運營商5G終端引入策略探討

何偉俊，戴國華，詹文浩，崔沛東

1 引言

2016年至今國內(nèi)外運營商已陸續(xù)發(fā)布5G的路標(biāo)與試驗計劃，北美和日韓運營商均計劃2017年至2020年期間逐步實現(xiàn)5G預(yù)商用與商用，國內(nèi)三大運營商也陸續(xù)發(fā)布5G路標(biāo)與試驗計劃，并均表示在2020年將商用5G。5G終端作為5G業(yè)務(wù)的關(guān)鍵元素，是未來5G產(chǎn)業(yè)的重要價值載體，運營商在規(guī)劃5G網(wǎng)絡(luò)的同時需考慮如何推進符合自身5G業(yè)務(wù)需求的終端產(chǎn)業(yè)發(fā)展問題。

與LTE不同，ITU-R（International Telecommunications Union-Radio，國際電信聯(lián)盟無線電通信部門）定義的5G三大應(yīng)用場景[1]使5G終端的形態(tài)呈現(xiàn)出多樣化趨勢，因此明確終端的業(yè)務(wù)形態(tài)與技術(shù)性能指標(biāo)是運營商5G終端規(guī)劃所面臨的首要問題。其次，運營商將在各自不同的運營背景下部署新的5G網(wǎng)絡(luò)的同時引入相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)（如全頻譜接入、大規(guī)模天線、雙連接等），使5G終端在實現(xiàn)上遭遇新的挑戰(zhàn)。再者，如何對終端進行合理測評也是運營商5G商用的一道重要門檻。針對上述問題，本文首先通過標(biāo)準(zhǔn)進展、運營商規(guī)劃及終端測試產(chǎn)業(yè)等方面給出5G終端產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀；然后對5G終端在多網(wǎng)融合下實現(xiàn)全網(wǎng)通方案所面臨的挑戰(zhàn)（如終端實現(xiàn)全模全頻對射頻前端與天線設(shè)計的挑戰(zhàn)、雙連接雙收雙發(fā)造成的自干擾問題、OTA測試挑戰(zhàn)等）進行探討分析；最后對5G終端的形態(tài)與終端芯片的技術(shù)指標(biāo)進行預(yù)測，并提出運營商引入5G終端的若干策略建議。

2 5G終端產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

2.1 國際標(biāo)準(zhǔn)進展

ITU（International Telecommunications Union，國際電信同盟）在2016年已開展5G技術(shù)性能需求和評估方法研究，并將于2017年底啟動5G候選方案征集，2020年底完成標(biāo)準(zhǔn)制定。3GPP的工作組（包括SA、RAN、CT）承擔(dān)5G國際標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的研究與制定工作。SA組從2017年初至今，已針對業(yè)務(wù)需求、架構(gòu)、安全等陸續(xù)完成并輸出5G相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（TS）[2-4]。RAN組則針對物理層、架構(gòu)、接口協(xié)議、射頻天線等討論完善相關(guān)技術(shù)報告（TR）并逐步輸出5G NR（New Radio）相關(guān)的TS，預(yù)計NSA（Non-Standalone，非獨立）架構(gòu)的5G NR標(biāo)準(zhǔn)將于2017年底完成，2018年3月凍結(jié)；而SA（Standalone，獨立）架構(gòu)的5G標(biāo)準(zhǔn)將于2018年6月完成，9月凍結(jié)。從2017年9月在日本札幌召開的RAN#77會議[5]對NR的討論來看，與終端相關(guān)的TS（如終端接入能力、終端無線發(fā)送與接收等）在2017年底或2018年初陸續(xù)完成，而關(guān)于與終端性能要求相關(guān)的TS將在2018年上半年完成。

從目前的標(biāo)準(zhǔn)進展來看，eMBB（Enhance Mobile Broadband，增強移動寬帶）場景技術(shù)點及部分uRLLC（Ultra Reliable Low Latency Communication，低時延高可靠通信）場景技術(shù)點預(yù)計可在2018年上半年（NSA標(biāo)準(zhǔn)階段）完成，mMTC（Massive Machine Type Communication，海量物聯(lián)網(wǎng)通信）場景的相關(guān)技術(shù)點需待R16進行討論。

2.2 運營商5G規(guī)劃

目前國外運營商規(guī)劃的5G業(yè)務(wù)場景主要是以eMBB為主，終端形態(tài)主要涵蓋AR/VR、CPE（Customer Premise Equipment，無線客戶端設(shè)備）、手機、平板、無人機等。具體如表1所示。

從表1可知，目前運營商的初步5G計劃雖然大多針對eMBB場景進行部署，但是5G的業(yè)務(wù)需求存在一定程度的分化，從而導(dǎo)致了5G終端產(chǎn)品形態(tài)存在差異。北美運營商（如Verizon、AT&T）根據(jù)自身原有的WTTx（Wireless To The x，無線寬帶到戶）業(yè)務(wù)背景，把CPE作為其5G業(yè)務(wù)的主要終端產(chǎn)品；而日韓運營商根據(jù)運營區(qū)域的國際熱點需求，把VR/AR、手機、無人機等作為其5G業(yè)務(wù)的主要終端產(chǎn)品。

2.3 終端測評

目前國內(nèi)外終端測試廠商正為5G終端測評做準(zhǔn)備。思博倫在研究5G信道測試的同時開展基于OTA[6]的MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多輸入多輸出）測試方案研究[7]；是德科技針對5G物理層新技術(shù)推出超寬帶信號產(chǎn)生與接收解決方案[8]，并于2017年5月宣布推出5G協(xié)議測試解決方案，為設(shè)備廠商的產(chǎn)品研發(fā)提供強大的工具[9]；羅德與施瓦茨已開展針對5G（極高頻）寬帶信號的產(chǎn)生與分析研究，同時在室內(nèi)外信道環(huán)境模擬上提出了相關(guān)解決方案；而國內(nèi)星河亮點一直在OTA方面開展深入研究，其自主研發(fā)的信道模擬系統(tǒng)未來可支持Massive MIMO測試的要求[10]。

從主流終端測試廠商的研究現(xiàn)狀來看，其研發(fā)焦點主要解決5G無線關(guān)鍵技術(shù)的測試（如毫米波、MIMO OTA）以及5G信號生成與頻譜分析等問題。

3 5G終端產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵問題挑戰(zhàn)分析

5G的業(yè)務(wù)需求、多種組網(wǎng)方案以及高性能指標(biāo)對終端實現(xiàn)提出了新的挑戰(zhàn)，具體包括：多網(wǎng)融合下支持全模全頻對終端射頻前端與天線的挑戰(zhàn)、雙連接技術(shù)下雙收雙發(fā)導(dǎo)致的自干擾問題、OTA測試挑戰(zhàn)等。

表1 運營商5G計劃及終端類型

3.1 頻段對射頻前端器件挑戰(zhàn)

終端的射頻前端主要由工作于固定頻段的一組收發(fā)器件組成，包括功率放大器（PA）、低噪聲放大器（LNA）以及濾波器等，每組射頻前端器件對應(yīng)一個固定頻段，具體如圖1所示：

圖1 終端射頻前端示意圖

射頻前端是5G全網(wǎng)通終端的關(guān)鍵器件。終端支持全模全頻功能需射頻前端在材料、工藝、帶寬和功率上均符合Sub-6 GHz與毫米波頻段的要求。對于Sub-6 GHz頻段，可延用LTE終端射頻前端的材料和工藝，但存在的高頻大帶寬、HPUE（High Power User Equipment，高功率用戶設(shè)備）、波形峰均比高等問題對器件的帶寬與功率提出了更高要求，需對功放、濾波器、低噪聲放大器等進行優(yōu)化。另外，該頻段中B42（3.4 GHz～3.6 GHz）的射頻前端產(chǎn)業(yè)規(guī)模相比n79（4.4 GHz～4.99 GHz）更大且成熟。對于毫米波頻段，存在射頻前端器件成本高、工藝不成熟等問題。

目前工信部為我國5G技術(shù)研發(fā)試驗規(guī)劃了4個頻段：3.3 GHz～3.6 GHz頻段、4.8 GHz～5.0 GHz頻段、24.75 GHz～27.5 GHz頻段、37 GHz～42.5 GHz頻段。運營商頻段的部署將直接影響終端射頻前端的設(shè)計。

3.2 天線技術(shù)挑戰(zhàn)

大規(guī)模天線陣列技術(shù)（Massive MIMO）作為5G增強型移動寬帶（eMBB）場景下的關(guān)鍵技術(shù)之一[11]，在終端側(cè)的天線策略仍未最終確定，但是從增加中高頻段的網(wǎng)絡(luò)覆蓋和提高網(wǎng)絡(luò)容量的角度考慮，終端天線數(shù)量增加已成為趨勢。

在Sub-6 GHz頻段，終端可采用4/8根天線通過分集或復(fù)用提升對用戶的覆蓋性能，但天線數(shù)量增加會使設(shè)計存在空間壓縮、規(guī)格提升等問題，需通過器件與算法優(yōu)化滿足天線設(shè)計參數(shù)（如隔離度）要求。在毫米波頻段，終端可采用包括RFIC（Radio Frequency Integrated Circuits，射頻集成電路）、RFFE（Radio Frequency Front End，射頻前端）以及天線在內(nèi)的一體化封裝方案，但終端需支持智能天線陣列以及上下行自適應(yīng)波束賦形和波束追蹤技術(shù)，使天線設(shè)計存在空間、工藝、功耗、成本等問題。

3.3 雙連接技術(shù)挑戰(zhàn)

目前業(yè)界存在兩種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)部署方式，即獨立架構(gòu)（SA）與非獨立架構(gòu)（NSA）。若5G網(wǎng)絡(luò)按NSA架構(gòu)部署，則要求終端支持雙連接技術(shù)，采用雙射頻同時連接4G與5G網(wǎng)絡(luò)并進行雙收雙發(fā)，此時射頻器件非線性等因素容易導(dǎo)致終端存在自干擾問題，即上行雙發(fā)可能對下行接收產(chǎn)生諧波與互調(diào)干擾，造成接收端靈敏度下降。例如，某運營商LTE部署于B3（1 765 Hz～1 780 Hz）頻段，若5G部署于B42（3 400 Hz～3 600 Hz）頻段，則B3上行可能對B42下行造成二次諧波干擾，同時B3與B42間的四階互調(diào)信號可能對B3、B42下行造成干擾。具體如圖2所示：

圖2 雙連接終端自干擾示意圖

3.4 終端測評挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)終端測試采用基于傳導(dǎo)連接的方法，其可延用于5G終端Sub-6 GHz頻段測試。然而5G終端將支持毫米波頻段并引入多天線技術(shù)，傳導(dǎo)連接測試會難以滿足其測試需求，基于OTA的測試方法（如多探頭暗室法、混響室法和兩步法等）將成為5G終端測試的主流方法[6]。

相對于LTE而言，5G擁有更高的頻率、更寬的帶寬、更多的發(fā)射及接收天線、更加復(fù)雜的波束賦形工作模式，OTA測試面臨的挑戰(zhàn)包括更大的微波暗室、更大的路徑損耗、更復(fù)雜的測試系統(tǒng)以及更長的測試時間等。另外，射頻端口取消后，在終端研發(fā)測試過程中如何對終端的基帶協(xié)議、算法等進行驗證也是待解決的問題。

4 運營商引入5G終端策略建議

上文已對5G終端產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀及終端關(guān)鍵挑戰(zhàn)進行了討論，下面將結(jié)合討論并根據(jù)以下問題思路提出運營商引入5G終端的策略建議：首先，滿足業(yè)務(wù)需求的終端是什么形態(tài)，芯片將達到怎樣的技術(shù)指標(biāo)？其次，如何針對終端實現(xiàn)的關(guān)鍵問題聯(lián)合產(chǎn)業(yè)各方討論方案并推進產(chǎn)業(yè)落實？如何驗證終端使規(guī)劃終端順利“落地”？

4.1 終端形態(tài)與芯片預(yù)測

5G終端的形態(tài)根據(jù)三大應(yīng)用場景的差異將呈現(xiàn)多樣化趨勢。其中，eMBB場景下的5G終端類型包括CPE、手機、AR/VR、筆記本電腦、平板、無人機等；uRLLC場景下的5G終端類型包括智能監(jiān)控設(shè)備（交通）、車載終端、機器人、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)制造及檢測設(shè)備等；mMTC場景下的5G終端類型包括水電氣表終端、物流跟蹤器、家居智能電器、智能可穿戴設(shè)備、智能檢測設(shè)備（農(nóng)、林、城市）等。具體如圖3所示。

結(jié)合表1運營商規(guī)劃與圖3三大場景的終端形態(tài)，預(yù)測首批5G終端產(chǎn)品的業(yè)務(wù)形態(tài)趨向于AR/VR、CPE、手機、平板電腦等；而從主流芯片廠商規(guī)劃來看，5G初期終端產(chǎn)品形態(tài)eMBB場景下主要以CPE與手機為主。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的完成計劃與主流芯片廠商的研發(fā)進展，預(yù)計2018年底有5G單模CPE出現(xiàn)；2019年中有5G拼片方案手機終端出現(xiàn)，支持全模與雙卡方案；2020年將出現(xiàn)SOC的5G終端，支持全模。

目前國內(nèi)外芯片廠商均已啟動對標(biāo)準(zhǔn)5G芯片的研發(fā)與試驗，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)時間計劃與芯片廠商的芯片規(guī)劃情況，對5G終端的預(yù)測具體如表2所示：

表2 5G基帶芯片預(yù)測

預(yù)計5G初期終端基帶芯片主要支持eMBB場景下的相關(guān)技術(shù)功能，少數(shù)廠商芯片會支持uRLLC場景下的一些技術(shù)功能。5G初期mMTC場景預(yù)計將延用4G物聯(lián)網(wǎng)終端芯片，待R16中進行討論規(guī)劃。

由于5G終端產(chǎn)品規(guī)劃與運營商的運營背景以及運營區(qū)域的具體需求有較大的關(guān)系，因此運營商引入5G終端時需明確5G的價值歸宿，根據(jù)自身運營背景與業(yè)務(wù)需求，結(jié)合擬部署的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和整個產(chǎn)業(yè)鏈成熟度（標(biāo)準(zhǔn)進展、芯片研發(fā)時間、射頻前端、天線等）因素綜合規(guī)劃5G終端的演進方案。

4.2 全模全頻終端挑戰(zhàn)策略建議

圖3 5G終端的形態(tài)呈現(xiàn)多樣化趨勢示意圖

從上文的終端挑戰(zhàn)分析可知，終端實現(xiàn)全模全頻方案存在諸如射頻前端、天線、雙連接自干擾等問題。針對以上問題，運營商需明確網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)需求，同時聯(lián)合產(chǎn)業(yè)鏈上下游提前討論問題解決方案。首先，運營商在進行5G頻段部署規(guī)劃和關(guān)鍵技術(shù)引入時，既要平衡性能與終端成本間的關(guān)系，也應(yīng)充分考慮擬部署頻段對應(yīng)的射頻前端與天線的產(chǎn)業(yè)規(guī)模；其次，在確定采用NSA架構(gòu)部署網(wǎng)絡(luò)前，應(yīng)根據(jù)擬部署的頻段研究是否存在終端自干擾問題以及分析問題的嚴重性和解決方案的有效性。

4.3 終端測評策略建議

運營商可聯(lián)合終端產(chǎn)業(yè)主流芯片與終端廠商研究制定5G終端功能需求及技術(shù)方案，與芯片廠商合作開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的5G終端原型機，并搭建實驗室與外場試驗平臺對之進行驗證。

根據(jù)上文對OTA測試挑戰(zhàn)的分析，運營商可針對Sub-6 GHz和毫米波頻段，聯(lián)合主流儀表廠商合作研究基于OTA的終端空口關(guān)鍵技術(shù)測評方案，并與其合作研發(fā)符合自身業(yè)務(wù)需求的5G終端測試儀表，共同打造OTA終端測評實驗室，解決5G終端的測評問題，使自身具備對原型機及后續(xù)預(yù)商用、商用終端的測評能力，為符合自身業(yè)務(wù)需求的5G終端產(chǎn)業(yè)化提供保障。

5 結(jié)束語

由于運營商對5G終端的規(guī)劃仍存在較多不確定因素，因此在推進5G終端產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中需建立較完備的工作思路，如為什么做？做成什么樣？怎樣做？做到什么程度？運營商在5G不同階段引入終端時需要較好地回答以上問題。本文根據(jù)5G終端產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和終端產(chǎn)業(yè)化所面臨的挑戰(zhàn)，對5G終端形態(tài)與芯片技術(shù)指標(biāo)進行預(yù)測，提出并分析了終端在關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)上可能存在的技術(shù)挑戰(zhàn)，結(jié)合預(yù)測與挑戰(zhàn)提出運營商引入5G終端的若干策略建議。運營商應(yīng)建立合理的5G終端工作思路，既要從自身需求出發(fā)，主動積極推進5G終端的產(chǎn)業(yè)化進程，也要與5G產(chǎn)業(yè)整體發(fā)展方向保持一致，避免被產(chǎn)業(yè)邊緣化，從而更好地引領(lǐng)5G終端產(chǎn)業(yè)健康向前發(fā)展。

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