標準先行技術跟進 2018年5G列車加速駛入商用時代

自2017年底，5G NR標準的第一稿正式推出以來，5G商用進程向前邁出了實質性的一步，那一刻起，全球越來越多的半導體及終端廠商都爭先恐後地開始基於該草案研發各種商用化的產品和技術，以搶佔市場先機。隨著2018年下半年的漸行漸近，備受關注的Phase 2的一些草案也被提上日程，Phase 2將真正確定關於5G SA的獨立組網標準，5G技術躍入商用化時代又將邁出關鍵一步。

　　那麼，關於5G獨立組網(SA)和非獨立組網(NSA)兩種不同的組網標準，全球主流運營商都作何選擇?它們各自在技術和市場化層面上又有哪些優劣勢?未來要更多地擴展到毫米波頻段，在技術和應用端又存在哪些挑戰?5G商用化時代步步逼近，對晶元端特別是射頻前端的晶元設計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產業和技術展望研討會」上，記者採訪了來自NI、Qorvo等全球眾多半導體行業領先廠商的專家們，針對上述多個問題進行了深入的交流和探討。

考慮成本及商業化進度 NSA與SA標準運營商各有取捨

　　眾所周知，NSA與SA是5G領域兩種不同的組網標準，去年12月份，NSA的第一版標準正式完成，成為各大廠商布局5G技術及產品開發的重要指導方針。據傳，今年6月，SA的第一版標準也將正式落地，屆時所有國家的運營商都會基於該標準開始做商用試運行和技術研發，5G時代的大幕正徐徐打開。

　　針對NSA(非獨立組網)和SA(獨立組網)兩種標準，商用層面上各自擁有哪些優劣勢?目前全球各大運營商都是做何選擇?Qorvo亞太區移動事業部市場戰略高級經理陶鎮告訴記者：「目前來看，全球運營商的布局只有中國移動和中國電信兩家走的是SA路線，其他絕大多數運營商包括中國聯通在內都選擇了布局NSA路線。這主要是由於SA布網需要全部的設施重新投入，其中包括核心網、接入網以及數據鏈網都需要基於5G-NR來做，投入是相當巨大的。而NSA非獨立組網的好處在於核心網和接入網可以基於4G-LTE展開，只需要在數據內容層面去做5G的基站部署即可，從資本的角度來看會節省很多。」

　　Qorvo亞太區移動事業部市場戰略高級經理陶鎮

　　不過，從長遠來看，真正步入5G大規模商用成熟時段，未來NSA路線最終還是要逐步向SA過渡。陶鎮表示：「相比NSA非獨立組網而言，SA的所有核心網，從接入網的數據層面、控制層面以及語音層面上都是純粹的基於5G-NR，而NSA只是中間的一個過渡，未來運營商們都會逐步過渡到SA，這只是時間問題。因為在運營商看來，純粹的5G有著4G時代所不能夠實現的諸多功能，比如網路虛擬化管理、網路切片等功能，而且在5G網路中，相比4G而言運營商可以節省更多的成本。這些是NSA在組網方面所不能夠實現的，這就是為什麼中國移動和中國電信第一步就選擇做SA，這是國家使命。3G時代我們處於跟進狀態，4G與全球齊頭並進，而到了5G時代，國家希望能夠處於領先的狀態，雖然從資本投入來說相比NSA會耗費更多的成本，但比起運營商未來的投資成本以及為用戶服務的角度來說，純粹SA的5G一定是真正的5G。而其他國家，事實上運營商方面是並沒有國家政策的優惠扶持的，因此他們在戰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。」

　　5G和毫米波時代 通信模塊設計複雜度成倍提升

　　誠然，無論是SA或是NSA組網模式，對於消費者來說無疑都是一種網路體驗層面上的大幅提升。但對於整個產業來說，NSA非獨立組網顯然能夠更快速的推進5G技術的商用，不過這也將面臨更多的技術挑戰。NI中國區技術市場工程師馬力斯表示：「在實際應用中，非獨立組網在滿足5G要求的同時，也需要並行兼容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內廠商提出更多新的挑戰。」

　　在新版的5G New Radio中，隨著更多新技術的逐步加入，業內會看到未來有更多的頻段(特別是當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時代，一個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。因為後面若要擴展到毫米波頻段，包括帶寬和子載波間距在內都需要做一個非常大的調整，而不是使用原來這種固定的方式，這些調整對設計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晶元，可能還會用數字預失真以及包絡跟蹤這種方式，這其實就需要測試設備有一個更高的帶寬才能滿足這種設計的要求。」

　　NI中國區技術市場工程師馬力斯

　　對於應用端特別是智能手機領域，毫米波的一些要求其實也會對通信模塊的設計複雜度帶來更多的考量。馬力斯補充道：「因為毫米波本身波長的變化，導致天線會變得比以前小很多，集成到手機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，就需要考慮進行天線陣列attena array方式的設計。另外，相位雜訊和SNR是否有一個非常好的指標，毫米波部分LO是否有一個非常好的指標，其實都是非常大的考量。當然，還有一些其他的方面，比如OTA測試，OTA要做Calibration，一些校準的問題就會暴露出來。種種問題，最後集中到一點，就是測試的時間和成本問題，如果除了考慮這些問題複雜度外再考慮到Business方面的一些問題，整個的挑戰就相當巨大了。」

NSA商用階段：射頻前端設計將面臨哪些挑戰?

　　由於在發展前期，NSA非獨立組網模式需要4G和5G共存，對射頻前端晶元設計也會提出更多新的要求，比如需要做更多高度集成化，其中包括晶元內部架構、頻段的配置以及更多射頻指標的考量，比如高帶寬、高調製特性以及更好的EVM等要求，無疑進一步增加了整個系統設計的複雜度。

　　站在專業廠商的角度，陶鎮告訴記者：「由於非獨立組網主要依靠LTE作為核心網，所有的語音通信層面、控制層都是LTE，而數據層面走的是5G NR，因此射頻前端就意味著必須要有一個LTE的通道，無論是哪個頻段，還必須要有一個5G的通道同時上下行工作，由於其中會有一些互相干擾的問題，因此在設計上是一個非常大的挑戰。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，在毫米波的時候，6GHz以內也必須是100M帶寬，如果從PA的角度來說，這個難度是相當大的，現在的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個載波，即60M帶寬的上行載波聚合，所以在LTE時代我們看到最多的就是60M帶寬內的功率放大器的設計，但到了5G時代必須要涉及100M的帶寬，對於PA來說會是非常大的挑戰。」

　　具體來講，陶鎮進一步補充道：「首先，由於5G時代，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體來對這些新頻段做支持，尤其是PA的重新設計。因為從CDMA到WCDMA，最大的問題就在於PA的設計，這三類制式的PA都屬於線性化設計，其中會考慮到很多線性指標，而線性指標最重要的因素來自於數的波形是什麼樣的，所以5G定義了CP-OFDM，這樣一個信號波形相比標準的LTE最大的區別在於SCDMA很高，對PA來說峰均比更高，PA需要更寬、更高的線性設計，這也是5G相比較於4G在設計射頻前端器件上提高性能的關鍵點。除了CP-OFDM外，3GPP還有一個降規格的標準——SFT-S-OFDM，這是一個比LTE相對弱一點的標準，但可能因應用場景不同而對於這樣的波形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計，同時需要更快的開關切換速度，雖然目前eMBB場景不需要低時延，但是在未來5G的第三個場景則需要開關切換速度相當快。最後，從系統架構的角度來看，由於5G需要更快的速率，相比4G來說會有更多的MIMO，在4G LTE時代已經提到了4個下行鏈路，叫4×4的MIMO，2019年中國三大運營商可能都會要求做到4×4的MIMO，但仍然是基於LTE的。而在5G時代4×4下行MIMO或上行2×10的MIMO可能會成為標準，因為5G必須要支持四個下行鏈路和兩個上行鏈路，因此在系統架構層面會需要設計更多的天線分工器以及天線調諧的功能，怎麼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的前端架構裡面，除了PA、濾波器、LNA等傳統的射頻收發器件以外，廠商還需要更多的考慮前端的天線怎麼分配，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廠家合作，因為他們決定了手機里用哪幾根天線，每根天線支持什麼樣的頻段。」

　　總之，5G商用時代正漸行漸近，面對全新且更複雜的技術和商業化標準，加之越來越多細分化的市場，未來應用層面上也必將會暴露出更多新的問題。面對5G更為龐大的系統架構，無論是對晶元設計，技術方案還是對終端產品開發商來說，未來如何在即保證自身產品性能又經得起市場推敲的同時，還能夠實現與產業鏈上下游各合作商之間在產品、應用和市場化等多個層面上的無縫對接，成為當下乃至未來幾年整個產業需要面對的關鍵難題。