5G終端的研發(fā)射頻和功耗等問題仍是現(xiàn)階段的最大挑戰(zhàn)

繼2017年完成大范圍技術(shù)驗(yàn)證以及在產(chǎn)品形態(tài)上實(shí)現(xiàn)從大型驗(yàn)證終端向小型預(yù)商用終端的突破后，5G終端在2018年進(jìn)入了部分無線接入型終端實(shí)現(xiàn)小規(guī)模商用與驗(yàn)證型手機(jī)研發(fā)成功的新階段，5G第一階段標(biāo)準(zhǔn)化完成、多個(gè)廠商終端芯片平臺(tái)發(fā)布及首批5G網(wǎng)絡(luò)商用計(jì)劃發(fā)布等成為5G終端發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。

主要廠商均已發(fā)布5G芯片及終端計(jì)劃

隨著今年6月3GPP批準(zhǔn)5G SA（獨(dú)立組網(wǎng)）功能凍結(jié)，加上2017年12月完成的NSA（非獨(dú)立組網(wǎng)）標(biāo)準(zhǔn)，5G完成了第一階段全功能標(biāo)準(zhǔn)化（R15）工作，這有助于加速包括終端在內(nèi)的5G產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，并為5G真正商用沖刺做準(zhǔn)備。

目前，主要的4G終端芯片平臺(tái)廠商都已發(fā)布5G產(chǎn)品和后續(xù)演進(jìn)規(guī)劃，其中高通率先于2017年10月發(fā)布可支持5G NSA標(biāo)準(zhǔn)的手機(jī)商用芯片X50，X50可同時(shí)支持Sub-6GHz（600-6000MHz）和毫米波（26GHz以上）頻段，隨后華為海思發(fā)布Balong5000，MTK發(fā)布Helio M70，Intel發(fā)布XMM8060，三星發(fā)布Exynos Modem 5100，展訊發(fā)布Roc。展望2019年5G產(chǎn)品也將成為這些廠商的研發(fā)重點(diǎn)。目前，部分廠商產(chǎn)品已支持某些應(yīng)用場(chǎng)景下的小規(guī)模5G終端商用，今年10月AT&T就展示了全球首款可商用的5G終端Netgear Nighthawk移動(dòng)熱點(diǎn)，支持5G NSA標(biāo)準(zhǔn)和28GHz毫米波頻段，并計(jì)劃今年底前在美國(guó)12個(gè)城市投入5G網(wǎng)絡(luò)商用。

國(guó)外部分運(yùn)營(yíng)商公布了2019-2020年首批5G網(wǎng)絡(luò)商用計(jì)劃，其中日本和韓國(guó)主要基于NSA標(biāo)準(zhǔn)，推出毫米波頻段的寬帶無線接入業(yè)務(wù)以及支持3.5GHz頻段為主的手機(jī)業(yè)務(wù)，美國(guó)則以支持毫米波頻段的寬帶無線接入業(yè)務(wù)為主，其中AT&T的5G業(yè)務(wù)基于NSA標(biāo)準(zhǔn)，Verizon的則基于SA標(biāo)準(zhǔn)，T-Mobile的5G計(jì)劃雖然比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手稍晚，但會(huì)一開始就開通基于SA標(biāo)準(zhǔn)和2.6GHz頻段的手機(jī)業(yè)務(wù)。

射頻、功耗等仍是挑戰(zhàn)

本部分將探討現(xiàn)階段影響5G終端發(fā)展的若干關(guān)鍵問題，并對(duì)其未來的發(fā)展作出一定展望?？梢哉f，在目前5G尚未啟動(dòng)規(guī)模商用的情況下，影響5G終端發(fā)展的主要是技術(shù)研發(fā)挑戰(zhàn)，包括射頻前端復(fù)雜、終端功耗大等。

射頻前端研發(fā)挑戰(zhàn)

5G將有更多的頻段資源被投入使用，這增加了射頻前端的芯片需求，同時(shí)Massive MIMO（多進(jìn)多出）、波束成形、CA（載波聚合）、毫米波等關(guān)鍵技術(shù)，也會(huì)對(duì)射頻前端部分的元器件性能、布局設(shè)計(jì)以及成本提出新的、更高的要求。

目前已規(guī)劃出的5G頻段主要在2.6GHz以上，相對(duì)主要在2.6GHz頻道以下的2G/3G/4G頻率更高、衰減更多，需增大射頻套件的輸出功率以支持更好的空間覆蓋，這會(huì)對(duì)射頻廠商的設(shè)計(jì)與射頻器件性能提出更高要求。

5G頻段增多使射頻前端需搭配更多射頻器件，例如一部支持3.5GHz和4.9GHz兩個(gè)頻段的5G多模智能機(jī)，其射頻功放的通路個(gè)數(shù)至少?gòu)默F(xiàn)在的3路增加至5路，如果未來需進(jìn)一步支持毫米波，還要增加到6路或以上，在移動(dòng)終端越來越輕薄的趨勢(shì)下，這會(huì)對(duì)射頻前端的尺寸提出非常高的要求。另外，如果采用MIMO技術(shù)實(shí)現(xiàn)更高速率的信號(hào)傳輸，射頻前端還需要倍數(shù)級(jí)的器件進(jìn)行支持。

由于兼容2G/3G/4G將是5G終端長(zhǎng)期的重要發(fā)展需求，多模多頻段將使5G終端（尤其手機(jī)）內(nèi)部的電磁環(huán)境更為復(fù)雜，包括移動(dòng)通信頻段和WLAN及GPS的共存干擾、手機(jī)其他功能模塊如攝像頭工作時(shí)對(duì)接收頻段的干擾等，對(duì)射頻前端的設(shè)計(jì)都將是不可忽視的挑戰(zhàn)。

此外，增加射頻通路個(gè)數(shù)需要單獨(dú)的硬件進(jìn)行支持，同時(shí)5G要求單載波的帶寬達(dá)到100MHz以上，較4G的20MHz提升了5倍，這對(duì)濾波器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器件提了更高的性能要求，這些都將加大成本壓力。

終端芯片功耗挑戰(zhàn)

除多天線發(fā)射和高發(fā)射功率帶來的功耗增加外，5G上下行的速率大幅提升會(huì)使基帶芯片功耗明顯增加。另外，由于5G商用初期的網(wǎng)絡(luò)覆蓋不足，以及有待持續(xù)優(yōu)化的發(fā)展階段不可逾越，在5G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不佳的情況下，終端（尤其移動(dòng)終端）容易出現(xiàn)不停地自動(dòng)搜索優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，高頻率的斷網(wǎng)和聯(lián)網(wǎng)會(huì)增加終端芯片的運(yùn)行負(fù)荷和功耗。以上這些都將明顯影響到電池容量有限的5G移動(dòng)終端的待機(jī)和續(xù)航能力。

其它終端技術(shù)挑戰(zhàn)

除了射頻前端設(shè)計(jì)與終端芯片功耗外，5G終端研發(fā)還面臨著來自其它終端技術(shù)的挑戰(zhàn)。

首先是5G終端上多協(xié)議共存增加了研發(fā)難度：NSA與SA兩種5G標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議共存的問題，雖然5G終端發(fā)展成熟后主流產(chǎn)品普遍將同時(shí)支持NSA跟SA，但在5G發(fā)展初期，出于降低研發(fā)難度并加快產(chǎn)品上市進(jìn)度的考慮，僅支持NSA或SA需廠商根據(jù)自身研發(fā)實(shí)力、市場(chǎng)需求等作出選擇；多模問題，對(duì)于非純5G運(yùn)營(yíng)商，5G移動(dòng)終端需同時(shí)支持2G/3G/4G多模，以在5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋完善前提升移動(dòng)業(yè)務(wù)的無縫覆蓋體驗(yàn)；雙卡問題，在中國(guó)、印度等市場(chǎng)，雙卡手機(jī)已成為市場(chǎng)主流，5G手機(jī)研發(fā)也需考慮雙卡互操作問題。

其次，移動(dòng)邊緣計(jì)算有望成為5G可帶給消費(fèi)者更好體驗(yàn)的新應(yīng)用，但網(wǎng)絡(luò)邊緣體驗(yàn)提升需5G終端深度參與，這對(duì)5G終端研發(fā)提出了新的研發(fā)要求。而SUL（5G的補(bǔ)充上行鏈路技術(shù)）和CA是提升5G網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)的重要技術(shù)手段，但其價(jià)值實(shí)現(xiàn)需要終端研發(fā)支持并充分優(yōu)化。

預(yù)計(jì)不會(huì)出現(xiàn)瓶頸效應(yīng)

雖然現(xiàn)階段5G終端研發(fā)仍面臨著射頻前端復(fù)雜、終端芯片功耗大等挑戰(zhàn)，但綜合5G商用推進(jìn)及終端產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展等，可預(yù)判5G終端非但不會(huì)產(chǎn)生瓶頸效應(yīng)，而且可較好支持5G商用，其中CPE等5G固定終端有望在2019年底前初步成熟，而支持NSA標(biāo)準(zhǔn)和Sub-6Ghz的5G手機(jī)和便攜型終端將在2020年下半年后開始逐漸進(jìn)入主流消費(fèi)者市場(chǎng)。

與4G發(fā)展初期高通在終端芯片平臺(tái)領(lǐng)域領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)較大不同，5G終端芯片平臺(tái)領(lǐng)域有望從一開始就進(jìn)入多家廠商激烈競(jìng)爭(zhēng)的格局。在4G發(fā)展初期，高通在終端芯片平臺(tái)處于壟斷地位，市場(chǎng)份額較小的廠商GCT和Marvell等后來都相繼退出了市場(chǎng)，目前4G終端芯片平臺(tái)挑戰(zhàn)廠商MTK、海思等則比高通晚了1-2年才推出了自家產(chǎn)品。目前5G已進(jìn)入正式商用前的準(zhǔn)備沖刺階段，雖然高通仍在5G終端芯片平臺(tái)領(lǐng)域保持一定領(lǐng)先，但I(xiàn)ntel、海思、MTK、三星等不僅都發(fā)布了可支持手機(jī)的5G終端芯片，而且與高通的差距已縮小到1年以內(nèi)，市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)將成為避免終端環(huán)節(jié)產(chǎn)生瓶頸效應(yīng)的最有效因素。

從5G終端類型的發(fā)展維度看，CPE等5G固定終端有望率先走向成熟，隨后是僅支持Sub 6GHz頻段和NSA標(biāo)準(zhǔn)的手機(jī)和便攜型終端，最后將是能同時(shí)支持NSA/SA標(biāo)準(zhǔn)以及毫米波頻段的手機(jī)和小型可穿戴終端發(fā)展成熟。

與3G和4G 發(fā)展初期相似，CPE等5G固定終端由于對(duì)終端體積和功耗要求較低，只要成本降到一定水平、產(chǎn)品運(yùn)行穩(wěn)定即可規(guī)模上市。手機(jī)等移動(dòng)終端由于容易受困于體積、重量尤其功耗，走向成熟的時(shí)間更長(zhǎng)，目前基于10～16nm制造工藝、全部為獨(dú)立基帶芯片的第一代5G終端平臺(tái)的手機(jī)已經(jīng)可支持實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下NSA標(biāo)準(zhǔn)的5G業(yè)務(wù)，但體積較大、功耗也較高，主要用于業(yè)務(wù)演示與研發(fā)實(shí)力展示，市場(chǎng)化商用的價(jià)值則比較有限。

預(yù)計(jì)2019年下半年，基于7-10nm制造工藝、以獨(dú)立基帶芯片為主的第二代5G終端平臺(tái)有望商用，這些產(chǎn)品需要跟4G?SoC手機(jī)芯片組合起來才能研發(fā)出5G多模手機(jī)，以滿足5G移動(dòng)用戶漫游到2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)的需求，這些手機(jī)的功耗雖然可較第一代5G手機(jī)下降20%以上，但仍明顯高于同期的4G機(jī)型，需配置更大容量的電池（或者配置相同容量電池但影響待機(jī)和運(yùn)行時(shí)間），在終端體積和重量上會(huì)略顯笨重，在市場(chǎng)上將以吸引先鋒性消費(fèi)者為主。

2020年下半年，隨著5nm制造工藝規(guī)模投產(chǎn)，屆時(shí)以SoC多模芯片為主的第三代5G終端平臺(tái)有望商用，配合終端射頻前端持續(xù)優(yōu)化，預(yù)計(jì)屆時(shí)僅支持Sub 6GHz頻段的5G手機(jī)功耗可跟目前主流4G手機(jī)接近，5G手機(jī)由此逐漸進(jìn)入主流消費(fèi)者市場(chǎng)。未來，隨著毫米波技術(shù)發(fā)展、終端研發(fā)推進(jìn)尤其射頻前端新技術(shù)設(shè)計(jì)投入應(yīng)用，在2022年前后小型可穿戴5G終端以及支持毫米波頻段的5G手機(jī)有望走向成熟。