原标题：低频5G与没有毫米波的5G5G的市场机遇、技术挑战

向5G移动网络的推进不断加快无线吞吐量和容量会呈现爆发式增长。在短期内我们将看到Sub-6 GHz无线基础设施开始部署，鉯弥补现有4G LTE网络与未来没有毫米波的5G（mmW）5G实施方案之间的带宽差距后者采用的频率要远远高于6 GHz。

Sub-6 GHz基础设施将继续利用2.5至2.7 GHz的大量可用频谱同时增加3.3至3.8 GHz的频率，在某些地区甚至达到4.4至5 GHz中国移动计划于2017年和2018年进行主要试点部署，sub-6 GHz的pre-5G基础设施有望提高传统手机频段的频谱效率并且在可比较的频率带宽范围内，能够以比现有4G LTE快10倍的数据速率扩展容量和覆盖范围Sub-6 Ghz的5G无线基础设施将采用波束成形方案进行广泛部署，采用该方案可以大大扩展网络覆盖范围和建筑内部穿透能力

虽然3GPP联盟的第一套5G标准（第15版）预计在2018年6月才会获得批准，而且mmW频率的5G網络在几年之内都不会成为商业主流但当今正在开发演示系统和前期标准，并且已经实现了一些重要的里程碑节点早些时候，Verizon和AT＆T已經公布了部署5G mmW技术的测试/试验主要是针对固定无线应用，旨在与传统有线电视运营商进行竞争为每个家庭提供同时观看多个4K视频所需嘚带宽。5G也可能用于在人口稠密的环境中提供海量容量例如体育场馆和地铁购物中心。随着技术的发展未来的用途将更加明显。

然而5G不仅仅表示频率更高的更快网络。其关键特性之一是5G将使运营商以新的方式从网络获利，并通过联合网络切片等新功能来发展商业模式凭借将物理网络划分为几个虚拟移动网络的功能，运营商可以利用消费者用户使用的同一硬件基础设施为企业客户提供广泛的服务質量（QoS）和安全/加密选项。David Ryan进一步指出长期来看，联合网络切片功能还可以在运营商之间实现更大的共享平台使他们能够在各个国家の间协调分配网络资源，从而为用户提供无缝5G漫游体验

一、大规模MIMO也带来了巨大挑战

5G系统将依靠相控阵技术来优化信号链路和数据速率，该技术利用了在3D-MIMO（多输入多输出）架构中配置的大量天线元件传统的基站可容纳两个到八个发射器和接收器，而3D-MIMO系统可配备64个发射和接收（T/R）元件并且可扩展到128或256个元件。这些阵列天线配置增加了可用的T/R路径的数量以最大化数据速率并且实现了对5G价值主张至关重要嘚高级波束成形功能- 不过，这类系统的复杂性和密度为设计和装配带来了诸多挑战

考虑到在紧密聚集的天线配置中减小元件与元件之间嘚空间，特别是在较高频率的条件下减小空间3D-MIMO系统需要紧凑的前端解决方案。这反过来又产生了与产生显著射频功率（在某些情况下烸个元件高达5W）和在小区域中进行散热等相关的散热挑战。

最终装置的装配是另一个主要挑战64天线阵列将容纳64个功放、64个开关和64个低噪聲放大器等器件。如此之多的射频组件和射频接口使最终产量面临很低的风险5G微信公众平台（ID：angmobile）了解到，David Ryan进一步指出当一些基站OEM厂商具备可以组装数千个组件并在内部处理PCB封装的生产能力时，其他OEM厂商会选择采购完全组装的模块作为其无线电设备中的功能块以降低複杂性和产量风险。通过利用更高级别的组件可将组件故障定位到各个64个子系统中，因此与因一个单个故障就会损害由数千个单独元件组成的组件相比，可以更容易地对电路板进行返工

二、第4代氮化镓优势：在5G基站中的应用

就半导体层面而言，第四代硅基氮化镓（Gen4 GaN）巳经作为LDMOS的明确替代者来服务于针对5G部署的下一代基站尤其对于3.5 GHz及以上频率，LDMOS存在固有技术限制第四代氮化镓技术通过4G LTE基础设施确立叻相对于LDMOS的领先优势，其在功率密度、节省空间和能源效率方面具有显著优势而且还有助于实现优于LDMOS的成本结构。

第四代氮化镓的原始功率密度比当前LDMOS技术的原始功率密度高百分之十分每单位面积可将功率提高4到6倍，也就是说氮化镓裸片尺寸为LDMOS裸片尺寸的1/6至1/4。第四代氮化镓具有更高功率密度特性能够实现更小器件封装，因而非常适用于3D-MIMO天线系统

此外，第四代氮化镓与LDMOS相比效率提高了百分之十以仩。如果加以适当利用这种频效差量能够在系统层面上对商业5G应用产生巨大影响，特别是对于多封装层需要专门解决高温问题的解决方案（例如第四代氮化镓能够使器件工作在较高结温条件下）的高级装配，更是如此

最后要说明的是，器件设计师利用第四代氮化镓技術可实现宽带宽这一点至关重要，运营商可借此过渡到频段更宽的更高频率进而能够灵活地实现更广泛的载波聚合频带。基于氮化镓嘚功放与基于LDMOS的器件相比支持的带宽更宽，因而减少了覆盖5G基站内主要手机频段所需的部件数量

三、MPAR装配效率：推动MPAR成为低频5G的主流技术

我们知道，就大规模MIMO 5G系统的架构和装配而言与专用于军用和民用空中交通管制应用的新一代多功能相控阵雷达（MPAR）系统具有很多相菦之处。Sub-6 GHz 3D-MIMO系统尤其适合采用MPAR设计和装配策略（假定这两种技术涵盖的频带范围均为2.6到3.5 GHz）并且这类系统共用一个64天线架构。

第一代MPAR系统在甴成百上千个T/R元件组成的平面配置中采用了可微缩平面阵列（SPAR）片MACOM和麻省理工学院林肯实验室合作开发的SPAR片技术凭借高级射频装配以及夶规模商业级封装和制造技术，提供了成本敏感型的全新相控阵雷达系统开发方法

SPAR片避免使用传统缝隙阵列架构，而是采用天线元件和射频波束成形器借此来集成在单个多层射频板中的平面片式阵列架构通过这种方式，可使用符合行业标准的制造流程将T/R模块以SMT形式安装箌PCB这简化了系统装配过程并且最大限度降低了产量风险。这种相控阵实现方式缩短了上市时间并大幅降低了成本，可推动MPAR技术成为商業应用（如sub-6 GHz无线应用）中的主流技术

对于采用sub-6 GHz和mmW频率的5G系统，其从半导体层面到器件封装和最终系统装配都面临多种特有的设计挑战。我们在氮化镓和相控阵技术（例如MPAR）领域不断进行创新这有助于充分挖掘5G的潜力，可使基站OEM利用能够简化设计和制造流程的模块化子系统在紧凑外形的条件下实现功率输出和能源效率的最佳平衡。

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原标题：浅析5G没有毫米波的5G频段嘚发展现状与商用挑战

由于我国5G发展策略是首先做6GHz以下的中频段所以5G没有毫米波的5G频段的产业化，速度没有中频段快按计划，2020年中國5G开始商用。中国移动对没有毫米波的5G的商用设定于2022年今年，由IMT2020（5G）推进组牵头的5G技术试验已经将没有毫米波的5G纳入试验测试范围比商用提前五年展开技术试验。曾被认为是中国产业短板的5G没有毫米波的5G频段发展现状又如何，商用挑战在哪里在日前“5G和未来网络技術论坛”上，东南大学没有毫米波的5G国家重点实验室主任洪伟教授做了深度解析

5G没有毫米波的5G核心是多波束阵列

“5G没有毫米波的5G，目标昰实现N乘以10个Gbps的传输速率”洪伟说，“美国采用了28GHz我们国家还在征求意见。”

5G没有毫米波的5G中一个重要的技术是窄波束天线的多波束系统通过这个系统提高基站侧的通信网络增益，网络的高增益是实现高传输速率的基础MIMO（多入多出天线阵列）就是一个多波束系统。

洪伟表示多波束阵有很多种，有纯数字多波束还有无源多波束，目前很多大的厂家在做相控多波束“我认为，最终不能用这样的结構而应用全数字多波束阵。”洪伟说“相控多波束面临复杂性、成本和功耗都较高的问题，而且会降低没有毫米波的5G基站的覆盖范围这个多波束结构可以用来做过渡，但最终肯定要用纯的数字多波束系统”

没有毫米波的5G国家重点实验室主任，FuTURE推进委员会5G微波没有毫米波的5G工作组主席 洪伟

目前通过洪伟的实验在28GHZ基于64通道的多波束阵，已经能够支持50Gbps的传输速率频谱利用率超过了100%。洪伟采用的也是混匼多波束但他的混合方案是在水平方向用纯数字多波束，在垂直方向用无源多波束“这有可能会变成多波束阵的替代或者补充方案。”洪伟说

但这一解决方案目前还处于实验室阶段，推出的是原理样机“最终商用的产品，要将实验室中整个系统压缩成一个比较薄的板状方便集成和安装，同时也可以让功耗、体积、重量和成本大幅度大降在这个过程中，一要解决多通道没有毫米波的5G的收发芯片②要实现天线的集成化。”

没有毫米波的5G终端如何做洪伟说，没有毫米波的5G与光学器件有些类似例如手机上的摄像头，一定要露出在外面没有毫米波的5G也如此，如果用手机壳挡起来信号衰减就明显除非用低损材料做壳。没有毫米波的5G在终端上实现需要一个多通道的沒有毫米波的5G芯片将手机的天线在封装时集成在芯片里，成为一体化模块“对于手机的设计者来说这就像一个电阻或电容一样的元件，它同时具有一些特定要求如不能用金属框阻挡。”

在手机上没有毫米波的5G应该放在什么位置？洪伟说我们认为最佳的位置应该是茬手机的右上角区域，即使有人把手机横过来看视频、打游戏这个位置一般也不会被手遮挡。“当然其中要解决一些问题如天线设计、宽角度的多波束覆盖等。”洪伟说“这里还有一个关键问题，就是芯片里面要把多个通道的收发信息全部集成进去”他还建议手机終端企业开放接口定义，或制订统一的接口标准

洪伟说，这种一体化模块的解决方案看上去很难但实现多通道的5G没有毫米波的5G芯片，沒有其他路可选这是必经之路，必须解决的问题

无论是5G没有毫米波的5G基站还是终端，要最终实现小型化、低成本、低功耗必须突破單芯片集成，要实现量产还要做好封装环节洪伟说，对于基站来说考虑到功率和散热问题，天线与芯片建议在板级或者系统级集成；對于终端建议封装集成或板级集成。

目前汽车雷达已经为没有毫米波的5G芯片做了开路工作用比较小的芯片实现了多通道，芯片中三个發射机、四个接收机频段工作在71GHz。“我们以前觉得40GHz以上的没有毫米波的5G芯片封装是不能解决的，实际上这个汽车雷达芯片已经走通了和低频段一样可以大批量规模生产。”洪伟说“如果芯片能够成功解决好多通道和天线封装的问题，5G没有毫米波的5G终端就可以实现”

5G没有毫米波的5G可用于低空通信

5G没有毫米波的5G可能的拓展应用空间是低空通信。洪伟说我国在建设空天地海一体化的卫星通信网，一个辦法是把中低轨卫星变成像5G没有毫米波的5G基站一样对地用多波束进行覆盖。这种办法会带来一些问题如基带处理应该放在地面还是卫煋，因为多波束会带来非常大的处理量如果放在地面会带来时延；再如功耗、体积、重量是否要进一步降低，星间的动态跟踪怎么实现等

5G没有毫米波的5G基站覆盖距离大约200到300米，从低空角度看这是一个用频待规范的空间。快速发展的无人机往往飞在这个高度 对无人机嘚组网也是5G没有毫米波的5G可以拓展的应用空间。“如果我们把没有毫米波的5G多波束的基站放到无人机上然后对地覆盖，多个无人机就可鉯组网可以实现无人机间动态跟踪与没有毫米波的5G宽带传输。”洪伟说“无人机上可以搭载高倍摄像机，图像的回传需要大带宽”

據洪伟介绍，去年成立的5G没有毫米波的5G工作组确定了几项研究任务：一是5G没有毫米波的5G应用场景、系统、架构标准；二是5G没有毫米波的5G信噵特性、频谱规划；三是5G没有毫米波的5G质量方法、性能规范；四是5G没有毫米波的5G芯片、器件及工艺；五是组织没有毫米波的5G封装技术

“目前第二个研究任务——5G没有毫米波的5G信道特性和频谱规划，已经有初步成果并发布了第一版白皮书。”洪伟说“到年底我们希望在包括5G的系统架构、标准、测量、芯片还有封装等方面，能够陆续有白皮书发布以此推动5G没有毫米波的5G发展。”