5G面臨著技術(shù)難題

當(dāng)今，隨著我國(guó)綜合國(guó)力的不斷增強(qiáng)和我國(guó)經(jīng)濟(jì)、科技水平的快速提升，我國(guó)在5G領(lǐng)域取得了很大的發(fā)展。5G給我國(guó)的制造業(yè)發(fā)展帶來了巨大的機(jī)遇，但同時(shí)也存在著一些技術(shù)難題。

一、5G概述：

第五代移動(dòng)通信技術(shù)，簡(jiǎn)稱5G，是最新一代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，繼4G、3G和2G系統(tǒng)后的延伸。在這種網(wǎng)絡(luò)中，供應(yīng)商覆蓋的服務(wù)區(qū)域被劃分為許多被稱為蜂窩的小地理區(qū)域。本地天線通過高帶寬光纖或無線回程連接與電話網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)連接。與現(xiàn)有的手機(jī)一樣，當(dāng)用戶從一個(gè)蜂窩穿越到另一個(gè)蜂窩時(shí)，他們的移動(dòng)設(shè)備將自動(dòng)“切換”到新蜂窩中的天線。

從技術(shù)層面上看，5G技術(shù)通過大規(guī)模天線、邊緣計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化等一系列硬件和軟件技術(shù)創(chuàng)新，各項(xiàng)性能指標(biāo)都比4G有大幅提升，具備“超可靠、低時(shí)延、廣覆蓋、大連接”等特點(diǎn);從業(yè)務(wù)體系看，5G將全面向互聯(lián)網(wǎng)化發(fā)展，從過去的封閉性、專用性變?yōu)閺?qiáng)調(diào)開放性與通用性;從應(yīng)用場(chǎng)景看，前四代技術(shù)主要是面向個(gè)人通信，5G將擴(kuò)展到產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智慧城市應(yīng)用。

二、5G產(chǎn)業(yè)鏈

2020年3月，工信部表示，今年5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)將加速又加量，預(yù)計(jì)三大運(yùn)營(yíng)商今年年底前將開通60萬5G基站。從5G基站的建設(shè)需求來看，5G將會(huì)采取“宏站+小站”組網(wǎng)覆蓋的模式。根據(jù)賽迪顧問發(fā)布的《2018年中國(guó)5G產(chǎn)業(yè)與應(yīng)用發(fā)展白皮書》，預(yù)計(jì)5G宏站增量將達(dá)到360-500萬個(gè)，小基站數(shù)量將達(dá)到720-1000萬個(gè)，合計(jì)基站總數(shù)量將是4G基站的3.3-4.6倍，將會(huì)帶來一輪原有基站改造和新基站建設(shè)熱潮。

5G基站主要分類

從5G基站產(chǎn)業(yè)鏈來看，上游基站主設(shè)備包括了基站天線、基站射頻、基站光模塊和小微基站;基站射頻器件包含濾波器、功放、PCB、集成功率放大器(PA)和天線振子;傳輸設(shè)備包括光纖光纜、光模塊、有源/無源/半有源波分以及SDN/NFV解決方案。中游通信運(yùn)營(yíng)商負(fù)責(zé)基站維護(hù)以及收取使用費(fèi)用等;下游應(yīng)用包括終端設(shè)備及應(yīng)用廠商，涉及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、智能裝備、手機(jī)/移動(dòng)終端等。

在5G基站主設(shè)備中，印刷電路板(Printed Circuit Board，簡(jiǎn)稱PCB)作為最基礎(chǔ)的連接裝置將被廣泛使用。PCB是指在基材上按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的形成點(diǎn)之間連接和印刷元件的基板。PCB的功能是讓電子元器件按照預(yù)定電路連接(就是關(guān)鍵互連件)。首先5G基站的天線陣子需要使用PCB作為連接;其次5G基站的濾波器等元器件將大幅增加，需要使用一塊單獨(dú)的PCB來連接這些元器件;最后5G基站的CU/DU等部分也需要使用PCB.5G 建設(shè)初期，對(duì)于PCB 的需求增量直接體現(xiàn)在無線網(wǎng)和傳輸網(wǎng)上，對(duì)PCB 背板、高頻板、高速多層板的需求較大。

5G產(chǎn)業(yè)鏈的下游應(yīng)用場(chǎng)景主要包含增強(qiáng)移動(dòng)寬帶 eMBB、大連接物聯(lián)網(wǎng) mMTC、超高可靠超低時(shí)延通信uRLLC。我國(guó)IMT-2020(5G)推進(jìn)小組發(fā)布的《5G概念白皮書》中也明確了四大應(yīng)用場(chǎng)景：連續(xù)廣域覆蓋、熱點(diǎn)高容量、低功耗大連接、低時(shí)延高可靠。

在消費(fèi)領(lǐng)域，5G應(yīng)用場(chǎng)景有遠(yuǎn)程醫(yī)療、自動(dòng)駕駛、無人機(jī)高清航拍、實(shí)時(shí)直播、多人影像投射同步在線、智慧零售等，這些都是在4G時(shí)代的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步改善使用體驗(yàn)，并沒有帶來顛覆性的變化。更多的是通過新技術(shù)新概念帶動(dòng)消費(fèi)升級(jí)，促進(jìn)了4G智能手機(jī)等消費(fèi)電子的更新?lián)Q代，5G智能手機(jī)上下游產(chǎn)業(yè)鏈迎來發(fā)展新機(jī)遇，如上游的攝像頭光學(xué)、功率半導(dǎo)體、PCB板等。

在工業(yè)領(lǐng)域，5G基本能滿足工業(yè)自動(dòng)化中對(duì)無線通信低延遲、高可靠性、低成本的要求，適用于AGV控制、視覺信號(hào)傳遞、柔性生產(chǎn)線等大部分應(yīng)用場(chǎng)景。我國(guó)現(xiàn)在工業(yè)分類中有39個(gè)工業(yè)大類，具備大而全的完整工業(yè)體系，不同工業(yè)門類對(duì)5G需求也各不相同，更多應(yīng)用場(chǎng)景還在探索當(dāng)中。

5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的融合發(fā)展，被認(rèn)為是我國(guó)把握第四次工業(yè)革命歷史機(jī)遇，在全球新一輪科技產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)先機(jī)的重要一環(huán)。我國(guó)“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”已經(jīng)在工業(yè)制造、能源電網(wǎng)、智慧港口等領(lǐng)域開啟了探索之路，應(yīng)用已逐漸由巡檢、監(jiān)控等外圍環(huán)節(jié)向生產(chǎn)控制、質(zhì)量檢測(cè)等生產(chǎn)內(nèi)部環(huán)節(jié)延伸。

在5G產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，處于關(guān)鍵位置的產(chǎn)品主要有通信設(shè)備、電子電路、半導(dǎo)體芯片、電子制造、電路元件、電線電纜、電子元件、傳感器等產(chǎn)品。在5G產(chǎn)業(yè)的布局中，圍繞這些重點(diǎn)關(guān)鍵性產(chǎn)品進(jìn)行布局，能夠較好地支撐起5G產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)，形成產(chǎn)業(yè)集群，從而推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

三、5G面臨的技術(shù)難題

5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)面臨著很多挑戰(zhàn)，中國(guó)工程院院士鄔賀銓曾感嘆：“5G標(biāo)準(zhǔn)很理想，但網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)實(shí)很骨感?！庇绕涫窃诠I(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，5G還有很長(zhǎng)的一段路要走。

5G具有具備高網(wǎng)速(最快可達(dá)每秒 10G 數(shù)據(jù)傳輸)、大帶寬(滿足海量設(shè)備接入)、低延時(shí)(空口對(duì)空口小于 1ms 時(shí)延，同步精度達(dá)到 100ns，抖動(dòng)小于 100ns)、高可靠(穩(wěn)定性可達(dá)到 99.999%)、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，但這些優(yōu)點(diǎn)并不能全部同時(shí)發(fā)揮作用。這些性能指標(biāo)之間常常存在著一定程度的此消彼長(zhǎng)、相互權(quán)衡的關(guān)系，一個(gè)維度性能的優(yōu)化往往會(huì)導(dǎo)致另一個(gè)維度性能的退化。因此只能通過切片技術(shù)來實(shí)現(xiàn)選擇保留一部分、犧牲一部分，以合理權(quán)衡與協(xié)調(diào)各性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)之間的關(guān)系。

通過網(wǎng)絡(luò)切片管理為每一個(gè)業(yè)務(wù)組織形成一個(gè)VPN(虛擬專用網(wǎng)絡(luò))，這是一個(gè)非常好的想法，但實(shí)際上這種全鏈路的VPN很難。把網(wǎng)絡(luò)切片向大客戶開放，由客戶發(fā)現(xiàn)、選擇、生成和管理VPN，給大客戶提供按需實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整的權(quán)利，但VPN并不能實(shí)現(xiàn)跨運(yùn)營(yíng)商?？扇〉霓k法是只是對(duì)時(shí)延、丟包率、可靠性有比較嚴(yán)格的業(yè)務(wù)提供網(wǎng)絡(luò)切片。

目前，滿足R15標(biāo)準(zhǔn)的5G在低時(shí)延這一性能上，無法滿足運(yùn)動(dòng)控制如伺服電機(jī)的要求。5G的1ms時(shí)延是指從端口到相鄰端口的時(shí)間，而不是通常意義上的從控制器到控制器的時(shí)間，如果整個(gè)控制回路全部用5G，那么時(shí)延還要更長(zhǎng)。華為XLab 實(shí)驗(yàn)室與倍福工業(yè)聯(lián)合開發(fā)的測(cè)試平臺(tái)得出結(jié)果表明，采用5G通信實(shí)現(xiàn)從PLC到PLC的數(shù)據(jù)傳輸，時(shí)延是10mS。據(jù)業(yè)內(nèi)人士預(yù)測(cè)，即使是最終版本R17標(biāo)準(zhǔn)，能達(dá)到5mS延遲就算是比較理想的狀態(tài)，而伺服要求時(shí)延控制在2ms以內(nèi)。