5G,一项被描述为“与印刷机、电报、蒸汽机、电力、互联网同等重要的通用技术”,其带来的变革将重新定义工作流程并重塑竞争规则。
根据2020年11月IHS Markit发布的《后疫情时代的5G经济》报告,到2035年,5G创造的经济产出将达13．1万亿美元。未来十五年,全球5G资本支出和研发投入将增长10．8%,年均投入高达2650亿美元,并创造2280万个工作岗位。IHS Markit将这一增长归因于对5G网络基础设施和终端前所未有的需求,以及对5G将变革广泛行业的共识。
作为当前无论是部署速度,还是基站数量、整体规模来看都位列全球第一的中国,更是5G市场的中坚力量。2019年6月6日,工信部向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电正式发放5G商用牌照,这是全球5G发展的标志性事件,宣布中国5G时代正式开启。据全球移动通信协会(GSMA)预测,到2025年全球5G连接数为14亿,其中中国占4．6亿,超过北美和欧洲的总和,位列全球第一。
5G服务的“铁三角”
众所周知,移动技术大约每十年完成一次代际演进,每一代移动技术的标准都建立在前瞻性基础科技研发的基础之上,5G也不例外。3GPP在2017年发布的5G标准的第一个版本Rel-15中,定义了三大应用场景:增强型移动宽带(eMBB)、超高可靠低延迟通信(URLLC)和海量物联网(mMTC),这也常常被业界称之为5G服务的“铁三角”,具体包括:
数据整理来自ITU
增强型移动宽带
集中表现为超高的传输数据速率,广覆盖下的移动性保证等,将是5G发展初期面向个人消费市场的核心应用场景。
超高可靠低延迟通信
该类型应用对可靠性、超低时延和普及易用性要求极高,更多面向车联网、工业控制、远程医疗等特殊应用,是未来社会走向智能化的网络基础。
海量物联网
该场景数据速率较低,但覆盖面广,电池寿命更长。主要包括智慧城市、智能家居、环境监测等应用场景,5G强大的连接能力可以快速促进这些垂直行业深度融合。
从泰瑞达(Teradyne)的角度来看,上述这些趋势正在从三方面影响5G测试需求:首先,在毫米波频率下,天线阵列的应用使得测试仪器上必须增加更多端口;其次,信号波束成形需要在接触和空气传导(OTA)下进行测试的技术创新。此外,增长率和需求的快速上升,正在以创纪录的速度推动测试工位数和产出率不断提高。
标准制定,从来不会“一蹴而就”
下图是5G技术演进的时间轴。
数据整理来自泰瑞达
可以看出,尽管Rel-15中囊括了基于OFDM的可拓展空口、基于时隙的灵活框架、先进的信道编码(包括多边缘LDPC和CRC辅助极化码)、massiveMIMO天线应用以及移动毫米波在内的多项技术,各项参数指标也都比较激进,例如与4G相比,时延降低100倍、速率最多增加1000倍、网络容量增加100倍等,但不难看出,其主要目标还是要能够实现5G智能手机的应用。
数据整理来自FCC
Rel-16是于2020年7月发布的5G标准的第二个版本,持续增强6GHz以下和毫米波频段通信能力,降低功耗,增加更多对于毫米波波束的增强功能,引入集成接入回传(IAB)节点。在此基础上,Rel-16版本还引入了全新的5G免许可频谱设计、增强毫米波与中频段的载波聚合和移动性、支持精准的5G定位、更强的URLLC功能以支持5G车联网、工业物联网和5G广播等应用;
Rel-R17则会在上述功能基础上再进一步增强,主要是支持eMBB之外的全新场景,将毫米波支持扩展至直连通信、URLLC和工业物联网领域;持续增强定位技术,实现厘米级精度,更低时延和更高的容量。不过由于受到新冠肺炎疫情的影响,Rel-17工作进度较之原计划会推迟大概一个季度,但全新NR-Light技术的引入将不会改变。
5G频谱分配
下图显示了当前全球主要地区5G频谱划分/计划。可以看出,5G频谱类型包括许可频谱、免许可频谱和共享频谱,全球各主要地区都有从几百兆赫兹到毫米波频谱的分布和规划,但低频频谱资源非常有限。
全球5G频谱划分/计划一览
从频谱角度来看,5G主要有两大可部署的频谱,一个是6GHz以下频段,频率范围大约是600MHz-6GHz范围;另一个是毫米波频段,它的频率覆盖范围大约是26GHz-39GHz,甚至更高。整体而言,频谱越高,可用频宽越宽,频谱资源越多,能承载的数据量也就越大,这是高频谱优势。但是,随着频谱增高,它的传输性能及覆盖能力会有所下降;相反,频谱越低,可用频宽降低,数据率也有所降低。但其传输性和覆盖能力会有所提升,因此高低频谱各有优劣。
数据整理来自泰瑞达
目前6GHz以下频段范围内频谱的多工方式主要分为两种:频分多址(FDD)和时分多址(TDD)。总体而言,6GHz以下频段范围内的频段越低,FDD的频段越多,例如6GHz以下频率范围内的600MHz、700MHz、1．8GHz等低频段,大部分都是FDD;而6GHz以下频率范围内的2．6GHz、3．5GHz、4．9GHz等高频段中TDD比较多。
从TDD和FDD的部署时间来看,TDD是优先部署的,因为TDD频段基本已经就绪,而FDD大部分频段已经被现有的4G占用,4G向5G频段的释放过程需要时间,因此TDD的部署时间要相对早一些,后续会有FDD的相关部署。上述都是在6GHz以下频率范围内的频谱多工方式,如果在毫米波频率范围内则基本上就都是TDD。
从下图可以看到,截至2020年初,包括美国、中国、欧洲、韩国和澳大利亚在内的国家和地区5G都是围绕6GHz以下频段的NSA模式进行部署。同时,美国已开始部署毫米波。毫米波的优势在于数据率非常高,可以对一些热点地区做重点覆盖;而6GHz以下频段覆盖性较好,可以在更大范围内比如全部国土范围进行大面积的覆盖。从长远来看,经过一段时间的发展之后,绝大部分的国家和地区会同时部署6GHz以下和毫米波频段。
数据整理来自泰瑞达
频段的使用需要国家来划分,频段就绪也需要一定的时间,所以在5G部署初期不同国家频谱的使用不同,毫米波和6GHz以下频段部署的时间也不同,例如目前美国已经率先部署毫米波。2020年还会有更多的5G的频谱组合和技术将在全球范围内部署,NSA 6GHz以下TDD会在包括日本、拉丁美洲、东南亚等地区部署,毫米波也会在欧洲一些国家(俄罗斯、意大利的一部分)以及日本和韩国部署。由于6GHz以下FDD频段目前绝大部分被4G占用,2020年之后将逐步释放并部署5G,所以在2020年绝大部分国家都进行了FDD的实验和部署。
在6GHz以下FDD、TDD频谱都得以部署以后,为了追求更好的性能、更好的体验,各个国家和地区还会开始6GHz以下内部TDD+TDD,FDD+FDD,TDD+FDD各种各样载波聚合的部署。
从5G规范来讲,目前业界主推的还是eMBB场景,Sub-6GHz只能将带宽提高到千兆级,如果要将带宽提升至万兆级(也就是10Gbps以上),实现“光纤级”体验,需要毫米波频段才能实现。从目前的部署情况来看,业界普遍预计2021年毫米波将在全球几大地区实现一定规模的商用部署。尽管在中国的商用时间可能会稍微晚些,但从信通院所进行的毫米波测试规模来看,与海外预商用规模是相当的。
基础设施建设不断加速
尽管受到疫情的影响,但5G在全球加速部署的趋势并未停止。最新数据显示,目前,全球已有140家运营商在59个国家及地区推出了5G商用网络,412家运营商在131个国家及地区进行了5G投资。值得一提的是,超过40家运营商正在提供5G固定无线接入或家庭宽带服务,以充分发挥5G高带宽的特性。
这与10年前4G刚开始部署的情况相比有着巨大的数量级差别:2011年左右,首个4G网络开始部署。在4G部署的第一年中,全球只有4家运营商、3家终端厂商推出了相关的商用产品及服务,因此5G的部署和发展速度要远远超过4G。
数据整理来自泰瑞达
具体到中国,得益于国家正在力推的“新基建”战略,各地普遍加快了5G网络的建设速度。根据运营商公开的信息,中国三大运营商在2020年就建设了超过70万个5G基站。目前,从模式和频段来看,无论是NSA(非独立组网)和SA(独立组网),还是Sub-6GHz和毫米波频段,都在全球得到了部署。
终端设备层出不穷
从终端的角度来看,目前已经有335款5G终端商用上市,相比2020年9月增加了51%。其中,233款5G智能手机已经商用,相比去年9月增加了55%,而在2021年,全球5G手机出货量预计将达到4．5-5．5亿部,这将比4G实现相同里程碑的速度快了一倍。
数据整理来自泰瑞达
在中国市场,仅2020年1月,5G手机出货量就接近550万部,市场占比26%,而在随后的2个月内,国内已经有数十家手机厂商及品牌陆续发布了5G旗舰智能手机,为消费者带来了丰富的5G终端选择。截至2020年11月,中国5G终端连接数超过了1．8亿。
数据整理来自泰瑞达
同时,伴随着新应用的不断涌现,移动连接需求也在不断增加,这也给5G带来了不少发展机遇。根据工信部的数据,2020年1月至2月,移动互联网累计流量达到235亿GB,同比增长44．2%;2月户均移动互联网接入流量达到8．88GB,同比增长45．5%。这意味着,疫情期间,消费者对移动互联网的需求反而比以前更高了。
结语
构建于4G LTE技术基础之上的5G其实是一个集成的系统概念。要实现5G的成功,需要同步对不同领域的技术进行大量投入,包括5G新空口、载波聚合、授权和非授权LTE频谱、射频前端,以及Wi-Fi向MU-MIMO、802．11ad/ax的演进等。如何构建一个具备统一连接架构和统一设计的平台,以满足未来多样化的服务和部署,是5G未来发展成功的关键。