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毫米波:华为预研6G的主方向,带来哪些产业机会?

近期,无论是美日加强封杀禁令,还是孟晚舟未能获释,来自中国通信龙头企业华为的消息又一次刷屏。面对外界的不利因素,华为并没有自乱阵脚,反倒充满必胜的决心,通过媒体公开了公司对下一代通信技术的相关布局:华为已经在参与6G相关预研工作,并预研6G以用毫米波段为主,正处于场景挖掘和技术寻找阶段。

业界指出,面对外界的持续打压,华为的发展部署是上一代、开发一代、预研一代,这将会对中国本土通信行业的发展产生引领作用。bVvesmc

5G、6G的核心技术——毫米波

5G通信相比以往4G通信的优势有很多,最直观的无疑是“高速率传输”。已知5G的传输速度将提高4G的10倍甚至100倍,那么6G的理论下载速度将有望达到5G的100倍,也就是每秒1TB!从4G到5G再到6G,为何传输速度能实现成百倍级的提升呢?这背后涉及一个关键技术:毫米波(mmWave)。bVvesmc

在移动通讯发展的几十年以来,最为常用的频段是6GHz以下的Frequency range 1(FR1),频率范围是450MHz到6GHz,俗称为厘米波。直到5G网络的全面覆盖,人们对于带宽提出更高的要求,通信频段必然向“高速率传输”的方向延伸。根据3GPP 协议,5G NR支持两大频段:一是6GHz以下的FR1,二是24.25GHz至52.6GHz频率范围的Frequency range 2(FR2)。因为FR2波长已经缩小至毫米级,所以称之为毫米波频段。bVvesmc

相较于6GHz以下频段,毫米波频段拥有丰富的频谱资源,在载波带宽上具有巨大优势,可实现400MHz和800MHz的大带宽传输,通过不同运营商之间的共建共享,实现超高速率的数据传输。同时,毫米波波长短,所需元器件尺寸较小,便于设备产品的集成化和小型化,符合当下终端市场的主流需求。因此从2019年开始,毫米波技术逐渐登上民用市场的舞台中心,承担起提供更优质网络的重任。bVvesmc

全球厘米波和毫米波波段部署bVvesmc

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图片来源:Qorvo官网bVvesmc

实际上,毫米波通讯技术过去主要应用在军工领域,是一类使用短波长电磁波的特殊雷达技术。得益于5G、6G通讯的快速迭代,毫米波才得以打开民用市场,成为全球通信产业的一大发展方向。2019年伊始,毫米波相关的产品及政策讯息频传,技术进展速度超过预期。甚至连华为创始人任正非也为该技术“站台”,他曾公开表示:“华为在5G技术方面的成功,是因为押中厘米波;而6G的毫米波是大方向!”bVvesmc

值得一提的是,华为在毫米波技术的布局时间更早。2017年6月第三届东京湾全球5G峰会期间,华为联合NTT DOCOMO首次完成基于3GPP 5G新空口的39GHz高频技术测试,实现了三方实时4K高清视频会议。2018 年2 月,华为和加拿大运营商Telus在温哥华测试28GHz系统,提供固定无线宽带接入业务。同年10月,华为就打通了全球首个基于3GPP的5G毫米波商用Firstcall,这标志着基于3GPP的5G毫米波网络与相关产业链已成熟,中国的5G毫米波应用开始扬帆起航。2019年8月,华为展示了使用折叠屏手机HUAWEI Mate X通过毫米波技术与基站通信在线播放4K高清视频,是全球首家使用折叠屏手机在真实网络环境下打通5G毫米波端到端通信的厂家。bVvesmc

来到2020年中旬,关于6G毫米波布局的好消息纷至沓来。近期,华为中国运营商业务部副总裁杨涛公开透露,华为已经在参与6G相关预研工作,已预研6G以用毫米波段为主,正处于场景挖掘和技术寻找阶段。据华为预计,在2030年的时候,将会出现一些6G方面的使用情况,目前华为也在积极地参与这方面的工作。bVvesmc

不过,目前5G毫米波的技术布局仍有许多瓶颈,需要通信龙头企业带领其本土供应链一起突围。例如,毫米波技术的落地应用仍面临频谱规划、国产高频器件产业能力、系统测试方案等众多亟待解决的问题和技术挑战,都是毫米波产业必须攻破的技术瓶颈。bVvesmc

多国押宝毫米波,竞争格局基本成型

5G商用将在2020年迎来高峰,6G预研也已提上日程,提前布局毫米波技术的上下游产业链公司或迎来机遇。bVvesmc

从现阶段的5G毫米波格局来看,美国、韩国、日本等国家已陆续完成5G毫米波频谱的划分与拍卖,5G商业部署前景明朗,产业链较为集中。他们在毫米波部署初期,大多数的国家将注意力都集中在26GHz和28GHz这两个频段上,在这两个频段上投入的资源也是最多的。bVvesmc

与此同时,包括美国的Verizon、T-Mobile,日本NTT,韩国KT在内的多个运营商已经在本土开始测试和应用毫米波5G系统,取得积极进展。例如2018年1月,美国T-Mobile、Nokia和Intel也在华盛顿测试28GHz高频系统,主要将高频通信用于向用户提供固定无线宽带接入业务;又例如2018年2月,韩国电信(KT)在平昌东奥会上实现28GHz的5G网络应用,采用是北美运营商的V5G系统,等等。bVvesmc

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至于中国,通信行业也开始从系统应用角度考虑5G毫米波部署和应用问题。去年中国移动曾透露,已完成5G毫米波关键技术的验证,计划在2020年实现5G毫米波的商用部署。但坦白地说,国内目前相关研究还比较分散,尚未形成明确的5G毫米波移动通信系统应用方向和部署方案。其阻力主要来自三方面:bVvesmc

  1. 中国毫米波频谱规划尚未明确,需要政府尽快明确毫米波频谱规划,加速毫米波产业链发展。
  2. 我国5G毫米波产业链成熟度落后于5G低频,也落后于美国、欧洲等国际先进水平。表现在毫米波设备形态单一、功能和性能尚不满足5G组网需求,以及5G毫米波芯片和终端型号较少、覆盖种类和形态不够丰富这两个方面。其中,阻碍因素主要来自于高频器件,主要包括:高速高精度的数模及模数转换芯片、高频功率放大器、低噪声放大器、滤波器、集成封装天线等等。
  3. 低成本、高可靠性的封装及测试等技术短缺。传统移动通信射频测试是以传导测试为主,而5G毫米波测试只能采用以暗室环境下的OTA测试方法。目前,测试场地成本、测试效率以及测试准确度等都是OTA测试方案需要考虑并给出解决方案的问题。

尽管整体产业起步较晚,但中国5G毫米波产业逐步迎头赶上,有望开启一个巨大的增量市场。去年底产业咨询公司TMG预计,到2034年在中国使用毫米波频段所带来的经济受益将产生约1040亿美元的效应,这大约占亚太地区毫米波频段预估贡献值(预计将达2120亿美元)的一半。bVvesmc

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若具体到细分的垂直行业,制造业和水电等公用事业的贡献度最大,占贡献总数的62%;其次是专业服务和金融服务,占12%;信息通信和贸易,占10%;然后是农业和矿业,最后是公共服务。长远来看,随着5G毫米波的使用不断增长,这种经济优势加上5G毫米波的众多潜在工业应用,将为垂直行业对GDP的重大影响做出贡献。bVvesmc

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对此,推动毫米波产业本土化进程已经迫在眉睫。有业内朋友表示,移动通信行业亟需运营商发布明确信号,提出5G毫米波新空口系统未来的整体需求,明确设备、终端的开发计划,推动毫米波产业链成熟化进程,为未来部署做好准备。bVvesmc

盘点:5G毫米波的产业链

从产业链的角度来看,毫米波产业链由设备厂商、芯片厂商、终端厂商、天线厂商、垂直行业等部分构成。下表格罗列了部分代表企业:bVvesmc

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1.毫米波设备

从技术角度来看,毫米波基带部分与5G低频段设备具有相同成熟度,但是射频相关的功能和性能较5G低频段设备有较大差距。主设备方面,由于目前北美和日韩已经开始部署毫米波系统,所以厂家设备频段以北美和日韩频段为主。设备可以支持基本功能,但是部分功能如波束管理、移动性等有待进一步完善。代表企业有:爱立信、诺基亚、中兴等厂家。bVvesmc

从数据来看,带宽和峰值速率方面,毫米波设备应支持200MHz、400MHz单载波能力,应支持多载波聚合,总带宽800MHz的能力。毫米波设备应支持64QAM 和256QAM调制方式,系统峰值传输速率应达到10Gbps以上。bVvesmc

此外,设备需要提供灵活部署能力。相对于sub 6G设备,毫米波元器件的尺寸更小,单位面积可以部署更多的天线阵子或者毫米设备更容易小型化。设备需要进行优化设计,减小微站和微AAU单元设备体积,进行美化设计便于隐蔽部署,提供多种方式的供电方案和回传方案。bVvesmc

2.芯片

至于芯片,虽然全球范围内各大芯片厂商已经发布5G 毫米波相关产品,但进度总体上落后于设备,主要集中在研发、测试阶段,实际商用仍在推进中。bVvesmc

据不完全统计,市面上已有多款与毫米波技术相关的5G芯片。英特尔(Intel)于2017年11月发布了XMM 8060 5G多模基带芯片,该芯片同时支持6GHz 以下频段和28GHz毫米波频段。高通已经能够提供商用的毫米波终端芯片X50和X55,天线模组QTM525。bVvesmc

至于高通的第二代5G NR调制解调器——骁龙X55 5G调制解调器,是一款7纳米单芯片,支持5G到2G多模,还支持5G NR毫米波和6 GHz以下频谱频段。其中,全新的射频前端解决方案包括QTM525 5G毫米波天线模组,可支持厚度不到8毫米的纤薄5G智能手机设计。目前全球已有20家OEM厂商开展相关产品研发,全球18家运营商也正在利用X50 5G调制解调器进行移动试验。bVvesmc

2019年初,美国联邦通信委员会(FCC)已经对摩托罗拉公司发布的5G模块进行了认证。该5G模块配备了接近传感器,其功能是在用户脸部靠近手机之前,关闭4个毫米波天线模块,减少辐射对用户的影响;此外,如果接近传感器检测到手指挡住天线,该5G模块将加强天线功率,实现更好地接收5G信号。bVvesmc

至于国内企业,由于和而泰的子公司铖昌科技是国内微波毫米波T/R芯片领域,除少数国防研究所之外掌握核心技术的民营企业,在国内具有较强的技术稀缺性,不仅在数据接口那里能补全,另外也能拓展一些高端的应用。bVvesmc

3.天线

大规模天线技术(Massive MIMO)和波束赋形技术是毫米波系统的关键技术之一,因此来自天线行业同样值得关注。bVvesmc

通俗来讲,天线就是一根具有指定长度的导线,因此它可以制造在PCB和FPC上。而由于设备的小型化和便携化,留给天线的设计空间已经很小,因此目前主流的方案就是使用FPC制造天线,即可折叠式天线。可折叠式天线就是由软板制成,可以弯曲成任意的形状,从而应对人们对便携设备尺寸和设计的更高要求。bVvesmc

由于毫米波波长的大幅度减小,带来的问题是电磁波绕射能力变差,衰减变得异常明显。因此为了改善衰减,提高传输速度,5G技术中将会采用MIMO多天线技术、beamforming波束赋形、以及空间分级复用等技术。bVvesmc

4.终端

近来有不少业者预测,5G手机将带动第一波毫米波产品的终端消费浪潮。bVvesmc

在商用终端方面,OPPO/vivo/ZTE都曾预计2019年底将推出X55芯片样机终端,商用终端预计2020年出现。虽然受疫情的影响,样机并没有如约而至,但相信年底应该不会失约。bVvesmc

而苹果公司已经在秘密展开毫米波技术的研究应用,其支持毫米波的5G版 iPhone将在2020年12月或2021年1月推出,比普通版(支持Sub-6G频段5G)至少晚三个月时间,足见毫米波技术商用的复杂程度。bVvesmc

还有消息称,台积电拿到了苹果5G天线封装订单,而且专门针对5G毫米波系统集成。bVvesmc

不管以上多款手机能否如期推出,但这一系列消息都给关注5G毫米波应用的业内朋友带来了不小的惊喜。bVvesmc

中国联通认为,面对丰富多样的5G毫米波应用场景,特别是园区专网场景,毫米波终端应根据专网业务需求进行定制。根据5G毫米波应用场景,毫米波终端包括公网专网混合终端、专网功能终端、定制化CPE,具体要求如下:公网专网混合终端,与5G终端融合设计,支持多模多频,支持5G高低频双联接和5G毫米波载波聚合能力。支持专网APP 应用。终端其他能力需求与当前公网终端相同。bVvesmc

5.场景应用

5G毫米波的垂直应用场景丰富多样,无论是个人终端消费,还是工业制造业、医疗健康等市场,都还将催生大量应用。这些创新包括增强型远距医疗和教育、工业自动化、虚拟和扩增实境等等。bVvesmc

医疗方面,远距离医疗可以通过毫米波频谱支持的速度和低延迟功能,达到更精准、快速的水平。包括感知网络功能、利用永远保持连接的远距传感器和穿戴式装置提升预防医学,以及远距手术和“智能”仪器。bVvesmc

而在工业制造领域,新一代机械人、远距物体操纵(远距离精确控制机器)、无人机及数字化工业中心的其他实时控制应用可望提高效率、降低成本、增强安全性,同时带来产品和工艺创新。这是提升目前制造业智慧化水平参差不齐的有效手段之一。bVvesmc

自动驾驶运输方面,5G毫米波将让无人驾驶车彼此之间,以及与云端和实体环境通讯,从而建立高效率的公共交通网络。未来,这些及许多其他创新使用案例预计将占5G创造的总体价值的25%。bVvesmc

此外,在企业及产业的角度来看,室内、园区、码头等场景具有业务本地化属性强、用户接入数量大、流量集中突发性强的特点。毫米波技术提供的高速率大容量特点,将大幅度提升空口速率,对4K、8K、AR、VR、云游戏等大视频类场景有巨大的提升,快速建立端到端业务,避免画面卡顿和眩晕感。结合边缘云技术,可将视频和虚拟场景缓存到本地,快速建立环境与场景,减少业务巨大流量对运营商网络的冲击和压力,适合于本地化缓存类业务。bVvesmc

值得提议的是,在毫米波通信技术产业应用推进过程中,供应商应充分考虑实际应用场景特点,对毫米波传播特性进行有效建模和系统链路评估,制定符合实际场景需求的毫米波应用部署方案。bVvesmc

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