首页 > 尖端科技 > 5G > 正文

通读5G，挖掘背后的半导体商机

2016-11-10 10:27:00 来源: 互联网

点击

5G 是第五代通信技术，是 4G 之后的延伸，是对现有的无线通信技术的演进。其最大的变化在于 5G 技术是一套技术标准，其服务的对象从过去的人与人通信，增加了人与物、物与物的通信。根据历史经验，我国移动通信的每十年会推出下一代网络协议。随着用户需求的持续增长，未来 10 年移动通信网络将会面对： 1000 倍的数据容量增长， 10 至 100倍的无线设备连接，10 到 100 倍的用户速率需求， 10 倍长的电池续航时间需求等等， 4G 网络无法满足这些需求，所以 5G 技术应运而生。需求增加的最主要驱动力有两个：移动互联网和物联网。根据 ITU 给出的计划， 5G 技术有望在2020 年开始商用。

面对 5G 在传输速率和系统容量等方面的性能挑战，天线数量需要进一步增加，利用空分多址（SDMA）技术，可以在同一时频资源上服务多个用户，进一步提高频谱效率。硬件上，大规模天线阵列由多个天线子阵列组成，子阵列的每根天线单独拥有移相器、功率放大器、低噪放大器等模块。软件层面则需要复杂的算法来管理和动态地适应与编码和解码用于多个并行信道的数据流，通常被实现为一个 FPGA。大规模天线阵列将带来天线的升级及数量需

求，同时射频模块（移相器、功率放大器、低噪放大器等）的需求将爆发，此外数据的增加将利好功能更加强大的综合处理模块如 FPGA等等。

可以说5G的出现，将会推动半导体产业和终端往一个新的方向发展，创造一波新的价值，我们不妨来详细了解一下。

什么是5G？

5G 是第五代通信技术，是 4G 之后的延伸，是对现有的无线通信技术的演进。其最大的变化在于 5G 技术是一套技术标准，其服务的对象从过去的人与人通信，增加了人与物、物与物的通信。

回顾移动通信的发展历程，每一代移动通信系统都可以通过标志性能力指标和核心关键技术来定义，其中， 1G 采用频分多址（ FDMA），只能提供模拟语音业务； 2G 主要采用时分多址（ TDMA），可提供数字语音和低速数据业务；3G 以码分多址（ CDMA）为技术特征，用户峰值速率达到 2Mbps 至数十 Mbps，可以支持多媒体数据业务； 4G 以正交频分多址（ OFDMA）技术为核心，用户峰值速率可达 100Mbps 至 1Gbps，能够支持各种移动宽带数据业务。

移动通信标准的发展历程

5G 更强调用户体验速率，将达到 Gbps 量级。 5G 关键能力比以前几代移动通信更加丰富，用户体验速率、连接数密度、端到端时延、峰值速率和移动性等都将成为 5G 的关键性能指标。

然而，与以往只强调峰值速率的情况不同，业界普遍认为用户体验速率是 5G 最重要的性能指标，它真正体现了用户可获得的真实数据速率，也是与用户感受最密切的性能指标。基于 5G 主要场景的技术需求， 5G 用户体验速率应达到 Gbps 量级。

面对多样化场景的极端差异化性能需求， 5G 很难像以往一样以某种单一技术为基础形成针对所有场景的解决方案。

此外，当前无线技术创新也呈现多元化发展趋势，除了新型多址技术之外，大规模天线阵列、超密集组网、全频谱接入、新型网络架构等也被认为是 5G 主要技术方向，均能够在 5G 主要技术场景中发挥关键作用。

综合 5G 关键能力与核心技术， 5G 概念可由“ 标志性能力指标”和“一组关键技术”来共同定义。其中，标志性能力指标为“ Gbps 用户体验速率”，一组关键技术包括大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网络架构。

5G推进组定义的5G概念

目前 5G 技术已经确定了8 大关键能力指标：峰值速率达到 20Gbps、用户体验数据率达到 100Mbps、频谱效率比IMT-A 提升 3 倍、移动性达 500 公里/时、时延达到 1 毫秒、连接密度每平方公里达到 10Tbps、能效比 IMT-A 提升 100 倍、流量密度每平方米达到 10Mbps。

ITU定义的5G关键能力

中国5G之花概念

我国提出的 5G 之花概念形象的描述了 5G 的关键指标，其提出的 9 项关键能力指标中除成本效率一项外，其他 8项均与 ITU 的官方指标相匹配。

5G 的关键性能挑战及实现

从具体网络功能要求上来说， IMT-2020(5G)推进组定义了 5G 的四个主要的应用场景：连续广覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠，而这些功能的实现都给供应商带来了很大的挑战。

5G主要场景与关键性能挑战

5G 技术创新主要来源于无线技术和网络技术两方面。其需求来自于以上的关键性能挑战。我们可以将关键性能分为以下三个部分：

5G关键性能分类

为了实现更高网络容量，无线传输增加传输速率大体上有两种方法，其一是增加频谱利用率，其二是增加频谱带宽。

提高频谱利用率的主要的技术方式有增加基站和天线的数量，对应 5G 中的关键技术为大规模天线阵列（ Massive MIMO）和超密集组网（ UDN）；而提高频谱带宽则需要拓展 5G 使用频谱的范围，由于目前 4G 主要集中在 2GHz以下的频谱，未来 5G 将使用26GHz，甚至 6-100GHz 的全频谱接入，来获取更大的频谱带宽。

而对于关键任务要求上，尤其是毫秒级的时延要求，对于网络架构提出了极大的挑战，5G 技术中将提出新型的多址技术以节省调度开销，同时基于软件定义网络（ SDN）和网络功能虚拟化（ NFV）的新型网络架构将实现更加灵活的网络调度。

1、大规模天线阵列（ Massive MIMO） ：提高频谱效率，未来需要更多的天线及射频模块在现有多天线基础上通过增加天线数可支持数十个独立的空间数据流，以此来增加并行传输用户数目，这将数倍提升多用户系统的频谱效率，对满足 5G 系统容量与速率需求起到重要的支撑作用。大规模天线阵列应用于 5G 需解决信道测量与反馈、参考信号设计、天线阵列设计、低成本实现等关键问题。

美国莱斯大学 Argos 大规模天线阵列原型机样图

大规模天线技术（ MIMO）已经在 4G 系统中得以广泛应用。面对 5G 在传输速率和系统容量等方面的性能挑战，天线数目的进一步增加仍将是 MIMO 技术继续演进的重要方向。

根据概率统计学原理，当基站侧天线数远大于用户天线数时，基站到各个用户的信道将趋于正交，在这种情况下，用户间干扰将趋于消失。巨大的阵列增益将能够有效提升每个用户的信噪比，从而利用空分多址（ SDMA）技术，可以在同一时频资源上服务多个用户。

空分多址技术（ SDMA）是大规模天线阵列技术应用的重要支撑，其基础技术原理来自于波束赋形（ Beam forming） ,大规模天线阵列通过调整天线阵列中每个阵元的加权系数产生具有指向性的波束，从而带来明显的信号方向性增益，并与 SDMA 之间产生精密的联系。

空分多址提高频谱效率

大规模天线的优势可以归结为以下几点：

第一：提升网络容量。 波束赋形的定向功能可极大提升频谱效率，从而大幅度提高网络容量。

第二：减少单位硬件成本。 波束赋形的信号叠加增益功能使得每根天线只需以小功率发射信号，从而避免使用昂贵的大动态范围功率放大器，减少了硬件成本。

第三：低延时通信。 大数定律造就的平坦衰落信道使得低延时通信成为可能。传统通信系统为了对抗信道的深度衰落，需要使用信道编码和交织器，将由深度衰落引起的连续突发错误分散到各个不同的时间段上，而这种揉杂过程导致接收机需完整接受所有数据才能获得信息，造成时延。在大规模天线下，得益于大数定理而产生的衰落消失，信道变得良好，对抗深度衰弱的过程可以大大简化，因此时延也可以大幅降低。

第四：与毫米波技术形成互补。 毫米波拥有丰富的带宽，但是衰减强烈，而波束赋形则正好可以解决这一问题。

波束赋形示例

大规模天线的研发和使用同样面临巨大的挑战，从研究层面而言，物理层研究会面临下表中的多个难点。而从实际部署层面而言，硬件成本是最主要的阻碍。首先随着发射天线数目的增多，天线阵列的占用面积将大幅增加，天线群及其对应的高性能处理器、转换器的成本也都远高于传统基站天线，使得大规模部署存在成本问题；其次实际的使用中，为了平衡成本和效果，可能会采用一些低成本硬件单元替代，在木桶原理的作用下小幅降低成本可能会导致性能急剧下降，从而达不到预期效果。

大规模天线阵列物理层研究难点

相比于 SISO 或分集天线系统，大规模多天线系统属于硬件、软件密集型的。大规模多天线系统由多个天线子阵列组成，每个子阵列共享数模转换、混频器等元件，而子阵列的每根天线单独拥有移相器、功率放大器、低噪放大器等模块。所以随着天线数的增加，硬件的部署成本会快速增加。

不过与此同时，多天线的增益效应使得系统的容错能力提升，每个单元的模块（如数模转换、功率放大器等）的功能可以进一步减弱。软件层面则需要复杂的算法来管理和动态地适应与编码和解码用于多个并行信道的数据流，这就需要一个相对强大的处理器，通常被实现为一个 FPGA。

利用混合波束赋形技术的天线系统架构图

整体而言，未来 MIMO 将对天线带来升级需求，同时射频模块（移相器、功率放大器、低噪放大器等）的需求将爆发，此外数据的增加将利好功能更加强大的综合处理模块，如 FPGA。

2、 超密集组网（ UDN）：解决热点网络容量问题，带来小基站千亿市场容量

未来移动数据业务飞速发展，热点地区的用户体验一直是当前网络架构中存在的问题。由于低频段频谱资源稀缺，仅仅依靠提升频谱效率无法满足移动数据流量增长的需求。超密集组网通过增加基站部署密度，可实现频率复用效率的巨大提升，但考虑到频率干扰、站址资源和部署成本，超密集组网可在局部热点区域实现百倍量级的容量提升，其主要应用场景将在办公室、住宅区、密集街区、校园、大型集会、体育场和地铁等热点地区。

超密集组网可以带来可观的容量增长，但是在实际部署中，站址的获取和成本是超密集小区需要解决的首要问题。而随着小区部署密度的增加，除了站址和成本的问题之外，超密集组网将面临许多新的技术挑战，如干扰、移动性、传输资源等。对于超密集组网而言，小区虚拟化技术、接入和回传联合设计、干扰管理和抑制是三个最重要的关键技术。

超密集组网示例

由于超密集组网对基站和微基站的需求加大，以及在重点场景下基站选址将面临更大的挑战，未来将利好具备较好成本控制能力及基站选址能力的厂商。

基站性能及成本对比

2020 年全球小基站市场每年将超过 6 亿美金，国内小基站市场容量最终有望达到千亿级别。根据 Small CellForum预测，全球小基站市场空间有望在 2020 年超过 6亿美元。截止至 2016 年半年报，中国移动，中国联通，中国电信披露今年要达到的的 4G 基站数分别为 140 万个、68 万个、 85 万个。考虑联通中报披露了与电信共享的 6 万个基

站，假设年内共享基站达到 10 万个，则中国当前存量基站市场大约为 283 万个。假设未来小基站的数量能达到目前基站数量的 10 倍以上，即未来小基站市场需求达到 2830 万个，假设小基站平均价格为 5000 元/个，则未来小基站市场容量将达到千亿级别。

3、 全频谱接入：扩大频谱宽度，未来利好射频器件厂商，但频谱暂未分配

相对于提高频谱利用率，增加频谱带宽的方法显得更简单直接。在频谱利用率不变的情况下，可用带宽翻倍可实现数据传输速率也翻倍。通过有效利用各类移动通信频谱（包含高低频段、授权与非授权频谱、对称与非对称频谱、连续与非连续频谱等）资源可以提升数据传输速率和系统容量。但问题是，现在常用的6GHz以下的频段由于其较好的信道传播特性，目前已经非常拥挤， 6~100GHz高频段具有更加丰富的空闲频谱资源，可作为5G的辅助频段，然而30GHz~100GHz频率之间属于毫米波的范畴，这就需要使用到毫米波技术。

频谱使用情况

到 2020 年我国 5G频谱缺口近 1GHz，低频段为首选，高频将成为补充。目前4G-LTE 频段最高频率的载波在 2GHz上下，可用频谱带宽只有 100MHz。因此，如果使用毫米波频段，频谱带宽能达到 1GHz-10GHz，传输速率也可得到巨大提升。

我国 5G 推进组已完成2020 年我国移动通信频谱需求预测，届时移动通信频谱需求总量为 1350～1810MHz，我国已为 IMT 规划的 687MHz 频谱资源均属于 5G 可用频谱资源，因此还需要新增 663～1123MHz 频谱。我国无线电管理“十三五”规划中明确为 IMT-2020（ 5G）储备不低于500MHz 的频谱资源。

在未来要支持毫米波通信，移动系统和基站必须配备更新更快的应用处理器、基带以及射频器件。

事实上， 5G 标准对射频影响较大，需要一系列新的射频芯片技术来支持，例如支持相控天线的毫米波技术。毫米波技术最早应用在航空军工领域，如今汽车雷达、 60GHz Wi-Fi 都已经采用，将来 5G 也必然会采用。 4G 手机里面的数字部分包括应用处理器和调制解调器，射频前端则包括功率放大器（ PA）、射频信号源和模拟开关。功率放大器用于放大手机里的射频信号，通常采用砷化镓（ GaAs）材料的异质结型晶体管（ HBT）技术制造。

未来的 5G 手机也要有应用处理器和调制解调器。不过与 4G 系统不同， 5G 手机还需要相控阵天线。

此外，由于毫米波的频率非常高，线路的阻抗对毫米波的影响很大，所以器件的布局和布线变得异常重要。与 4G 手机一样， 5G 手机也需要功率放大器，毫米波应用中，功率放大器将是系统功耗的决定性因素。

除此之外，毫米波相比于传统 6GHz 以下频段还有一个特点就是天线的物理尺寸可以比较小。这是因为天线的物理尺寸正比于波段的波长，而毫米波波段的波长远小于传统 6GHz 以下频段，相应的天线尺寸也比较小。因此可以方便地在移动设备上配备毫米波的天线阵列，从而实现大规模天线技术。

4、 新型多址技术：降低信令开销，缩短时延

通过发送信号在空/时/频/码域的叠加传输来实现多种场景下系统频谱效率和接入能力的显著提升。此外，新型多址技术可实现免调度传输，将显著降低信令开销，缩短接入时延，节省终端功耗。目前业界提出的技术方案主要包括基于多维调制和稀疏码扩频的稀疏码分多址（ SCMA）技术，基于复数多元码及增强叠加编码的多用户共享接入（ MUSA）技术，基于非正交特征图样的图样分割多址（ PDMA）技术以及基于功率叠加的非正交多址（ NOMA）技术。

此外，基于滤波的正交频分复用（ F-OFDM）、滤波器组多载波（ FBMC)、全双工、灵活双工、终端直通（ D2D）、多元低密度奇偶检验（ Q-ary LDPC）码、网络编码、极化码等也被认为是5G重要的潜在无线关键技术。

5、 5G 网络关键技术： NFV 和 SDN，网络能力开放或利好第三方服务提供商

未来 5G 网络架构将包括接入云、控制云和转发云三个域：接入云支持多种无线制式的接入，融合集中式和分布式两种无线接入网架构，适应各种类型的回传链路，实现更灵活的组网部署和更高效的无线资源管理。

5G 的网络控制功能和数据转发功能将解耦，形成集中统一的控制云和灵活高效的转发云。控制云实现局部和全局的会话控制、移动性管理和服务质量保证，并构建面向业务的网络能力开放接口，从而满足业务的差异化需求并提升业务的部署效率。转发云基于通用的硬件平台，在控制云高效的网络控制和资源调度下，实现海量业务数据流的高可靠、低时延、均负载的高效传输。

5G的网络架构图

基于“三朵云”的新型 5G 网络架构是移动网络未来的发展方向。未来的 5G 网络与 4G 相比，网络架构将向更加扁平化的方向发展，控制和转发将进一步分离，网络可以根据业务的需求灵活动态地进行组网，从而使网络的整体效率得到进一步提升。 5G 网络服务具备更贴近用户需求、定制化能力进一步提升、网络与业务深度融合以及服务更友好等特征，其中代表性的网络服务能力包括、网络切片、移动边缘计算、按需重构的移动网络、以用户为中心的无线接入网络和网络能力开放。

基于 NFV/SDN 技术实现网络切片以及网络能力开放

其中，网络能力开放将不仅带来用户的体验优化，还将带来新型的商业模式探索。5G 网络能力开放框架旨在实现面向第三方的网络友好化和网络管道智能化，优化网络资源配置和流量管理。 4G 网络采用“不同功能、各自开放”的架构，能力开放平台需要维护多种协议接口，网络结构复杂，部署难度大； 5G 网络控制功能逻辑集中并中心部署。

能力开放平台间统一接口，可实现第三方对网络功能如移动性、会话、 QoS 和计费等功能的统一调用。而这一切都需要虚拟化的基础设施平台支撑。实现 5G新型基础设施平台的基础是网络功能虚拟化（ NFV）和软件定义网络（ SDN）技术。

传统网络架构（左）SDN+NFV 下的网络架构（右）

SDN/NFV 技术融合将提升 5G 进一步组大网的能力： NFV 技术实现底层物理资源虚拟化， SDN 技术实现虚拟机的逻辑连接，进而配置端到端业务链，实现灵活组网。

NFV 使网元功能与物理实体解耦，通过采用通用硬件取代专用硬件，可以方便快捷地把网元功能部署在网络中任意位置，同时通过对通用硬件资源实现按需分配和动态延伸，以达到最优的资源利用率的目的。NFV 可以满足运营商在网络灵活性、架设成本、可扩展性和安全性方面的需求。

首先， NFV 的特性使其可以让网络和服务预配置更加灵活。而这又可以让运营商和服务供应商快速地调整服务规模以便应对客户的不同需求。这些服务在任何符合行业标准的服务器硬件上，通过软件应用来提供，而最重要的一点就是安全网关。

与购买硬件设备不同，服务供应商可以轻松地采用与设备相关的功能，然后将其以服务器虚拟机的形式示例。

由于网络功能是在软件总部署的，所以可以将这些功能移动到网络的各个位置，而不需要安装新的设备。这意味着运营商和服务供应商不需要部署很多硬件设备，而可用虚拟机来部署廉价，高容量服务器基础设施。

最重要的是，虚拟化消除了网络功能和硬件之间的依赖性，运营商只需设一个地区代表就可以了，而不用专门搭建一个基础设施来提供支持。

随着众多厂商推出了商用级 SDN、 NFV 解决方案，新型网络架构正逐步落地，据SNS 预计，到 2020 年， SDN 和 NFV 将为服务提供商（包含有线和无线）节省 320 亿美元的资本支出。

SDN 技术实现控制功能和转发功能的分离。

其核心技术 OpenFlow 一方面将网络控制面板从数据面中分离出来，另一方面开放可编程接口，从而实现网络流量的灵活控制及网络功能的“软件定义”，有利于通过网络控制平台从全局视角来感知和调度网络资源，实现网络连接的可编程化。

SDN 典型架构包含三层及两个接口：

控制层：控制器集中管理网络中所有设备，虚拟整个网络为资源池，根据用户不同的需求以及全局网络拓扑，灵活动态的分配资源。 SDN 控制器具有网络的全局视图，负责管理整个网络：对下层，通过标准的协议与基础网络进行通信；对上层，通过开放接口向应用层提供对网络资源的控制能力。

物理层：物理层是硬件设备层，专注于单纯的数据、业务物理转发，关注的是与控制层的安全通信，其处理性能一定要高，以实现高速数据转发。

应用层：应用层通过控制层提供的编程接口对底层设备进行编程，把网络的控制权开放给用户，基于上开发各种业务应用，实现丰富多彩的业务创新。

南向接口：是物理设备与控制器信号传输的通道，相关的设备状态、数据流表项和控制指令都需要经由 SDN的南向接口传达，实现对设备管控。

北向接口：是通过控制器向上层业务应用开放的接口，目的是使得业务应用能够便利地调用底层的网络资源和能力，其直接为业务应用服务的，其设计需要密切联系业务应用需求，具有多样化的特征。

SDN的三层架构

5G 背后的半导体商机

新一代移动通讯5G也助力半导体产业从PC、智慧型手机、平板装置出货量下滑的窘境中脱困。为顺利抢占物联网与5G移动通讯商机，半导体相关厂商包括晶圆制造/代工、封装与EDA业者，都纷纷展现其最新技术，如IBM领先推出7奈米芯片；台积电也宣示透过最新鳍式场效电晶体(FinFET)与物联网大资料分析技术，期可在物联网市场扮演重要角色。

不仅如此，在台湾及中国大陆通讯与手机处理器芯片市场占有一席之地的联发科(MediaTek)，也针对即将到来的5G市场，以及发展越发火热的物联网应用市场，端出新策略。

资策会产业情报研究所(MIC)产业顾问兼主任张奇表示，2016年的台湾市场景气将较2015年来得好，对半导体产业来说是正面消息。MIC预测的2016年10大趋势中，所提出的「5G加速风」，即是阐述2016年5G的技术发展，将较2015年来的积极，且可为半导体产业带来更多机会。

MIC看好台湾半导体产业成长率将在2016年回稳，预估整体产值将达到台币22,135亿元，较2015年成长2.4%，表现将相对优于全球（来源：MIC）

张奇进一步指出，根据统计，每人每月使用的移动数据量已达10GB，这也是为何4G才刚开始普及，5G技术随即起跑的原因。5G通讯技术的加速发展可分为两个方面，一为市场端的驱动力，亦即使用者的行为改变，营运商须提供随时随地的连线和支援大量数据传输的能力；低延迟、低功耗的创新物联网服务，以及导入开放式平台与虚拟化功能提升营运商系统效率，都是市场端驱动5G技术发展的原因。

至于产业端的驱动力则包括2020年传输距离可传输数公里远的窄频物联网、6GHz的5G技术与小型基地台双向连网技术…等标准即将推出，可为物联网或新一代感测与移动装置开创更多新应用，再加上各区域标准组织都在争取5G技术主导权，在在皆为促使5G发展更快的助力。

在物联网方面，事实上，物联网与5G技术的发展可以说是相辅相成。庞大的物联网装置需要更高速的移动网路支援，才得以实现；而也因物联网应用服务需要进一步提升效率与品质，导致5G技术的加速前进。

不仅如此，近几年「红翻天」的物联网应用概念，已成为半导体、资通讯…等产业界的新「救赎」。因此若相关产品业者发展方向都积极与物联网进一步产生连结，半导体产业亦是如此。为因应物联网应用少量多样、感测器需求大增、低功耗等要求，半导体业者也积极发展新的相关产品。

拓墣产业研究所即表示，2016年半导体产业将面临转型及调整，物联网扮演整合关键角色。2016年半导体将要面对物联网带来的产品特色与生产周期影响，半导体厂商除须提供具备差异化的产品，提高市场竞争力外，更需借自身的差异化转型以应对下一波的浪潮。换句话说，物联网将改变产品的生产周期，更将使部份厂商的产品价值因使用情境的不同而受到压缩，不过却也衍生出新的价值区块可让厂商有新的填补空间，涵盖新策略和生产工具等，因此转型与调整将是未来几年半导体业的首要课题。