详解半导体产业新商机：5G助推新未来

5G 是第五代通信技术，是4G 之后的延伸，是对现有的无线通信技术的演进。 其最大的变化在于 5G 技术是一套技术标准，其服务的对象从过去的人与人通信，增加了人与物、物与物的通信。根据历史经验，我国移动通信的每十年会推出下一代网络协议。随着用户需求的持续增长，未来 10 年移动通信网络将会面对：1000 倍的数据容量增长，10 至100倍的无线设备连接，10 到100 倍的用户速率需求，10 倍长的电池续航时间需求等等，4G 网络无法满足这些需求，所以 5G 技术应运而生。需求增加的最主要驱动力有两个：移动互联网和物联网。根据 ITU 给出的计划， 5G 技术有望在2020 年开始商用。

面对5G 在传输速率和系统容量等方面的性能挑战，天线数量需要进一步增加， 利用空分多址（SDMA）技术，可以在同一时频资源上服务多个用户，进一步提高频谱效率。硬件上，大规模天线阵列由多个天线子阵列组成，子阵列的每根天线单独拥有移相器、功率放大器、低噪放大器等模块。软件层面则需要复杂的算法来管理和动态地适应与编码和解码用于多个并行信道的数据流，通常被实现为一个 FPGA。大规模天线阵列将带来天线的升级及数量需求，同时射频模块（移相器、功率放大器、低噪放大器等）的需求将爆发，此外数据的增加将利好功能更加强大的综合处理模块如 FPGA等等。

可以说5G的出现，将会推动半导体产业和终端往一个新的方向发展，创造一波新的价值，我们不妨来详细了解一下。

什么是5G？

5G 是第五代通信技术，是4G 之后的延伸，是对现有的无线通信技术的演进。其最大的变化在于 5G 技术是一套技术标准，其服务的对象从过去的人与人通信，增加了人与物、物与物的通信。

回顾移动通信的发展历程，每一代移动通信系统都可以通过标志性能力指标和核心关键技术来定义，其中， 1G 采用频分多址（ FDMA），只能提供模拟语音业务； 2G 主要采用时分多址（ TDMA），可提供数字语音和低速数据业务；3G 以码分多址（ CDMA）为技术特征，用户峰值速率达到 2Mbps 至数十 Mbps， 可以支持多媒体数据业务； 4G 以正交频分多址（ OFDMA）技术为核心，用户峰值速率可达 100Mbps 至 1Gbps，能够支持各种移动宽带数据业务。

移动通信标准的发展历程

5G 更强调用户体验速率，将达到 Gbps 量级。 5G 关键能力比以前几代移动通信更加丰富，用户体验速率、连接数密度、端到端时延、峰值速率和移动性等都将成为 5G 的关键性能指标。

然而，与以往只强调峰值速率的情况不同，业界普遍认为用户体验速率是 5G 最重要的性能指标，它真正体现了用户可获得的真实数据速率，也是与用户感受最密切的性能指标。基于 5G 主要场景的技术需求， 5G 用户体验速率应达到 Gbps 量级。

面对多样化场景的极端差异化性能需求， 5G 很难像以往一样以某种单一技术为基础形成针对所有场景的解决方案。

此外，当前无线技术创新也呈现多元化发展趋势，除了新型多址技术之外，大规模天线阵列、超密集组网、全频谱接入、新型网络架构等也被认为是 5G 主要技术方向，均能够在 5G 主要技术场景中发挥关键作用。

综合5G 关键能力与核心技术， 5G 概念可由“ 标志性能力指标”和“一组关键技术”来共同定义。 其中，标志性能力指标为“ Gbps 用户体验速率”，一组关键技术包括大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网络架构。

5G推进组定义的5G概念

目前5G 技术已经确定了8 大关键能力指标：峰值速率达到 20Gbps、用户体验数据率达到 100Mbps、频谱效率比IMT-A 提升 3 倍、移动性达 500 公里/时、时延达到 1 毫秒、连接密度每平方公里达到 10Tbps、能效比 IMT-A 提升 100 倍、流量密度每平方米达到 10Mbps。

ITU定义的5G关键能力

中国5G之花概念

我国提出的 5G 之花概念形象的描述了 5G 的关键指标，其提出的 9 项关键能力指标中除成本效率一项外，其他 8项均与 ITU 的官方指标相匹配。

5G 的关键性能挑战及实现

从具体网络功能要求上来说， IMT-2020（5G）推进组定义了 5G 的四个主要的应用场景：连续广覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠，而这些功能的实现都给供应商带来了很大的挑战。

5G主要场景与关键性能挑战

5G 技术创新主要来源于无线技术和网络技术两方面。其需求来自于以上的关键性能挑战。我们可以将关键性能分为以下三个部分：

5G关键性能分类

为了实现更高网络容量， 无线传输增加传输速率大体上有两种方法，其一是增加频谱利用率，其二是增加频谱带宽。

提高频谱利用率的主要的技术方式有增加基站和天线的数量，对应 5G 中的关键技术为大规模天线阵列（ Massive MIMO）和超密集组网（ UDN）；而提高频谱带宽则需要拓展 5G 使用频谱的范围，由于目前 4G 主要集中在 2GHz以下的频谱，未来 5G 将使用26GHz，甚至 6-100GHz 的全频谱接入，来获取更大的频谱带宽。

而对于关键任务要求上，尤其是毫秒级的时延要求，对于网络架构提出了极大的挑战，5G 技术中将提出新型的多址技术以节省调度开销，同时基于软件定义网络（ SDN）和网络功能虚拟化（ NFV） 的新型网络架构将实现更加灵活的网络调度。

1、 大规模天线阵列（ Massive MIMO） ：提高频谱效率，未来需要更多的天线及射频模块在现有多天线基础上通过增加天线数可支持数十个独立的空间数据流，以此来增加并行传输用户数目，这将数倍提升多用户系统的频谱效率，对满足 5G 系统容量与速率需求起到重要的支撑作用。大规模天线阵列应用于 5G 需解决信道测量与反馈、参考信号设计、天线阵列设计、低成本实现等关键问题。

美国莱斯大学 Argos 大规模天线阵列原型机样图

大规模天线技术（ MIMO）已经在 4G 系统中得以广泛应用。面对 5G 在传输速率和系统容量等方面的性能挑战，天线数目的进一步增加仍将是 MIMO 技术继续演进的重要方向。

根据概率统计学原理，当基站侧天线数远大于用户天线数时，基站到各个用户的信道将趋于正交，在这种情况下，用户间干扰将趋于消失。巨大的阵列增益将能够有效提升每个用户的信噪比，从而利用空分多址（ SDMA）技术，可以在同一时频资源上服务多个用户。

空分多址技术（ SDMA）是大规模天线阵列技术应用的重要支撑，其基础技术原理来自于波束赋形（ Beam forming） ，大规模天线阵列通过调整天线阵列中每个阵元的加权系数产生具有指向性的波束，从而带来明显的信号方向性增益，并与 SDMA 之间产生精密的联系。

空分多址提高频谱效率

第一：提升网络容量。波束赋形的定向功能可极大提升频谱效率， 从而大幅度提高网络容量。

第二： 减少单位硬件成本。 波束赋形的信号叠加增益功能使得每根天线只需以小功率发射信号，从而避免使用昂贵的大动态范围功率放大器，减少了硬件成本。

第三： 低延时通信。 大数定律造就的平坦衰落信道使得低延时通信成为可能。传统通信系统为了对抗信道的深度衰落，需要使用信道编码和交织器，将由深度衰落引起的连续突发错误分散到各个不同的时间段上，而这种揉杂过程导致接收机需完整接受所有数据才能获得信息，造成时延。在大规模天线下，得益于大数定理而产生的衰落消失，信道变得良好，对抗深度衰弱的过程可以大大简化，因此时延也可以大幅降低。

第四：与毫米波技术形成互补。毫米波拥有丰富的带宽，但是衰减强烈，而波束赋形则正好可以解决这一问题。

波束赋形示例

大规模天线的研发和使用同样面临巨大的挑战，从研究层面而言，物理层研究会面临下表中的多个难点。而从实际部署层面而言，硬件成本是最主要的阻碍。首先随着发射天线数目的增多，天线阵列的占用面积将大幅增加，天线群及其对应的高性能处理器、转换器的成本也都远高于传统基站天线，使得大规模部署存在成本问题；其次实际的使用中，为了平衡成本和效果，可能会采用一些低成本硬件单元替代， 在木桶原理的作用下小幅降低成本可能会导致性能急剧下降，从而达不到预期效果。

大规模天线阵列物理层研究难点

相比于 SISO 或分集天线系统， 大规模多天线系统属于硬件、软件密集型的。大规模多天线系统由多个天线子阵列组成，每个子阵列共享数模转换、 混频器等元件， 而子阵列的每根天线单独拥有移相器、 功率放大器、低噪放大器等模块。 所以随着天线数的增加，硬件的部署成本会快速增加。

不过与此同时，多天线的增益效应使得系统的容错能力提升， 每个单元的模块（如数模转换、功率放大器等） 的功能可以进一步减弱。软件层面则需要复杂的算法来管理和动态地适应与编码和解码用于多个并行信道的数据流，这就需要一个相对强大的处理器，通常被实现为一个 FPGA。

利用混合波束赋形技术的天线系统架构图

整体而言， 未来 MIMO 将对天线带来升级需求，同时射频模块（移相器、功率放大器、低噪放大器等）的需求将爆发，此外数据的增加将利好功能更加强大的综合处理模块， 如 FPGA。