探析5G無線技術(shù)的三個主要應用

雖然5G可能需要數(shù)年才能重現(xiàn)4G的市場主導地位，但其速度、容量、延遲和滲透率使得5G成為許多電信運營商無法拒絕的機會。

德勤預測，2019年將成為第五代(5G)廣域無線網(wǎng)絡規(guī)模擴張的一年。 2018年共有72家運營商測試5G，到2019年底，我們預計25家運營商將在其至少部分地區(qū)(通常為城市)推出5G服務，另有26家運營商將于2020年啟動，總數(shù)將增加一倍以上。此外，我們預計2019年將有大約20家手機廠商推出5G手機(第一款將于第二季度推出)，到年底將出貨約100萬部5G手機(預計在2019年銷售15億部智能手機)。屆時將售出100萬臺5G調(diào)制解調(diào)器(也稱為熱點)，并將安裝約100萬臺5G固定無線接入設(shè)備。

到2020年底，我們預計5G手機銷量(1500萬至2000萬臺)占所有智能手機銷量的約1%，銷量將在2021年開始起飛，這是零售商銷售超過1億部5G手機的第一年。首批5G網(wǎng)絡對用戶而言最顯著的優(yōu)勢將是速度比現(xiàn)在的4G技術(shù)更快：峰值速度為每秒千兆位(Gbps)，可持續(xù)速度估計為每秒數(shù)百兆位(Mbps)。

5G的三個主要用途 —— 在短期內(nèi)

在2019年和2020年，5G無線技術(shù)將有三個主要應用。首先，5G將用于真正的移動連接，主要是智能手機等設(shè)備。其次，5G將用于連接“較少移動”的設(shè)備，主要是5G調(diào)制解調(diào)器或熱點：專用無線接入設(shè)備，小到足以移動，將連接到5G網(wǎng)絡，然后通過Wi-Fi技術(shù)連接到其他設(shè)備。最后，將出現(xiàn)5G固定無線接入(FWA)設(shè)備，其天線永久地安裝在建筑物或窗戶中，為家庭或企業(yè)提供寬帶而不是有線連接。

所有這些5G設(shè)備將在低頻段(低于1GHz，例如700MHz)，中頻段(1-6GHz，例如大約3.5-3.8GHz)和毫米波(mmWave，例如28 GHz)的傳統(tǒng)和新型蜂窩無線電頻帶上操作。雖然智能手機、調(diào)制解調(diào)器和熱點主要使用低頻和中頻，但5G FWA設(shè)備通常使用mmWave技術(shù)進行操作，這提供了比低于6 GHz頻率更高帶寬的潛力。由于mmWave頻率難以穿透墻壁或某些類型的玻璃，因此許多5G FWA設(shè)備需要在窗戶或建筑物的外墻上安裝天線。

5G智能手機。由于5G與4G手機的兩個關(guān)鍵組件(無線調(diào)制解調(diào)器和天線)存在差異，因此制作5G手機比人們想象的要復雜得多。智能手機中的調(diào)制解調(diào)器通常與處理器位于同一芯片上。高端手機捆綁的4G芯片在2018年的成本估計為70美元；5G版本幾乎肯定會花費更高。一家領(lǐng)先的調(diào)制解調(diào)器/處理器制造商宣布，其5G芯片組將在2019年準備就緒，盡管供應限制表明，在下半年之前不會出現(xiàn)廣泛應用。

更大的挑戰(zhàn)是為5G設(shè)計天線。由于新的無線電技術(shù)將以28 GHz左右的頻率發(fā)射(需要由多個組合輻射器組成的窄波束、高增益天線系統(tǒng))和頻率低于6 GHz(單元件、低增益、全向天線)，5G天線的設(shè)計要比4G復雜得多。2018年，最前沿的4G智能手機天線和前端成本通常約為20美元，預計5G解決方案在2019年上市，幾乎肯定會帶來更高的價格 - 可能比這還要高得多。

綜合這些因素，2019年5G手機的組件成本可能比同類4G手機高出40-50美元，對于全球網(wǎng)絡連接數(shù)量相對較少的手機而言，即使在可用的情況下，也可能只有很小的覆蓋范圍。然而，有一條好消息：電池壽命可能比4G剛推出時問題要小。芯片制造商表示，他們預計首批5G手機的電池續(xù)航時間或多或少與目前4G手機一致。

5G調(diào)制解調(diào)器/熱點。第一個4G網(wǎng)絡于2009年12月啟動。從2010年到2012年，零售商銷售了數(shù)以千萬計的4G調(diào)制解調(diào)器/熱點，為設(shè)備制造商和收取無線訂閱費的運營商帶來了數(shù)億美元的收入。這些小裝置，相當于冰球的大小，最初以200-300美元的價格出售，但迅速降至100.9美元以下。它們是便攜式的，人們用它們將手機、電腦、平板電腦和其他設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)。但隨著越來越多的4G手機進入市場，它們的銷量開始下降，特別是因為用戶能夠使用后期型號的智能手機作為4G熱點，無線地將其他設(shè)備連接到他們的手機，而不需要獨立的調(diào)制解調(diào)器。

我們預計，與4G調(diào)制解調(diào)器/熱點相當?shù)?G技術(shù)也將取得類似的成功，從而彌合5G網(wǎng)絡開通與普通用戶能夠廣泛使用和負擔得起5G手機之間的差距。兩家最大的美國運營商已經(jīng)公開討論在移動設(shè)備之前銷售調(diào)制解調(diào)器，而一家主要芯片制造商的新5G芯片組太大，不太可能安裝在智能手機上，但可以很容易地用于調(diào)制解調(diào)器。由于調(diào)制解調(diào)器僅由收音機、天線和電池組成，因此它們的成本遠低于智能手機，不需要屏幕(通常是手機最昂貴的部件)、攝像頭或光滑的機身。因此，盡管手機在發(fā)布后的第一年或第二年內(nèi)將迅速被取代，但調(diào)制解調(diào)器可能會成為新興5G市場的重要組成部分。應該注意的是，雖然調(diào)制解調(diào)器的信號將是5G，但是從“puck”到它連接的設(shè)備(智能手機，PC等)的信號將通過Wi-Fi或其他局域無線技術(shù)，這意味著根據(jù)技術(shù)的不同，速度可能會降低。

5G FWA設(shè)備。如上所述，可以將大約精裝書大小的小天線放置在家庭或商業(yè)窗戶的內(nèi)部或外部，庭或商業(yè)。(mmWave發(fā)射器通常位于普通的電線桿上，而不是昂貴的專用塔，并且可能使用多個波段，既有mmWave，也有低于6GHz的波段。)如果該發(fā)射器連接到高速光纖網(wǎng)絡，用戶將享受數(shù)百Mbps的速度，可能達到每秒千兆位的峰值。天線將連接或連接到調(diào)制解調(diào)器/路由器，通過Wi-Fi在家庭或企業(yè)內(nèi)部分配高速信號，將無法實現(xiàn)5G速度的智能手機、計算機、平板電腦、智能電視和其他連接設(shè)備連接起來。

一些美國航空公司已經(jīng)開始使用mmWave和傳統(tǒng)頻率在少數(shù)幾個城市開始有限的5G發(fā)射。還有許多美國以外使用mmWave的5G FWA設(shè)備試驗；然而，在這個時候，美國以外唯一一家確定計劃在2019年推出的公司是澳大利亞運營商

請注意，5G調(diào)制解調(diào)器/熱點和5G FWA設(shè)備的市場是提供無線連接作為傳統(tǒng)家庭寬帶的替代方案，而不是為移動性提供4G替代方案。從長遠來看，5G移動市場(手機、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和互聯(lián)車輛)可能會以數(shù)十億連接來衡量，但在2019年，大多數(shù)5G客戶可能會使用5G替代有線，不能替代4G。以這種方式使用，5G FWA相對于mmWave的適用性因國家而異。在光纖到戶或其他高速互聯(lián)網(wǎng)服務無處不在且價格合理的地方，F(xiàn)WA并不總能帶來特別的優(yōu)勢(盡管在某些情況下，5G FWA提供的速度和/或容量比某些光纖解決方案更快且更高)。在有線不太廣泛和/或更昂貴的地方，或者傳統(tǒng)蜂窩無線電頻帶中的無線容量已經(jīng)擁擠的地方，mmWave解決方案可能更有用。

實際上，全球許多互聯(lián)網(wǎng)用戶已經(jīng)完全依賴蜂窩無線數(shù)據(jù)來滿足其家庭數(shù)據(jù)需求。根據(jù)2017年德勤調(diào)查，在一些國家(如英國，5%)，這一比例非常低。但在其他國家(如美國、加拿大和土耳其)，近五分之一甚至更多的互聯(lián)網(wǎng)使用人群依賴蜂窩無線電波代替有線(圖1)。值得注意的是那里可能是有線和無線用戶之間的數(shù)字鴻溝，而后者有時會遇到較低的速度和/或容量。這兩個用戶群在人口結(jié)構(gòu)上也有所不同：所研究的每個國家中僅限無線的消費者在年齡、收入、教育和其他因素方面存在差異。

在一個無線和有線連接在不同地區(qū)都有意義的國家/地區(qū)，想要覆蓋最廣泛的客戶群時，5G無線(低于6 GHz和mmWave頻率)與有線光纖策略結(jié)合使用時非常有用。在加拿大，該國三大運營商中已有兩家宣布了這樣一種混合策略，將FTTP用于光纖密度足夠高的家庭，并用5G覆蓋其余部分。一家運營商計劃通過FTTP覆蓋其1200萬用戶中的900萬用戶，并認為使用5G無線技術(shù)可以“立即有機會”覆蓋另外80萬用戶。

通過幾代人的無線采用：它總是看起來這樣

對某些人來說，我們對5G采用的預測可能看起來異常保守或悲觀。但我們認為沒有理由懷疑5G的頭幾年看起來幾乎與4G(2009-10)的頭幾年完全一樣。此時，5G的采用速度將比1998年推出的3G更快，但需要時間才能獲得廣泛認可。

4G在2009年底和2010年初推出，只有少數(shù)運營商在有限的區(qū)域內(nèi)提供服務。雖然自那時起十年內(nèi)已經(jīng)部署了越來越多的4G網(wǎng)絡，但要想讓4G成為全球使用最廣泛的無線技術(shù)，需要到2019年，而且根據(jù)GSMA的數(shù)據(jù)，4G的使用要到2023，也就是14年之后，才會超過全球所有用戶的50%。這意味著即使在2025年，5G仍可能是一個相對小眾的技術(shù)，其預計的12億次連接僅占全球移動非物聯(lián)網(wǎng)連接總數(shù)的14%(圖2)。各國之間會出現(xiàn)相當大的差異：在那一年，預計49%的美國用戶將使用5G技術(shù)，日本為45%，歐洲為31%，中國為25%，但在拉丁美洲、中東和非洲，這一比例僅為個位數(shù)。

對速度的需求：理想與現(xiàn)實世界的條件

新的無線技術(shù)總能提供更快的速度，但速度至少可以表達三種不同的東西：在實驗室或有限試驗中實現(xiàn)的速度，理想條件下在現(xiàn)實世界中實現(xiàn)的峰值速度，以及現(xiàn)實世界中實際用戶平均達到的速度。雖然5G仍處于早期階段，但有一些數(shù)據(jù)表明每一種測量方法可能會是什么。

5G實驗室傳輸速度最快的紀錄為每秒1TB，而現(xiàn)場試驗的紀錄目前為35 Gbps。這兩項指標都不能很好地反映現(xiàn)實世界的短期速度，盡管長期預測20Gbps可能是現(xiàn)實世界的峰值速度。

在實際條件下，5G的網(wǎng)速可能低于35Gbps，但仍然明顯快于4G網(wǎng)絡，并且也比某些光纖和電纜解決方案更快。一般來說，峰值速度可能超過1 Gbps，但這只適用于理想位置的人，非?？拷l(fā)射器，并且在不忙時使用網(wǎng)絡。盡管如此，根據(jù)模擬，基于兩個當前網(wǎng)絡的小區(qū)站點位置和頻譜分配，中值數(shù)據(jù)速度將隨著升級到5G而激增。基于法蘭克福網(wǎng)絡的一次模擬，估計中值速度增加了九倍，從56 Mbps增加到490 Mbps。倘若使用mmWave覆蓋范圍，基于舊金山網(wǎng)絡的另一項測試增長了20倍，從4G用戶中值速度的71Mbps增加到5G用戶中值速度的1.4Gbps。與房地產(chǎn)一樣，實現(xiàn)5G速度將歸結(jié)到位置、位置和位置！

當然，速度并不是5G網(wǎng)絡的唯一優(yōu)勢。另一個潛在的好處是延遲更低：從設(shè)備向網(wǎng)絡發(fā)送消息并獲得響應所需的時間。 4G網(wǎng)絡的平均延遲大約為60毫秒(ms)，雖然可能存在相當大的差異，但理論上4G延遲可能低于此。但是5G網(wǎng)絡的延遲時間不到1毫秒。即使在2019年，5G的延遲也比普通的4G網(wǎng)絡低，盡管5G的平均延遲可能不會比4G低很多，但最糟糕的情況下，延遲可能會好得多。在5G的現(xiàn)場試驗中，實際延遲已經(jīng)“低至9毫秒”，盡管目前尚不清楚預計2019年推出的商用網(wǎng)絡的平均延遲是多少；20-30毫秒似乎是一個看似合理的數(shù)字。

對于普通的消費者或企業(yè)用戶，以及對于大多數(shù)當前的實際應用，在0.1秒和0.02秒(分別為100毫秒和20毫秒)之間幾乎沒有實際差異。然而，隨著時間的推移，超低延遲對于支持物聯(lián)網(wǎng)的應用、自動駕駛汽車，以及使用觸覺反饋執(zhí)行遠程手術(shù)可能非常重要，盡管這些應用更有可能在2021年及之后實現(xiàn)，而不是在未來兩年實現(xiàn)，但需要超低延遲和超可靠網(wǎng)絡，以保證可靠性。

總結(jié)

到目前為止，本文主要關(guān)注5G網(wǎng)絡用戶(無論是企業(yè)還是消費者)最感興趣的5G方面。在這里，我們更多地關(guān)注可能與網(wǎng)絡運營商更相關(guān)的問題。

本文開頭的預測僅涉及真正的5G網(wǎng)絡和設(shè)備，不包括那些幾乎肯定會將最新的4G LTE(長期演進)技術(shù)(通常稱為4.5G)推廣為5G的運營商。對于用戶而言，這種區(qū)別可能并不重要：4.5G和5G網(wǎng)絡都提供了每秒數(shù)百兆比特甚至每秒千兆比特的極高速度。然而，對于運營商而言，存在成本重要差異。如果運營商可以提供超過4.5G的500 Mbps無線服務，他們?yōu)槭裁匆ㄙM數(shù)百億美元用于設(shè)備和無線電頻譜的資本支出來實現(xiàn)全球5G呢？

實際上，這個問題有一個明確的答案，這與5G更大的容量有關(guān)。通過各種技術(shù)，預計5G的流量和網(wǎng)絡效率將比4G提高一百倍。這對所有運營商來說無關(guān)緊要：擁有大量頻譜但客戶相對較少的三等或四等運營商，可能很好地在效率較低的4G網(wǎng)絡上提供類似5G的速度。但是對于許多國家的領(lǐng)先運營商 - 例如美國，菲律賓，法國，愛爾蘭，澳大利亞和英國，其網(wǎng)絡運行容量高于其他一些國家，提供更高速度的能力，實現(xiàn)均勻的高速，每月更大的總?cè)萘?，只能升級?G。

說到資本支出，5G的前景看起來比最初想象的要好。一項研究預測，為實現(xiàn)5G，運營商的資本支出占收入的比例需要從13%升至22%，而這一比例需要在有限的時間內(nèi)實現(xiàn)。但隨著2018年的現(xiàn)場試驗取得進展，北美、歐洲和日本的許多運營商正在重新評估成本，并發(fā)布公眾指導，5G的資本支出強度將與其4G支出或多或少持平。一個主要原因是他們都有“預裝”支出，通過積極投資更密集的光纖網(wǎng)絡(預計未來5G和支持今天的4.5G技術(shù))，以及購買為5G準備就緒的無線電硬件，可以在發(fā)布到來時通過軟件升級到完整的5G。

應該指出的是，以上所有內(nèi)容僅適用于資本支出一次性投資。目前尚不清楚5G可能對年度運營支出產(chǎn)生何種影響。

就頻譜而言，早期跡象表明運營商的頻譜成本將比3G更接近4G(見圖3)。對于3G的推出，網(wǎng)絡運營商在頻譜方面投入了大量資金：按每人每MHz的價格(MHz pop)來衡量，英國的3G頻譜拍賣平均售價為3.50美元/ MHz pop。然而，在4G推出之前的頻譜拍賣中，運營商的花費要少得多，800 MHz頻譜的為0.60 美元/MHz pop，而2.6 GHz頻段的頻譜僅為0.07美元/ MHz pop。 (重要的是要注意，確切的頻段對價格很重要：較低的頻譜傳播更遠并且更好地穿透建筑物，相當于海景房。因此，頻譜越高，通常是MHz pop越低。)根據(jù)一些早期拍賣，5G頻譜的價格，取決于頻段，與4G頻譜的價格一致：圖3中六個國家的所有拍賣價格都低于0.20美元/ MHz pop，而且兩個國家的價格低于一美分。

但是，所有地區(qū)的頻譜價格都這么低。意大利頻譜拍賣于2018年10月結(jié)束，價格就很昂貴，700 MHz頻譜達到0.65美元/ MHz pop，中頻3.6-3.8 GHz頻率售價超過0.42美元/ MHz pop - 遠高于預期意大利市場，實際上是預期的雙倍。展望未來，如果意大利的經(jīng)驗更為典型，那么運營商可能需要向上調(diào)整他們的預期，至少要調(diào)高一點，因為他們需要支付非mmWave頻譜的費用。目前，似乎沒有人為mmWave頻率支付額外費用：即使意大利拍賣的價格也不到中頻的1%。

盡管未來12至24個月5G的應用曲線可能相對較淺，5G重現(xiàn)4G在市場上的主導地位可能需要數(shù)年時間，但許多電信運營商出于速度、延遲、滲透、(尤其是)容量等原因，有強烈的動機加入5G潮流。當這種情況發(fā)生時，我們將迎來一個快得多的世界。