5G商用時(shí)代即將來臨 標(biāo)準(zhǔn)先行一步

自2017年底，5G NR標(biāo)準(zhǔn)的第一稿正式推出以來，5G商用進(jìn)程向前邁出了實(shí)質(zhì)性的一步，那一刻起，全球越來越多的半導(dǎo)體及終端廠商都爭先恐后地開始基于該草案研發(fā)各種商用化的產(chǎn)品和技術(shù)，以搶占市場先機(jī)。隨著2018年下半年的漸行漸近，備受關(guān)注的Phase 2的一些草案也被提上日程，Phase 2將真正確定關(guān)于5G SA的獨(dú)立組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，5G技術(shù)躍入商用化時(shí)代又將邁出關(guān)鍵一步。

那么，關(guān)于5G獨(dú)立組網(wǎng)（SA）和非獨(dú)立組網(wǎng)（NSA）兩種不同的組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，全球主流運(yùn)營商都作何選擇？它們各自在技術(shù)和市場化層面上又有哪些優(yōu)劣勢？未來要更多地?cái)U(kuò)展到毫米波頻段，在技術(shù)和應(yīng)用端又存在哪些挑戰(zhàn)？5G商用化時(shí)代步步逼近，對芯片端特別是射頻前端的芯片設(shè)計(jì)又會有哪些重要影響？4月11日，在“第七屆EEVIA年度中國ICT媒體論壇暨2018產(chǎn)業(yè)和技術(shù)展望研討會”上，記者采訪了來自NI、Qorvo等全球眾多半導(dǎo)體行業(yè)領(lǐng)先廠商的專家們，針對上述多個(gè)問題進(jìn)行了深入的交流和探討。

考慮成本及商業(yè)化進(jìn)度 NSA與SA標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)營商各有取舍

眾所周知，NSA與SA是5G領(lǐng)域兩種不同的組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，去年12月份，NSA的第一版標(biāo)準(zhǔn)正式完成，成為各大廠商布局5G技術(shù)及產(chǎn)品開發(fā)的重要指導(dǎo)方針。據(jù)傳，今年6月，SA的第一版標(biāo)準(zhǔn)也將正式落地，屆時(shí)所有國家的運(yùn)營商都會基于該標(biāo)準(zhǔn)開始做商用試運(yùn)行和技術(shù)研發(fā)，5G時(shí)代的大幕正徐徐打開。

針對NSA（非獨(dú)立組網(wǎng)）和SA（獨(dú)立組網(wǎng)）兩種標(biāo)準(zhǔn)，商用層面上各自擁有哪些優(yōu)劣勢？目前全球各大運(yùn)營商都是做何選擇？Qorvo亞太區(qū)移動事業(yè)部市場戰(zhàn)略高級經(jīng)理陶鎮(zhèn)告訴記者：“目前來看，全球運(yùn)營商的布局只有中國移動和中國電信兩家走的是SA路線，其他絕大多數(shù)運(yùn)營商包括中國聯(lián)通在內(nèi)都選擇了布局NSA路線。這主要是由于SA布網(wǎng)需要全部的設(shè)施重新投入，其中包括核心網(wǎng)、接入網(wǎng)以及數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)都需要基于5G－NR來做，投入是相當(dāng)巨大的。而NSA非獨(dú)立組網(wǎng)的好處在于核心網(wǎng)和接入網(wǎng)可以基于4G－LTE展開，只需要在數(shù)據(jù)內(nèi)容層面去做5G的基站部署即可，從資本的角度來看會節(jié)省很多。”

Qorvo亞太區(qū)移動事業(yè)部市場戰(zhàn)略高級經(jīng)理陶鎮(zhèn)

不過，從長遠(yuǎn)來看，真正步入5G大規(guī)模商用成熟時(shí)段，未來NSA路線最終還是要逐步向SA過渡。陶鎮(zhèn)表示：“相比NSA非獨(dú)立組網(wǎng)而言，SA的所有核心網(wǎng)，從接入網(wǎng)的數(shù)據(jù)層面、控制層面以及語音層面上都是純粹的基于5G－NR，而NSA只是中間的一個(gè)過渡，未來運(yùn)營商們都會逐步過渡到SA，這只是時(shí)間問題。因?yàn)樵谶\(yùn)營商看來，純粹的5G有著4G時(shí)代所不能夠?qū)崿F(xiàn)的諸多功能，比如網(wǎng)絡(luò)虛擬化管理、網(wǎng)絡(luò)切片等功能，而且在5G網(wǎng)絡(luò)中，相比4G而言運(yùn)營商可以節(jié)省更多的成本。這些是NSA在組網(wǎng)方面所不能夠?qū)崿F(xiàn)的，這就是為什么中國移動和中國電信第一步就選擇做SA，這是國家使命。3G時(shí)代我們處于跟進(jìn)狀態(tài)，4G與全球齊頭并進(jìn)，而到了5G時(shí)代，國家希望能夠處于領(lǐng)先的狀態(tài)，雖然從資本投入來說相比NSA會耗費(fèi)更多的成本，但比起運(yùn)營商未來的投資成本以及為用戶服務(wù)的角度來說，純粹SA的5G一定是真正的5G。而其他國家，事實(shí)上運(yùn)營商方面是并沒有國家政策的優(yōu)惠扶持的，因此他們在戰(zhàn)略布局上會更多地考慮到投入成本，所以自然NSA成為了他們第一步的選擇?！?/p>

5G和毫米波時(shí)代 通信模塊設(shè)計(jì)復(fù)雜度成倍提升

誠然，無論是SA或是NSA組網(wǎng)模式，對于消費(fèi)者來說無疑都是一種網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)層面上的大幅提升。但對于整個(gè)產(chǎn)業(yè)來說，NSA非獨(dú)立組網(wǎng)顯然能夠更快速的推進(jìn)5G技術(shù)的商用，不過這也將面臨更多的技術(shù)挑戰(zhàn)。NI中國區(qū)技術(shù)市場工程師馬力斯表示：“在實(shí)際應(yīng)用中，非獨(dú)立組網(wǎng)在滿足5G要求的同時(shí)，也需要并行兼容4G要求去在頻段上做一些重合，其中干擾、頻譜以及混合模式帶來的問題都會給業(yè)內(nèi)廠商提出更多新的挑戰(zhàn)?！?/p>

在新版的5G New Radio中，隨著更多新技術(shù)的逐步加入，業(yè)內(nèi)會看到未來有更多的頻段（特別是當(dāng)下非常火的毫米波頻段），將會成為5G主要集中研究的方向。馬力斯告訴記者：“4G LTE時(shí)代，一個(gè)重要的變化就是在子載波間距上，基本上使用的都是15KHz這樣固定的子載波間距，但到了5G NR部分，就需要用更靈活的子載波間距。因?yàn)楹竺嫒粢獢U(kuò)展到毫米波頻段，包括帶寬和子載波間距在內(nèi)都需要做一個(gè)非常大的調(diào)整，而不是使用原來這種固定的方式，這些調(diào)整對設(shè)計(jì)也會提出一些新的要求。比如帶寬方面，除了sub－6GHz外，毫米波部分可能會更多的考慮到像400MHz這樣的帶寬，這種帶寬對測試廠商來說，特別是像一些高端的射頻前端芯片，可能還會用數(shù)字預(yù)失真以及包絡(luò)跟蹤這種方式，這其實(shí)就需要測試設(shè)備有一個(gè)更高的帶寬才能滿足這種設(shè)計(jì)的要求?！?/p>

NI中國區(qū)技術(shù)市場工程師馬力斯

對于應(yīng)用端特別是智能手機(jī)領(lǐng)域，毫米波的一些要求其實(shí)也會對通信模塊的設(shè)計(jì)復(fù)雜度帶來更多的考量。馬力斯補(bǔ)充道：“因?yàn)楹撩撞ū旧聿ㄩL的變化，導(dǎo)致天線會變得比以前小很多，集成到手機(jī)上面相對來說比較容易。而小很多的這種天線在毫米波部分，需要做很多beamforming，如果再去做天線陣列的話，就需要考慮進(jìn)行天線陣列attena array方式的設(shè)計(jì)。另外，相位噪聲和SNR是否有一個(gè)非常好的指標(biāo)，毫米波部分LO是否有一個(gè)非常好的指標(biāo)，其實(shí)都是非常大的考量。當(dāng)然，還有一些其他的方面，比如OTA測試，OTA要做Calibration，一些校準(zhǔn)的問題就會暴露出來。種種問題，最后集中到一點(diǎn)，就是測試的時(shí)間和成本問題，如果除了考慮這些問題復(fù)雜度外再考慮到Business方面的一些問題，整個(gè)的挑戰(zhàn)就相當(dāng)巨大了?！?/p>

NSA商用階段：射頻前端設(shè)計(jì)將面臨哪些挑戰(zhàn)？

由于在發(fā)展前期，NSA非獨(dú)立組網(wǎng)模式需要4G和5G共存，對射頻前端芯片設(shè)計(jì)也會提出更多新的要求，比如需要做更多高度集成化，其中包括芯片內(nèi)部架構(gòu)、頻段的配置以及更多射頻指標(biāo)的考量，比如高帶寬、高調(diào)制特性以及更好的EVM等要求，無疑進(jìn)一步增加了整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。

站在專業(yè)廠商的角度，陶鎮(zhèn)告訴記者：“由于非獨(dú)立組網(wǎng)主要依靠LTE作為核心網(wǎng)，所有的語音通信層面、控制層都是LTE，而數(shù)據(jù)層面走的是5G NR，因此射頻前端就意味著必須要有一個(gè)LTE的通道，無論是哪個(gè)頻段，還必須要有一個(gè)5G的通道同時(shí)上下行工作，由于其中會有一些互相干擾的問題，因此在設(shè)計(jì)上是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)。另外，5G相比較4G，在頻段上也會有更多的不同，LTE帶寬最高20M，而到了5G最多就會是100M，尤其是這100M還是針對6GHz以內(nèi)的頻譜，到了毫米波階段最高會是400M的帶寬，也就是說單信道必須得支持到400M。而且，在毫米波的時(shí)候，6GHz以內(nèi)也必須是100M帶寬，如果從PA的角度來說，這個(gè)難度是相當(dāng)大的，現(xiàn)在的LTE單載波就要20M，如果做上行載波聚合中國移動最多也就3個(gè)載波，即60M帶寬的上行載波聚合，所以在LTE時(shí)代我們看到最多的就是60M帶寬內(nèi)的功率放大器的設(shè)計(jì)，但到了5G時(shí)代必須要涉及100M的帶寬，對于PA來說會是非常大的挑戰(zhàn)?！?/p>

具體來講，陶鎮(zhèn)進(jìn)一步補(bǔ)充道：“首先，由于5G時(shí)代，帶寬和子載波間距都變寬了，會需要更多的頻譜，因此就需要更多新的射頻半導(dǎo)體來對這些新頻段做支持，尤其是PA的重新設(shè)計(jì)。因?yàn)閺腃DMA到WCDMA，最大的問題就在于PA的設(shè)計(jì)，這三類制式的PA都屬于線性化設(shè)計(jì)，其中會考慮到很多線性指標(biāo)，而線性指標(biāo)最重要的因素來自于數(shù)的波形是什么樣的，所以5G定義了CP－OFDM，這樣一個(gè)信號波形相比標(biāo)準(zhǔn)的LTE最大的區(qū)別在于SCDMA很高，對PA來說峰均比更高，PA需要更寬、更高的線性設(shè)計(jì)，這也是5G相比較于4G在設(shè)計(jì)射頻前端器件上提高性能的關(guān)鍵點(diǎn)。除了CP－OFDM外，3GPP還有一個(gè)降規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)——SFT－S－OFDM，這是一個(gè)比LTE相對弱一點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)，但可能因應(yīng)用場景不同而對于這樣的波形LTE也可以做到完美支持。其次，從信號的角度考慮，廠商在4G和5G信號的共存和互干擾方面也需要做到更好的設(shè)計(jì)，同時(shí)需要更快的開關(guān)切換速度，雖然目前eMBB場景不需要低時(shí)延，但是在未來5G的第三個(gè)場景則需要開關(guān)切換速度相當(dāng)快。最后，從系統(tǒng)架構(gòu)的角度來看，由于5G需要更快的速率，相比4G來說會有更多的MIMO，在4G LTE時(shí)代已經(jīng)提到了4個(gè)下行鏈路，叫4×4的MIMO，2019年中國三大運(yùn)營商可能都會要求做到4×4的MIMO，但仍然是基于LTE的。而在5G時(shí)代4×4下行MIMO或上行2×10的MIMO可能會成為標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)?G必須要支持四個(gè)下行鏈路和兩個(gè)上行鏈路，因此在系統(tǒng)架構(gòu)層面會需要設(shè)計(jì)更多的天線分工器以及天線調(diào)諧的功能，怎么樣去做更好的天線分工，可能就需要有天線分工器、多工器等，未來在5G的前端架構(gòu)里面，除了PA、濾波器、LNA等傳統(tǒng)的射頻收發(fā)器件以外，廠商還需要更多的考慮前端的天線怎么分配，多工器如何支持更好的載波聚合，天線分工器可能就需要更多的跟手機(jī)廠家合作，因?yàn)樗麄儧Q定了手機(jī)里用哪幾根天線，每根天線支持什么樣的頻段?！?/p>

總之，5G商用時(shí)代正漸行漸近，面對全新且更復(fù)雜的技術(shù)和商業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)，加之越來越多細(xì)分化的市場，未來應(yīng)用層面上也必將會暴露出更多新的問題。面對5G更為龐大的系統(tǒng)架構(gòu)，無論是對芯片設(shè)計(jì)，技術(shù)方案還是對終端產(chǎn)品開發(fā)商來說，未來如何在即保證自身產(chǎn)品性能又經(jīng)得起市場推敲的同時(shí)，還能夠?qū)崿F(xiàn)與產(chǎn)業(yè)鏈上下游各合作商之間在產(chǎn)品、應(yīng)用和市場化等多個(gè)層面上的無縫對接，成為當(dāng)下乃至未來幾年整個(gè)產(chǎn)業(yè)需要面對的關(guān)鍵難題。