000倍以上的网络速率。Massive MIMO技术、更宽频谱带宽的需求以及毫米波频段的使用等等都使得5G相对于4G/LTE有着非常大的区别和不同。

  比如5G技术中Sub-6GHz频段下的天线系统。虽然其频段上与4G相差并无太大的不同,但于5G天线数目和复杂度要远远高于4G的天线,5G天线系统中所使用的更加先进Massive MIMO技术,使在同一个天线中具有多达64路甚至更高的输入/输出,天线的集成度更高,设计变得越来越复杂。由此衍生出来的,是对具有低介电常数及容差、更低插损、能够进行多层板设计、在温度、环境变化保持稳定性能且满足阻燃性要求的需求。因此,罗杰斯相应开发了RO4730G3以满足设计工程师的需求。

  5G的频段还包括28GHz、39GHz等毫米波频段。毫米波频段的信号都具有很小的波长,电路设计需要选择更薄的电路材料。而且随着频率的升高电路损耗会进一步增加,也需要更低损耗的电路材料满足设计的需求。同时,5G中由于系统多通道的特点,需要降低电路的尺寸,减小基站体积,工程师对射频和数字信号的集成度提出了更高要求,从而需要广泛使用多层板结构进行电路的设计,电路层数将从10层演变到20多层、甚至30层。基于这样的应用需求,罗杰斯推出了RO4835T、RO4450T、RO4460G2,以及CLTE-MW等一系列材料来为工程师提供不同的解决方案。

  罗杰斯公司作为全球材料工程领域的领导者,持续创新、不断研发出新的材料和解决方案应对未来市场的需求。对于5G,罗杰斯发布了多款针对于5G不同应用的相关产品。

  参考文献:

  [1] KalyanSundar. 打通迈向5G之路[J],电子产品世界,2018(1);32-33

  [2] 田元锁,张黎明.5G通信信号处理系统的设计与实现[J],电子产品世界,2018(1);33-36

  本文来源于《电子产品世界》2018年第10期第20页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。



关键词: 5G 传输 MIMO 材料 201810

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