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浅析 5G

By Mike Rosa, PhD

预计在未来几年推行的 5G 无线标准,将对终端用户设备的集成电路数量和类型以及传输更高频信号所需的基站和中继器产生重大影响。


图 1. 5G 预计在 2020/21 年推出,将大大改进现有的 4G 技术,但也存在着利弊权衡和技术挑战。

5G 标准预计将实现每秒 10 Gb 的带宽(高达使用高级 4G 技术可实现的数据速率的 10 倍)和 5 毫秒以下的延迟。这些能力也将影响 5G 生态系统中生成的数据量,对服务器、存储和光子器件提出了更高的要求。

5G 标准要求通过两个阶段转向更高频率的信号,首先是 6 GHz 以下的频段(大多处于 3.5-4.5 GHz 频段),然后转向更具挑战性的毫米波频段内的 24-43.5 GHz 频段。毫米波传输距离短并将面临吸收问题,因此 5G 标准将 是 4G 和 5G 的组合,用于支持城市 (5G) 和远程 (4G) 网络(见图 1)。

关于 5G 的研究取得了长足的进步。美国国家仪器公司(德州奥斯汀)先进无线研究高级部门经理 Ian Wong 在德克萨斯州近期举办的一场 SEMI 5G 主题会议上说,到今年年底,“大多数基线管网将依托”主要的 5G 标准组。

中国在全国范围内部署了大约 170 万个基站,但是到 2020 年其中只有大约 10,000 个 支 持 5G。Wong 认为,全球电信运营商都想要超越智能手机和 B2C 模式。他说 :“电信公司一直在大放血一样做资本支出,现在它们需要超越智能手机消费者,转向物联网、工业物联网和 B2B 模式。”

Ian Wong,
美国国家仪器

Wong 表示 :“从一家测试测量公司的角度看,我们如今正处于最关键的时刻,需要马上做好准备。”

5G 将对半导体行业产生广泛影响。终端用户设备和基站将需要支持多输入多输出 (MIMO) 和波束指向技术,这就意味着更多的信道以及对体声波 (BAW) 过滤器、天线、功率管理和其他器件有更大的需求。

为帮助解决功率问题,系统将运用更精密的封包追踪技术。这类芯片虽然并非全新(在 4G 推行过程中已引入),但它们被运用于射频功率放大器中来跟踪信号,并按需提高功率,而非不断供应高功率。随着 5G 的速度提升,这些封包技术从采用横向扩散金属氧化物半导体 (LDMOS) 和砷化镓 (GaAs),转向采用氮化镓 (GaN),以求管理更高功率的同时仍然满足更高切换速度的要求。

引导信号的需求也将要求超越目前所见的高速器件。为解决高频 5G 信号的吸收问题,将需要对发送波束进行电子“导向”, 以使损耗最小化并优化系统的传输效率。而由于毫米波信号传输距离短,将需要多个中继器,从而增加 5G 部署所需的芯片数量。

射频前端模块 (FEM) 将需要处理更大数量的高频 5G 信号。这需要更多高性能的 BAW 滤波,并且可能推动从氮化 铝 (AlN) 到钪掺 杂 AlN (ScAlN) 膜的过渡,然后进一步过渡到铌酸锂 (LiNbO3) 一类更新的膜,后者提供的机电耦合效率(读发送 / 接收效率)可能是当前正在开发的最新 ScAlN 膜的两倍。

虽然 5G 无线标准所面临的技术挑战并非微不足道, SEMI 奥斯汀 5G 会议的专家组成员表示,基本的 5G 空中接口技术已经被展示,全球无线领域最优秀的人才正在共同努力克服剩下的挑战。

Rob Topol,
英特尔公司

英特尔公司 5G 业务和技术 总 经 理 Robert Topol 表示 :汽车、无人机和工业领域的公司几乎每天都会到英特尔在奥斯汀的 5G 实验室测试 5G 技术,包括具有技术挑战性的毫米波传输。

“我们现在在实验室中运行 5G,并且它工作正常。它并不像有些人想象的那么复杂。当然,要运营一个全国性的或全球性的 5G 网络,我们还需要做很多工作。但是空中接口的大部分工作已经完成,”Topol 说。

虽然 5G 可被认为是第五代无线标准,但 Topol 表示,在英特尔内部,大家普遍认为 5G 是“第一代互连计算” 的无线技术。随着汽车、移动和工业系统能够以非常低的每比特成本连接到云,人工智能与互连计算之间将会产生协同。

“人工智能与 5G 协作的时机是主要的转折点。我们将能够 [ 在云端 ] 将系统与深度学习加速器连接起来。这种情况在 5G 刚登场的 2020 年不会发生,但是当我们在这两者之间发现转折时,对业界 将产生巨大的影响,”Topol 说。

除了将 5G 视为更快的网络之外,Topol 表示 :“5G 的部署关键在于每比特的成本。成本不能只是降低 10 倍,因为在 5G 部署的时间段内,数据消耗量将增加10 倍。它 [每比特传输成本]必须有指数级改善。”

VLSIresearch(加州圣克拉拉)的研究总监 Andrea Lati 表示,电子行业正在从移动驱动的模式转向人工智能驱动的行业。“人工智能需要大量来自许多不同来源的数据,需要大量的计算能力。5G 将成为数据在物联网与云端之间流动的平台,”Lati 说。

Bill Morelli,
IHS Markit

A在奥斯汀会议上被问及 5G 在汽车领域的作用时, IHS Markit 的高级研究总监 Bill Morelli 说 :5G 网络将成为自动驾驶的另一层安全保障。在汽车的传感器负责查看对面是否有车辆正在接近的同时,5G 网络将看得更广,可以判断前面很远的弯道后是否有车辆阻挡行车道路。此外,车辆间通信将增强地图、交通车流和安全信息。而且,由于司机将不再被束缚在方向盘后面,5G 无线网络可以用来支持车载电话会议及其他形式的工作和信息娱乐,他说。

Morelli 说,IHS 认 为仍在发展中的 5G 标准包含三大方面。增强型移动宽带将包括固定无线接入 (FWA) 和增强型移动宽带 (eMBB)。FWA 将率先推出,他说(见图 2)。


图 2. 5G 部署预计将在 2018 年开始商业试点,预计 2020 年推出完全商用的移动宽带。(资料来源 :IHS Markit, 2017)

5G 机器对机器应用通常被称为大规模物联网。这些机器类通信将要求低功耗和低数据速率的能力,支持大量的连接。

 

工业、机器人、医疗和汽车等应用需要极高的可靠性和极短的延迟,5G 在这些关键任务领域的部署可能耗费的时间会最长。 Morelli 说 :关键任务应用将取决于重大的技术创新。他补充说 :全球大部分电信公司对如何将可用频谱用于 5G 网络基本达成一致,而无线电信企业需要用 5G 在工业、汽车、智慧城市和商业领域开发新的市场。

Morelli 说 :“5G 需要高度重视技术创新,以实现突破,进入很大程度上尚未涉足的领域,例如毫米波传输。”

欲了解更多信息,请联系 mike_rosa@amat.com.