5G毫米波通信技术与产业研究

2020-05-18 来源:微信号:R-research作者:Research 我要评论(0) 字号:

毫米波通常指频段在30~300GHz,相应波长为1~10mm的电磁波,工作频率介于微波与远红外波之间,兼有两种波谱的特点,将接近的24GHz或以上频段也定义为毫米波的范围,相对于低频频段,毫米波具有带宽宽、波束窄、传输干扰小、安全保密好、多径效应小、多普勒分辨力高,以及器件尺寸小易集成等特点,在5G移动通讯、物联网和雷达、卫星通信等领域很广阔的应用前景。而目前主要受关注的频段为28-30GHz,38GHz,45GHz,57-71GHz,71-76GHz,81-86GHz,100GHz等频段。

1、应用场景

毫米波通信应用包括毫米波波导通信、地面通信和卫星通信、军事通信,且以无线地面通信和卫星通信为主。

与5G通信相关。根据3GPPTR38.913定义,与高频段应用相关的几个场景分别为:室内热点、密集城区、宏覆盖、高速铁路接入与回传以及卫星扩展到地面。

2、关键技术

毫米波通信主要技术挑战包括:毫米波射频器件、毫米波天线、超宽带低复杂度信号处理、空间信道模型以及网络组网架构和空口的优化、空口与高频段组合技术。

重点讲5G毫米波通信。

3、系统架构

5G毫米波基站硬件由基带模块、中频模块和毫米波模块单元等几个部分构成

基带模块:实现5G基带处理、数字域波束赋形、基站传输等功能,由CU、DU和RU中的数字逻辑共同实现,在电路设计方面通常使用CPU+DSP+FPGA的架构,或者采用专用SOC芯片进行基带处理,同时还需要IP交换芯片、传输接口等电路。

中频模块和毫米波模块:位于RU单元,包括数字前端(DFE)、模拟/数字转换电路、毫米波混频器、模拟域波束赋形和天线阵,包含用于基带处理和DFE功能的FPGA或SOC芯片,时钟系统、数模转换ADC、DAC、毫米波电路以及天线阵等。

4、通信频段必然向毫米波方向延伸

• 随着高容量、高速率、低时延业务发展,通信频段必然向毫米波方向延伸;
• 5G移动通信的基本架构将采是低频段+毫米波频段相结合的通信方式;
• 5G毫米波通信主要应用场景解决热点流量问题,毫米波基站体积更小,便于隐蔽安装;适合光纤不易接入或成本过高的地区,采用CPE终端挂墙或靠窗安装;毫米波与MEC、AI技术结合,适合于园区组网方案;构建智慧工厂、智慧园区、智慧码头等控制类智慧应用。

5、市场规模

随着5G建设的推进,Sub-6 GHz无线基础设施开始部署,以弥补现有4G LTE网络与未来毫波(mmW) 5G实施方案之间的带宽差距,5G毫米波定位为高价值热点区域的覆盖解决方案,作为Sub 6GHz 5广覆盖网络的补充,预计部署数量姜葱2018年的3.8万台增加至2024年的140万个,其中主要应用为24-27Ghz与27.5-29.5Ghz频段。

射频市场

在未来的4-5年里,基站建设市场呈爆炸式增长,与4G相比,射频器件市场,采用多输入多输出技术的5G M-MIMO宏站有望实现3-4倍的增长,5G毫米波也将8倍左右的市场市场增长;市场总量预计从2018年低谷(14.8亿美元)到2024年高峰的31.6亿美元,复合增长率约为13%;而业务构成来看,来自于5G M-MIMO宏站、5G毫米波合计贡献将超过50%。

主要工艺:

市场规模

6、5G毫米波商用化进展与瓶颈

目前美国、日本、韩国等国均已经完成5G毫米波频谱划分并开始商用部署,相关产业链也随之达到初步成熟;然而,相比美国、日本、韩国等国家,中国市场的5G毫米波商用化进程相对滞后,虽于2017年7月批复了24.75-27.5GHz和37-42.5GHz频段用于5G毫米波的实验频段,但目前有关毫米波的具体商用时间轴的规划尚未正式发布,缺乏明确的顶层商用时间规划,产业链的成熟度较低也制约着产业发展。

国内5G毫米波产业链上游的元器件研发与制造仍处于研发试点阶段,受技术实现和生产成本及基础设施建设进度的限制,尚未到达商用量产。

笔者注:本文不成体系,仅为个人思考,初浅研究,欢迎探讨交流。

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