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5G进展:标准的形成与部署的加速
录入时间:2018/8/7 9:11:39

5G进展:标准的形成与部署的加速

5G Update: Standards Emerge, Accelerating 5G Deployment

Pasternack,美国加州Irvine市

最近,在普罗大众的一片喧嚣及相关企业的吵吵嚷嚷中,5G技术和标准已形成为一套真正的标准并已进入发展的快车道。当5G构想首次公诸于众时,很多人觉得其中所列的性能目标简直是痴人说梦。然而,相关企业在此之后以几乎出乎所有人预料的速度开始制定并开发具有真正5G无线电及网络平台的5G技术为目的的各项计划,而且国际社会在5G标准上的合作也以迅猛的速度展开。如果这种进展的方向在于满足上述5G性能目标的话,那么制造商必须马上在时间安排和供应链方面快马加鞭,以满足高竞争力5G新硬件和系统的需求。

即将到来的5G解决方案将在世界范围内催生出巨大的消费者、商业及政府市场,争夺这一市场的竞争已拉开序幕,其激烈程度足以匹敌历史上俄罗斯与美国之间的太空竞赛,唯一的不同点在于此次的主角已从这两个超级大国换成了为数众多的国际公司及国家。此外,真正的5G解决方案还需要多个层次的国家和国际法规。国际电信公司和制造商巨头在竞相展示其5G能力和功能的同时,还在为切实可行的毫米波无线电接入单元和无线电接入网络(RAN)技术预先铺路。随着频谱、无线电及网络标准的提前贯彻落实,5G的先导技术方面(主要为发展至比移动宽带具有更多的垂直服务和网络切片)正获得越来越多的关注和投资。

早期5G功能及用途

虽然人们预计5G在未来可具有各种各样的功能并应用于各行各业,但在起始部署阶段,5G可能仅用于满足1所示若干独特用途的需求,即增强型移动宽带(eMBB)、超可靠低延迟通信(URLLC)及海量物联网(mIoT)或海量机器通信(mMTC)。这些应用不但能为用户设备(UE)提供更高的吞吐量和性能,而且还能实现支持海量新型物联网应用或工业4.0应用的移动网络。令人感兴趣的是,这些早期5G功能在2020年以前将可能采用6GHz以下频率(当前蜂窝频段、≤1GHz、3.5GHz、3.7~4.2GHz及其各种组合;不同国家采用不同组合),从而为车载和广播市场、基础设施、尤其移动领域提供了机会。

15G的主要用途。来源:Werner Mohr5G Infrastructure Association

早期5G要素及影响因素

5G标准的主要机构和组织与以往各代移动无线标准的机构和组织一致,即第三代合作伙伴计划(3GPP)、全球移动通信系统(GSM)协会(GSMA)、国际电信联盟(ITU)及各国的频谱管理机构。重要的是,行业龙头公司对这些组织关注的事情和标准制定起到推动作用,而且下一代移动网络联盟(NGMN)及电信管理论坛(TM Forum)等其他行业联盟也常常对5G标准和规范的发展建言献策。

鉴于5G服务的竞争预计将愈演愈烈,而且当前存在着对降低数据服务成本的需求,因此人们普遍迫切希望加快5G的开发。在众多公司及国家积极地宣布其5G部署规划的影响下,上述行业及国际联盟从始至终一直在快马加鞭地进行着规范、标准及频谱分配的相关工作。

以Verizon公司的5G技术论坛(V5GTF)为例,为了加速5G技术的发展,感受到加快5G商业化压力的公司们甚至开始创建新的论坛。运营商主导的推进5G开发的另外一例为xRAN论坛和C-RAN联盟的合并,其关注点在于RAN技术从硬件定义向虚拟化和软件驱动的进化。除此之外,移动领域之外的其他市场领域的行业论坛也正在孕育成形,以加快5G技术的采用和标准化。例如,5G汽车协会建议汽车公司与电信公司开展此方面的合作。

各合作组织之所以采取这种“快节奏”的某些原因可能在于,有些公司和国家为了满足竞争真正开始之前的早期应用需求,目前正在开发属于其自身的区域标准。例如,一些公司(即美国电话电报公司(AT&T)和Verizon公司)已经声称,其将在2018年为特定城市提供5G服务。这些5G服务不一定满足所有的3GPP 5G规范,但可能会提供优于当前4G服务的吞吐量,并且易于升级至最终的5G规格(很可能通过软件升级)。由于目前无论是在6GHz以下,还是在毫米波频率下,都不存在具有5G功能的手机,因此这些公司很可能转而通过热点或固定无线接入(FWA)服务实现上述目标1-2。虽然目前尚不存在5G用户设备,但是5G基站和终端设备已经问世:华为公司日前已宣布了其5G端到端解决方案3,这些方案运行于3GHz、C频段及毫米波,采用大规模MIMO技术,并且据称完全满足3GPP 5G标准。据报道,在与加拿大Telus公司合作的一场演示当中,采用华为设备的5G无线家庭服务试验实现了2Gbps的单用户下载速度4

然而,由于移动无线之外的市场领域缺乏标准化的基础设施,因此车载和工业应用的5G标准化和规范所花费的时间可能比预期要长。这在某种程度上可以解释电信服务提供商为何格外关注5G技术在广播和家庭互联网服务市场的应用。采用6GHz以下及毫米波的5G固定无线接入技术无需安装昂贵的光纤便可向家庭提供上千兆的网速,而且甚至可能从有线电视和家庭电话服务巨头的碗中分去一杯羹。

5G标准及规范

GSM协会在其最近的一篇题为《移动经济》的报告中指出,到2025年,全球三分之二的移动连接将使用4G和5G服务,其中,4G服务将占全球连接的一半以上,5G服务的占比约为14%。5这一预测结果毫不令人意外,标准及规范组织已在需求的推动下加快进度,而且市场压力正使得5G无线电规范以比预期更快的速度贯彻落实6。然而,目前发布的“5G先导”规范并非最终的5G规格和标准,而是从4G规范演化的可与未来5G规范兼容的过渡版本。

最新的3GPP规范定义了非独立5G新无线电(NSA 5G NR)技术7,该技术要求采用LTE锚点及5G NR蜂窝。其中,LTE锚点提供控制面和控制面通信功能,而5G NR蜂窝可提供更大的数据容量。该NSA 5G NR规范目前仅覆盖450~6000MHz的频率范围1(FR1),其中的频段由3GPP规范文档38101-1中的表5.2-1指定8,并在2018年6月发布第15版时被修改。FR1 NR频段的最大带宽为100MHz,其中,仅n41、n50、n77、n78及n79可用。这些频段也被指定为时分双工(TDD)频段,其所用的载波聚合(CA)技术应该支持100MHz以上的功能带宽。

上述最新3GPP规范还描述了各种可选的新RAN架构,该新架构围绕控制面和用户面分离的网络虚拟化方针构建。这些架构称为网络功能虚拟化(NFV)及软件定义网络(SDN),旨在实现未来的网络灵活性和满足各种应用。这种方式的目的在于,在继续提供更强的移动通信功能的同时,增加多样化的服务,从而实现独立的网络切片9

未来的5G“云RAN”功能(见2)旨在以同一物理基础设施或核心网络支持多种RAN、多种标准及多家运营商。此类RAN具有很强的适应性,允许各种应用和行业使用同一硬件、网络设备及物理基础设施,从而为未来的各种机会铺平道路。3GPP将为一揽子设备提供服务级别协议功能的系统称为“网络切片系统”。

2新的虚拟化云无线电接入网络架构将使得运营商能够为多种5G设想用途提供服务。来源:华为公司。

未来的5G标准由2018年6月(见3)成稿的完整的3GPP第15版(或称5G Phase 1)规定。此外,3GPP将在2019年年底之前完成第15版的更新,并在2019年12月对第16版(或称5G Phase 2)做出更加清晰的构想。目前,关于5G部署如何开展,以及移动无线之外的何种行业将采用5G功能,还没有太多的信息。虽然人们已经开展了相关的试验并开发出早期5G网络及无线电接入硬件,但目前仍然没有任何5G用户设备问世,运营商对于5G实际上没有任何经验,而且其对5G的理解及期许也非常有限。此外,毫米波硬件还未得到广泛使用,在没有这方面宝贵经验的情况下,要想贯彻落实5G毫米波规范,将是一项不切实际的任务。根据IMT-2020计划的时间规划,ITU直至2019年世界无线电通信大会(WRC-2019)时,才会指定5G毫米波频率。

33GPP5G规范时间进度计划。来源:3GPP

虽然5G Phase 1目前仍基于正交频分复用(OFDM)波形,但是OFDM波形最终可能会被现存的各种候选波形取代。具体而言,5G Phase 1的下行链路采用循环前缀OFDM(CP-OFDM)波形,而其上行链路同时采用CP-OFDM波形和基于离散傅立叶变换扩展OFDM的波形。5G Phase 1可实现灵活的子载波间隔,其中,子载波的扩展范围为15kHz×2n~240kHz,载波带宽为400MHz。此外,最大的载波组合为两个上行链路载波及四个下行链路载波,其可得到200MHz的上行链路带宽及400MHz的下行链路带宽。

现有5G硬件

在过去数年中,形形色色的电信公司和硬件/平台制造商在5G领域展开了一场群雄逐鹿之战。已演示过的早期成果包括毫米波吞吐量、大规模MIMO、载波聚合及各种软硬件。很多最新的5G试验和演示产品所涉及的技术更加追求与3GPP第15版的一致性,以便能够通过软件进行更新,以满足最终的5G Phase 1规范以及将来的更新版本。

因此,许多最近发布及推出的5G调制解调器和收发器都可通过软件进行更新,并可提供能够在当前不可用的毫米波频率上实现更高带宽可用性的吞吐量处理功能。为了能够大大超前于最终规范,很多业界领先的硬件制造商和电信公司在2019之前仍将努力地利用NSA 5G NR及可修改至满足最终规范的技术推进5G试验和部署10。鉴于5G商业化竞争的内涵以及未来5G规范有可能根据早期试验和部署的成果做出相应调整,可编程性和灵活性对于5G无线电和核心网络的软硬件至关重要。

5G硬件的另外一个考虑在于,不仅需要具备后向兼容性,还需要具备与4G LTE和5G系统的双连接性。与以往各代移动无线最终融入最新规格的方式类似,当前的4G LTE部署极有可能将最终合并至未来的5G规范中。要想实现对双连接性、向后兼容性及未来5G规范的支持,必须使用不但可根据预设场景,还能根据实际环境进行资源分配的高适应性射频硬件11-12

由于5G毫米波频谱和无线电硬件尚未最终确定,而且目前仍然正在进行大量的毫米波频率移动性试验,因此第一轮的5G毫米波技术将势必提供固定无线接入(FWA)。该技术可最大限度地减少完整5G解决方案的许多难题,例如与非视距相关的毫米波移动性问题以及移动用户设备的天线波束跟踪问题。然而,与用户设备调制解调器和收发器芯片相比,固定无线接入5G调制解调器及收发器芯片存在尺寸更大,功耗更大且成本更高的问题。

现有5G调制解调器一般采用集成5G收发器,其主要制造商为三星、高通、英特尔、华为等公司。据报道,这些早期5G芯片组当中的一部分可实现2Gbps的数据速率,而且其毫米波收发器可在28GHz工作。此外,其常见功能包括以各种波束赋形技术实现的NSA 5G NR兼容性、天线切换、3D频率规划工具以及虚拟化RAN13-14

目前,设备和网络硬件制造商正会同相关电信服务提供商及测试测量设备制造商一道开展模拟用户设备的5G NR试验。三星与美国国家仪器公司,以及大唐移动与是德科技在2018年世界移动通信大会上演示了将来可能采用的商用5G基站硬件及5G用户设备仿真系统15-16。5G用户设备芯片组有可能在2019年上市,但是目前仍不清楚这些用户设备是采用毫米波技术,还是仅采用6GHz以下5G FR1频率。

最新的市售5G硬件解决方案一般为针对新的NSA 5G NR频率设计的射频前端(RFFE)模块,该模块可与其他射频前端硬件一同实现完整的解决方案。这些射频前端器件包括功率放大器(PA)、低噪声放大器(LNA)、开关及滤波器,并与4G射频前端器件有所不同。由于针对5G硬件的高输出功率(天线处为26dBm)Power Class 2规范已制定,因此5G功率放大器将比4G功率放大器具有更高功率,以解决高频下大气及普通建筑材料内传播损耗更大的问题。

对于100MHz的5G发射带宽,目前最高仅支持40MHz带宽的包络跟踪等技术可能无法使用,早期5G系统更可能采用平均功率跟踪等效率较低的技术。此类早期5G射频前端模块很可能为宽带模块,因此可能还需要能同时用于新的6GHz以下5G频段及仍需使用的传统4G频段的额外滤波器件。此类多频段滤波器目前通过将表面声波(SAW)、体声波(BAW)及薄膜体声波谐振器(FBAR)滤波器与集成模块进行更加复杂的组合的方式实现。

射频硬件及测试系统

由于NSA 5G NR中纳入了新的6GHz以下频段,因此需要新的射频硬件支持这些以前从未用于移动无线的新频率,尤其是n77、n78及n79。虽然NSA 5G NR中尚未确定,但5G将最终支持600MHz以下频段,并将其用于物联网、工业4.0/工业物联网及其他机器类通信等海量低功率连接。额外的子载波信道间隔、带宽、载波聚合及4×4 MIMO规范与相应的NSA 5G NR调制解调器和射频收发器一同导致对滤波器、天线、低噪声放大器、功率放大器以及天线的大量需求。

早期的5G调制解调器和收发器由于可运行于选定频段,因此并不一定需要克服上述难题,但是增强型移动宽带和未来的工业及车载应用要求前向和后向兼容性。这意味着5G射频硬件不但需要服务所有的现有移动频段,还需要服务5G FR1及5G毫米波FR2频率(见4)。这一硬件要求是一项巨大的挑战,这是因为:一方面,为了满足吞吐量规范,必须采用双连接性;而另一方面,用于现有蜂窝频率的很多硬件会对NSA 5G NR频段造成干扰。除此之外,新的NSA 5G NR频段还具有位于Wi-Fi、蓝牙及其他无线设备所运行的免授权ISM频段附近的问题。

4部署之后,运行于6GHz以下频率及毫米波频率的独立5G服务将与图中的各种服务共存。

在如此密集分布的频带及极宽带无线电之下,可能发生滤波、功率放大器线性度及谐波抑制不足和接收机灵敏度下降,从而导致性能受损。此外,为了实现最大吞吐量,新的NSA 5G NR发射机可能会以更高的输出功率及更高的峰均功率比运行,从而给位于同一基站内的5G接收机或附近的5G设备造成影响。

目前,用户设备内的射频硬件(尤其是天线)尺寸已经非常小,但是5G规范可能要求下行链路采用4×4的MIMO,而且上行链路采用2×2的MIMO,即6条独立的射频路径。为了实现在较宽带宽内提高天线的辐射效率,5G天线调谐技术将变得非常重要。此外,由于NSA 5G NR支持以具有更多可选载波聚合组合(第15版中多达600中新的组合)的单载波实现的100MHz带宽,因此上述射频路径的宽度必须远宽于4G LTE路径的宽度。由于NSA 5G NR还允许200MHz的组合上行链路带宽及400MHz的组合下行链路带宽,因此数据处理量极大,从而给节能型用户设备及基站带来了挑战。

通过利用片上系统(SoC)技术将滤波器组、高密度开关、天线调谐功能、低噪声放大器及功率放大器集成于射频前端,用户设备射频硬件的集成度有可能获得进一步的提升。5G用户设备天线也能采用集成解决方案,这些方案可能将天线调谐功能及一些预滤波和波束赋形构件纳入其中。这种集成度还有助于实现成本目标,从而确保手机具有实惠的价格并满足形状参数要求17-19。随着5G的复杂性越来越高,以及当今对高密度射频解决方案的需求越来越多,无怪乎许多用户设备制造商为了更快的开发和部署而着迷于5G调制解调器–天线解决方案。

很多现有4G用户设备及基站采用LDMOS、GaAs及SiGe功率放大器,而GaN功率放大器于最近进入基站功率放大器市场。随着频率扩展至6GHz以下,最大工作频率为3GHz的LDMOS不太可能满足5G规范的要求,与此相对,GaN功率放大器(也可能是低噪声放大器)则可有能用于5G基础设施。在6GHz以下5G应用的放大和切换功能方面,GaAs和SiGe这两种放大器将形成竞争关系。为了实现比现有毫米波功率放大器、低噪声放大器及开关解决方案更低的成本及更小的尺寸,5G毫米波应用有可能会采用高集成度射频绝缘体上硅(SOI)技术。将来的射频前端可能通过由射频SOI技术、SiGe BiCMOS技术或射频CMOS片上系统技术集成的功率放大器、低噪声放大器、开关及控制功能对毫米波相控阵波束赋形天线系统进行控制(见5)。未来的射频硅技术有可能进一步与其他技术集成或结合,以纳入混合波束赋形模块所需的滤波和数字硬件。射频SOI技术或射频CMOS技术的未来发展形式甚至有可能与FPGA、存储器及处理器等更加先进的数字硬件相集成。此外,基带处理及附带的DSP功能也可能集成为封装体,以实现5G毫米波解决方案的小型化。

55G FDD波束赋形模块架构。来源:arXiv:1704.02540v3 [cs.IT].

由于频率路由和滤波功能对于5G载波聚合及与以往各代移动技术的后向兼容至关重要,因此集成SAW、BAW、FBAR以及其他集成谐振器和滤波器技术对于用户设备、甚至小型Small Cell甚为重要。鉴于潜在的干扰和设计复杂性,用户设备5G模块也可能包含Wi-Fi和蓝牙模块,然而这将进一步增大滤波和频率路由的复杂性。除此之外,由于射频SOI技术最近发展至可实现滤波器和放大器的共同集成,因此5G射频前端还可能会采用射频SOI等可实现集成的技术。虽然SOI滤波器在6GHz以下5G用途中的应用可能还需要若干年的时间,但是对于毫米波系统而言,SOI技术所实现的放大器和开关集成是一项非常具有吸引力的进展,因此其在毫米波系统中的应用可能指日可待。

结论

5G规范的快速发展以及移动无线制造商和服务提供商争先恐后地开展5G试验及部署的现象导致早期5G演示及5G过渡规范的大量涌现。在刚刚过去的数个月中,调制解调器、收发器及射频硬件制造商持续不断地推出符合3GPP标准的5G解决方案,这些方案必须仰赖高度的集成和软件的可重新编程性才能满足当前需求并实现未来适用性。这种深度集成和即将到来的5G部署要求测量测试系统具有高度的灵活性,以随时适应不断变化的标准以及早期试验中汲取的经验教训20。为了避免在5G试验和部署中落于人后,能否获得5G配件及互连技术,尤其是28GHz及其他毫米波部件和器件,是至关重要的。

参考文献

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3.      “Huawei Launches Full Range of 5G End-to-End Product Solutions,” Huawei, February 2018, www.huawei.com/en/press-events/news/2018/2/Huawei-Launches-Full-Range-of-5G-End-to-End-Product-Solutions.

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6.      ”Video — NR First Specs & 5G System Progress,” 3GPP, January 2018, www.3gpp.org/news-events/3gpp-news/1934-nr_verticals.

7.      “3GPP Specification Series,” 3GPPwww.3gpp.org/DynaReport/38-series.htm.

8.      “Specification #: 38.101-1,” 3GPPhttps://portal.3gpp.org/desktopmodules/Specifications/SpecificationDetails.aspx?specificationId=3283.

9.      “Video Interview — On 5G Core Stage 3 Work,” 3GPP, January 2018, www.3gpp.org/news-events/3gpp-news/1940-ct_5g.

10.    “Global Mobile Industry Leaders Commit to Accelerate 5G NR for Large-Scale Trials and Deployments,” Qualcomm, February 2017, www.qualcomm.com/news/releases/2017/02/25/global-mobile-industry-leaders-commit-accelerate-5g-nr-large-scale-trials.

11.    B. Thomas, “Is Your Handset RF Ready for 5G?,” Qorvo, February 2018, www.qorvo.com/resources/d/is-your-handset-ready-for-5G-qorvo-white-paper.

12.    “Making 5G NR a Commercial Reality; A Unified, More Capable 5G Interface,” Qualcomm, December 2017, www.qualcomm.com/documents/accelerating-5g-new-radio-nr-enhanced-mobile-broadband-and-beyond.

13.    “Samsung Unveils the World’s First 5G FWA Commercial Solutions at MWC 2018,” Samsung, February 2018, https://news.samsung.com/global/samsung-unveils-the-worlds-first-5g-fwa-commercial-solutions-at-mwc-2018.

14.    “Intel Introduces Portfolio of Commercial 5G New Radio Modems, Extends LTE Roadmap with Intel XMM 7660 Modem,” Intel, November 2017, https://newsroom.intel.com/news/intel-introduces-portfolio-new-commercial-5g-new-radio-modem-family/.

15.    “NI and Samsung Collaborate on 5G New Radio Interoperability Device Testing for 28 GHz,” National Instruments, February 2018, www.ni.com/newsroom/release/ni-and-samsung-collaborate-on-5g-new-radio-interoperability-device-testing-for-28-ghz/en/.

16.    “Keysight Technologies, DatangMobile Demonstrate 5G-New Radio Solutions at Mobile World Congress 2018,” Keysight Technologies, February 2018, https://about.keysight.com/en/newsroom/pr/2018/27feb-nr18025.shtml.

17.    Y. Huo, X. Dong and W. Xu, “5G Cellular User Equipment: From Theory to Practical Hardware Design,” IEEE Access, Vol. 5, July 2017, pp. 13992-14010.

18.    “Qorvo® and National Instruments Demonstrate First 5G RF Front-End Module,” Qorvo, February 2018, www.qorvo.com/newsroom/news/2018/qorvo-and-national-instruments-demonstrate-first-5g-rf-front-end-module.

19.     P. Moorhead, “Qualcomm Raises Wireless Stakes With Full 5G Modules and More RF Offerings,” Forbes, February 2018, www.forbes.com/sites/patrickmoorhead/2018/02/27/qualcomm-raises-wireless-stakes-with-full-5g-modules-and-more-rf-offerings/#d192567ae9f2.

20.     “Frost & Sullivan Spots Five Areas in Radio Frequency Test & Measurement that Will Create Over $30 Billion in New Revenues by 2023,” Frost & Sullivan, February 2018, ww2.frost.com/news/press-releases/frost-sullivan-spots-five-areas-radio-frequency-test-measurement-will-create-over-30-billion-new-revenues-2023/


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