“啊……5G,你比 4G 多 1G!”

 

如果用岳云鹏《五环之歌》的方式述说 5G,感觉复杂的事情变得简单了。然而,每一代通信技术变革又何曾简单过呢?

 

正如 Qorvo 亚太区市场高级经理 Lawrence Tao(陶镇)所言:“从 2G 到 3G,3G 到 4G,以及从 4G 到 5G,对普通大众而言,这仅仅是简单的数字增加,实际上这涉及到了调制方式根本性的改变。”

 

 

千面 5G


虽然中国 5G 元年(2019 年)已经过去,但我们不得不承认一个事情,那就是各行各业对于 5G 的认知有着不小的偏差。认可 5G 的人看到的是其身上诸多的优点,他们都信奉“4G 改变生活,5G 改变社会”这个观点。

 

说到 5G 的优点,愿景层面当然就是 5G 应用的三大场景:eMBB(增强移动宽带)、URLLC(低时延高可靠)以及 mMTC(海量大连接)。

 

在三大应用场景背后,实际上彰显的是 5G 在网络性能方面的优势。作为移动通信网络发展中的第五代网络,在超高速率方面,5G 速率最高可以达到 4G 的 100 倍,实现 10Gb/ 秒的峰值速率;在超低时延方面,5G 的空口时延可以低到 1 毫秒,仅相当于 4G 的十分之一,远高于人体的应激反应;在超大连接方面,5G 每平方公里可以有 100 万的连接数,与 4G 相比用户容量可以大大增加。

 

而不认可 5G 的人他们也有自己的论点,那就是“5G 无用论”。深究背后的原因你会发现,认可 5G 的人看到的是 5G 未来的价值,而不认可 5G 的人看到的是 5G 当下的“乏力”。

 

对于不认可 5G 的人而言。To C 端 4G 已经能够支撑当前所有的手机应用,没有任何一款 APP 只能在 5G 网络下运行,在 4G 网络下就玩不转的。To B 端在工业场景中千兆光纤稳定的不行,换 5G 的兴致也不高。

 

目前,5G 还是一个千人千面的技术,但想想任何事物有了一个 5G 模组就可以接入一张无处不在、无缝连接的无线网络中,数据汇集到相同的核心网,这确实将是人类历史上的一次壮举。

 

5G 升级,射频器件的一次大考


在讨论 5G 的现在和未来时,基础建设以及设备普及是必须要探讨的环节,在这个过程中,射频器件的作用不容忽视。

 

陶镇分享了功率放大器和天线阵列需要面临的挑战。首先是 5G 通信要求有 256- QAM,未来甚至是 1024-QAM,而现在的 4G 则是 64-QAM。

 

QAM 是 Quadrature Amplitude Modulation 的缩写,是一种在两个正交载波上进行幅度调制的调制方式,代表着设备在连接时的数据吞吐。


QAM 发射信号集可以用星座图来进行表示,由于数字通信中数据常采用二进制,因此星座点的个数一般是 2 的幂,常见的 QAM 形式有 16-QAM、64-QAM、256-QAM 等。2 的幂越大,同一个符号携带的信息就越多,因此传输的信息量就越大。
 
 


4-QAM、16-QAM、64-QAM 星座图


 
大家已经知道 256- QAM 会比 64-QAM 有更高的数据传输量,而 5G 通信要求有 256- QAM,未来甚至是 1024-QAM。这样的要求给射频器件提出了新的难题,再加上频谱增加和频谱兼容,要实现 5G 通信,射频器件的压力可想而知。


 
陶镇认为,这是从通信基本原理的角度去解释 5G,对功率放大器有很大的影响。他表示:“调制方式越复杂,意味着它对线性化设计的要求越高。从整个系统链路级的角度来看,功率放大器是最后一级,最主要是用来放大信号的。但除此之外,功率放大器还要保证信号不失真,因此线性指标是功率放大器设计的最重要指标之一。”


 
也就是说,5G 所要求的 256- QAM 能够传输更多的信息,功率放大器既要对这些信号进行放大,同时还要不失真,设计上的困难是显而易见的。“对功率放大器而言,效率和线性度是成反比的。当你效率做的很高时,线性度就会变差;而当你提高了线性度,那么效率可能会下降。但 256- QAM 对于 5G 时代的功率放大器而言是硬性指标,3GPP 的规范和运营商的入网测试同样是硬性指标,为了完成这些指标,某些性能可能会妥协,比如效率上的妥协。” 陶镇讲到。

 

其次是天线阵列,大规模天线技术(Large Scale Antenna System,或称为 Massive MIMO)是实现 5G 的一项关键技术。

 

 

想要了解 Massive MIMO 技术,首先需要搞清楚什么是波束成形。波束成形是天线技术与数字信号处理技术的结合,目的用于定向信号传输或接收。从基站方面看,这种利用数字信号处理产生的叠加效果就如同完成了基站端虚拟天线方向图的构造。有了波束成形技术,发射能量可以汇集到用户所在位置,而不向其他方向扩散,并且基站可以通过监测用户的信号,对其进行实时跟踪,使最佳发射方向跟随用户的移动,保证在任何时候手机接收点的电磁波信号都处于叠加状态。


 
大规模天线阵列正是基于多用户波束成形的原理,在基站端布置几百根天线,对几十个目标接收机调制各自的波束,通过空间信号隔离,在同一频率资源上同时传输几十条信号。

 

massive MIMO 给射频器件带来很多难题。首先,采用 3D 阵列部署天线波束对齐问题就是一大挑战;其次,大量使用模拟元器件必然会带来非理想失真;第三,massive MIMO 一直以来都存在的导频污染……陶镇谈到了 massive MIMO 的复杂性,“massive MIMO 意味着每个天线都有一个链路通道,比如 64T64R 就意味着整个天线阵列需要有 64 个完整的射频前端链路,也就是基站里每个链路都要有放大器、滤波器、变频器、匹配电路,以及接触链的第三方。从这个角度讲,5G 基站使用射频器件要比 4G 基站多很多。”

 

 

增量用户是重中之重


5G 基建正在铺天盖地进行的同时,5G 应用也在循序渐进。移远通信 5G 产品总监吴冰认为,目前我们说的 5G 以 eMBB 和 uRLLC 为主,侧重于高带宽、低延时、高性能。有关 mMTC 是另一个演进方向,侧重于低功耗、大连接,多用于窄带接入。

 

5G 元年之后,笔者非常同意吴冰的观点,是否上 5G 还是按需来定,而不是因为 5G 来了就搭载。在他看来,5G 这种循序渐进式的发展也反应在 5G 自身的频谱迭代上。目前,全球大部分国家部署 5G 都选择了 FR1 频段,频率范围是 450MHz 到 6GHz,集中于 3GHz-4GHz 频段,业者更愿意将其称为 Sub-6 频段。只有个别的国家选择了 FR2 频段,频率范围是 30-300GHz,业界将其称为毫米波频段。

 

在性能对比上,毫米波频段速度快、容量大、无延迟,但有一个显著的缺点是覆盖受限,技术难度高,因此基建成本会非常高,给运营商很大的压力。

 

“我认为 5G Sub-6 的性能已经满足了大部分场景对高带宽、低延时的需求,能在相当长的一段时间内满足大部分应用的需求,跨度至少十年以上。” 吴冰在 5G 频谱选择上有非常明确的观点。

 

他对此进一步讲到:“大家可以留意三大运营商的规划,到 2025 年一直都是大力建设阶段。毫米波和 Sub-6 应用场景替代性比较低,毫米波更多的是补盲、热点和特殊应用覆盖。至于成本,更快更高更强就意味着成本会更高,关键是模组性能带来的提升是不是能够给客户带来价值,所以我们一直说 5G 更适合行业应用。”

 

 

而在发力点上,吴冰认为 5G 从业者应该重视增量用户。“5G 从业者更应该对市场敏感,更关注趋势。5G 的客户来源有两部分,一部分是原来的 4G、4G+存量升级用户,另一部分是传统的单机、有线网络增量用户。这些增量用户是未来 5G 各行业应用落地的重中之重。” 他讲到。

 

DRAM 和 NAND 仍将是 5G 时代的“常青树”


5G 最大的魅力在于它对于数据产生、传输和处理方式的改变,因此作为全球领先的存储产品制造商,美光将 5G 时代定义为存储的黄金时代。美光科技移动产品事业部市场副总裁 Christopher Moore 指出:“当今与日俱增的数据量使我们的内存和存储产品进入黄金时代。需求从未如此旺盛。”

 

5G 元年之后,随着数据体量、种类和形式的爆发增长,物联网、人工智能等领域的创新应用将井喷式涌现,这些数据如何存储确实是一个问题。

 

Christopher Moore 认为,5G 最关键的特性是大大缩短延迟。“对于路径上的每个计算、通信和内存 / 存储设备而言,满足这种端到端的延迟需求是一个巨大挑战。延迟需要提升一个数量级。以前是 1 秒,现在是 1 毫秒(ms)。以前是 1 毫秒,现在是 1 微秒(μs)。”

 

Christopher Moore 补充道,5G 网络的部署是智能边缘的关键使能因素——在不断增长的互联系统和设备中,被分析和汇总数据需要靠近捕获数据的地方。由于在低时延下有更多的数据带宽可供更多的设备使用,所以在智能设备之间、基础设施与智能设备之间可以进行更多的自主协调。1 毫秒的时延很重要,因为这可以实现在整个网络上的实时控制,从而消除了操作远程设备时的“视频卡顿”。

 

更大的数据规模,更低的延迟要求,5G 所赋能的各个应用都给存储产品提出了更高的要求。我们从采访中获悉,美光正在研究内存和存储领域的所有新技术应对这一新挑战,目标是通过在系统、操作系统和应用级别上引入与行业拐点相匹配的新技术。但 Christopher Moore 表示:“我们的研究(如下图所示)表明,DRAM 最适合低延迟易失性应用。NAND 最适合密集形高性能存储,尤其是业界在同时投资 TLC 和 QLC 的情况下。通过创新研发和大量的资本投资,未来十年,DRAM 和 NAND 将继续在层次结构的‘顶部’和‘底部’发挥作用。3DXPoint 技术跨入了非易失性能领域,从而在内存层次结构中开辟了新的一层。业界正在(使用称为 PMEM.IO 的东西)编写新的操作系统,以利用这一层,新的应用程序也正在编写,以便直接与该层(称为 DAX)进行对话。这些新的操作系统和应用程序将优化他们在 DRAM、NAND 和 3DXPoint 技术中的数据放置,满足 5G 带来的新应用需求。”

 

美光对各种存储技术的研究和对比

 

在 5G 推进的过程中,新兴存储技术确实时常出现,不过 Christopher Moore 认为新技术的应用还需要时间去验证。“就新兴技术而言,RRAM 是一种有趣的具有较低延迟的块存储技术,其高密度带来的经济性是否会促进大面积的市场部署还有待观察。STTRAM 是另一种新技术,但与 DRAM 相比,其延迟和能耗略高,可擦写次数较低,并且在密度方面存在实施挑战。STTRAM 具有易于与逻辑半导体工艺集成的优势。Logic+STTRAM 在业界的应用也还有待观察。新兴内存技术的研究和创新是令人兴奋的,但是要赶超 DRAM 和 NAND 还需要一段时间。”他对此讲到。

 

好或不好,5G 都已迎面而来


根据行业数据显示,从 2020 年到 2035 年,5G 将为全球年度 GDP 创造净值贡献达 2.1 万亿美元,这个数字相当于印度目前的 GDP——印度目前是全球第七大经济体。

 

面对这种权威的数据预测,聪明的人是不会用自己的“红灯思维”去质疑 5G 的潜力的,就像今天回看当年质疑 4G 的那群人一样。用大众感觉最强烈的智能手机来看,TechCrunch 调查报告预计,全球 5G 手机出货量将于 2023 年到达约 8 亿部,超越 4G 手机。

 

5G 到底有没有用?且看,且用,且评。