5G的发展方向和应用趋势

作者 / 王莹 毛烁 《电子产品世界》编辑

摘要：面对日益增长的网络容量和即将到来的超连接社会，业界将重点推出 5G 蜂窝通信技术以更快地传输数据，并结合一系列先进技术，以确保数据在网络中的可靠和安全传输。

5G标准在演进，模块和芯片需要高集成度和高可靠

　　5G走势

　　5G主要有三大应用愿景：1.增强的移动宽带，核心是高带宽，2.大规模的物联网，这需要低功耗的基础设施，3.关键业务服务，其核心是低延迟、超可靠。因此，5G和现有技术相比有很多增强扩展，这些指标跨度很大，所以需要有规划、阶段性的引入，不可能一下子都全部实现。所以在5G进入商用之前的技术落地非常重要。

　　5G主要有两个发展阶段，第一阶段主要针对增强的移动宽带场景。下一阶段，也就是16版(Rel-16)主要针对两大应用场景，即eMTC(增强机器类通信)，mMTC(海量机器类通信)，使5G可以渗透到更广领域。在市场上，相信5G会带动车联网和工业物联网等的发展。

　　车联网场景

　　中国主要是中国移动通信系统的C-V2X方案，当然在亚太地区也使用。关于C-V2X的演进，在3GPPP时，14版(Rel-14)和15版本都分别推出了两个标准， V2V和V2X。继14版的V2X后，15版又出了增强型的C-V2X。16版技术演进路线已确定。业界也在做5G的V2X，像NR-V2X，但特别高端的这块还要再过几年，标准要到2019的年底才能完成，之后可能还要等一两年才做芯片。目前14版标准已经出来和落地了，现在有一些商家陆续在做测试和部署。

　　另一个车联网标准是802.11p专用短程通信，在北美和欧洲是主流的车联网技术。u-blox最近发布了一个业界最小的V2X通信芯片UBX-P3，以加速802.11p的应用。该技术比较成熟，经济高效，产业链也很成熟，可以密集部署。

　　工业物联网及其他应用

　　在工业物联网方面，可用5G的无线新空口替代以太网的固线设备。当然这需要非常低的延迟，超高的可靠性和准确度。此部署的范围可能会遇到一些非授权频谱和较高频率的频谱。

　　在技术层面，目前有两大主流技术：授权的和非授权的频段技术。NB-IoT、LTE-M和EC-GSM-IoT代表主流的授权频段技术，非授权技术包括LoRa和RPMA。

　　5G取代有线通讯方面，有两类应用场景：第一是毫米波部分，美国已经在实验用毫米波来替代最后一公里的光纤入户。特别是运营商在这方面走得非常靠前，也下了很大决心和财力在此部署，对于当前的cable campany (光纤公司)也产生一些业务上的递增。另一个应用是工业物联网，用无线来替代以太网会增加灵活度，例如工厂会减少很多固线，但是需要在技术上做得很好，包括高稳定性、低延迟等，这些都是5G能够实现的。

　　预计2019年年底5G工业物联网标准才能落地， 2018年才开始相关课题。有些工业联盟，主要是欧洲的，以德国为首的叫5G ACIA。

　　为了让5G像物联网一样遍地开花，需要扩展到更多的应用或者新型产业里，例如Sylvia Lu的朋友不久前成功演示了世界首个5G同步音乐会，在英国和德国做跨国演出，在艺术界掀起了一波探索5G应用的高潮。

　　窄带在5G中的地位

　　用于物联网的NB-IoT和LTE-M等窄带技术已是5G技术。有些国家已经开始部署窄带物联网，中国走得非常前端;此外，西班牙或意大利及一些北美国家也有部署。

　　在LTE-M和NB-IoT方面，u-blox推出了多种NB-IoT模块，例如SARA-N系列，在欧亚已获认证，其中SARA-N201也落地中国电信设置的网络频段。u-blox还推出了针对NB-IoT和LTE-M的全球通用模块。

　　在eMTC网络规划方面，u-blox的SARA-R4系列能够运行在eMTC网络，是双模模块，eMTC和NB-IoT可同时工作，2018年在美国已被AT&T授权使用。

ADI：需要集成多种通信协议的芯片

　　5G是通信业的下一波热潮，也是半导体业下一个增长驱动力之一。中国将是世界上第一个推广5G的国家，预计2019年中国移动就率先部署5G基础设施，第一步通常是在大城市的热点区域。

　　5G对设备运营商(OEM)提出了新的挑战，因为5G技术和4G有很大不同，包括空口技术、编码技术，以及后面的基带等。最直接的挑战是频谱扩展，之前频段一般集中在2GHz、2.7GHz以下，新的5G频段有3.5GHz频段、4.9GHz频段等，因此设备商要提供新的产品来覆盖这些频段。

　　一方面是带宽增加，之前的带宽更多是50MHz，最多100MHz。5G因为数据流量大大增加，数据流量要10倍甚至100倍的增长，带宽也要更宽。目前3GPP推出的规格里最宽的带宽达200MHz。

　　另一方面通道数也会大大增加，之前宏基站是2×2或者是4×4，现在8×8已经出来了，甚至16×16。5G有一个专门的技术叫Massive MIMO。在Massive MIMO场景中有64×64，甚至128×128。通信商巨头已经有这些Massive MIMO的原型产品了，在MWC(世界移动通信大会)及微波展上都曾展出过。这些难题从技术角度对设备商提出了挑战，不但要满足新技术的要求，同时运营商也要求设备商进一步降低尺寸、功耗和成本。因此，需要半导体厂商推出新的解决方案给设备商。

　　5G在2019年就要部署了，市场份额会越来越高，但是同时那些旧有的通信技术，像2G、3G等并没有因此消失掉，如下图可见4G仍会占很大一部分比重。2G、3G在2020年以前还是会有一定的市场，因此对设备商来说，要求其设备既要支持5G、4G新的协议，同时还要向前支持到旧有的协议，因此客户必须要有各种各样不同的平台，这无疑会增加成本。

　　ADRV9008/9正是这一理念下诞生的新产品，其是ADI最新的、也是迄今业界最宽的射频(RF)收发器(注：截至2018年8月)，能够支持2G、3G、4G、5G，满足所有的通信协议，同时可以支持多芯片相位合成，用在Massive MIMO和相控阵领域，以及手持仪器仪表领域。

罗杰斯：5G需要新材料应用的相关产品

　　众所周知，5G相对于4G/LTE，具有比4G/LTE高达1000倍以上的网络传输速率。Massive MIMO技术、更宽频谱带宽的需求以及毫米波频段的使用等等都使得5G相对于4G/LTE有着非常大的区别和不同。

　　比如5G技术中Sub-6GHz频段下的天线系统。虽然其频段上与4G相差并无太大的不同，但于5G天线数目和复杂度要远远高于4G的天线，5G天线系统中所使用的更加先进Massive MIMO技术，使在同一个天线中具有多达64路甚至更高的输入/输出，天线的集成度更高，设计变得越来越复杂。由此衍生出来的，是对具有低介电常数及容差、更低插损、能够进行多层板设计、在温度、环境变化保持稳定性能且满足阻燃性要求的材料需求。因此，罗杰斯相应开发了RO4730G3材料以满足设计工程师的需求。

　　5G的频段还包括28GHz、39GHz等毫米波频段。毫米波频段的信号都具有很小的波长，电路设计需要选择更薄的电路材料。而且随着频率的升高电路损耗会进一步增加，也需要更低损耗的电路材料满足设计的需求。同时，5G中由于系统多通道的特点，需要降低电路的尺寸，减小基站体积，工程师对射频和数字信号的集成度提出了更高要求，从而需要广泛使用多层板结构进行电路的设计，电路层数将从10层演变到20多层、甚至30层。基于这样的应用需求，罗杰斯推出了RO4835T、RO4450T、RO4460G2，以及CLTE-MW等一系列材料来为工程师提供不同的解决方案。

　　罗杰斯公司作为全球材料工程领域的领导者，持续创新、不断研发出新的材料和解决方案应对未来市场的需求。对于5G，罗杰斯发布了多款针对于5G不同应用的相关产品。

　　参考文献：

　　[1] KalyanSundar. 打通迈向5G之路[J],电子产品世界，2018(1);32-33

　　[2] 田元锁,张黎明.5G通信信号处理系统的设计与实现[J],电子产品世界，2018(1);33-36

　　本文来源于《电子产品世界》2018年第10期第20页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。