5G商用时代即将来临 标准先行一步

自2017年底，5G NR标准的第一稿正式推出以来，5G商用进程向前迈出了实质性的一步，那一刻起，全球越来越多的半导体及终端厂商都争先恐后地开始基于该草案研发各种商用化的产品和技术，以抢占市场先机。随着2018年下半年的渐行渐近，备受关注的Phase 2的一些草案也被提上日程，Phase 2将真正确定关于5G SA的独立组网标准，5G技术跃入商用化时代又将迈出关键一步。

那么，关于5G独立组网（SA）和非独立组网（NSA）两种不同的组网标准，全球主流运营商都作何选择？它们各自在技术和市场化层面上又有哪些优劣势？未来要更多地扩展到毫米波频段，在技术和应用端又存在哪些挑战？5G商用化时代步步逼近，对芯片端特别是射频前端的芯片设计又会有哪些重要影响？4月11日，在“第七届EEVIA年度中国ICT媒体论坛暨2018产业和技术展望研讨会”上，记者采访了来自NI、Qorvo等全球众多半导体行业领先厂商的专家们，针对上述多个问题进行了深入的交流和探讨。

考虑成本及商业化进度 NSA与SA标准运营商各有取舍

众所周知，NSA与SA是5G领域两种不同的组网标准，去年12月份，NSA的第一版标准正式完成，成为各大厂商布局5G技术及产品开发的重要指导方针。据传，今年6月，SA的第一版标准也将正式落地，届时所有国家的运营商都会基于该标准开始做商用试运行和技术研发，5G时代的大幕正徐徐打开。

针对NSA（非独立组网）和SA（独立组网）两种标准，商用层面上各自拥有哪些优劣势？目前全球各大运营商都是做何选择？Qorvo亚太区移动事业部市场战略高级经理陶镇告诉记者：“目前来看，全球运营商的布局只有中国移动和中国电信两家走的是SA路线，其他绝大多数运营商包括中国联通在内都选择了布局NSA路线。这主要是由于SA布网需要全部的设施重新投入，其中包括核心网、接入网以及数据链网都需要基于5G－NR来做，投入是相当巨大的。而NSA非独立组网的好处在于核心网和接入网可以基于4G－LTE展开，只需要在数据内容层面去做5G的基站部署即可，从资本的角度来看会节省很多。”

Qorvo亚太区移动事业部市场战略高级经理陶镇

不过，从长远来看，真正步入5G大规模商用成熟时段，未来NSA路线最终还是要逐步向SA过渡。陶镇表示：“相比NSA非独立组网而言，SA的所有核心网，从接入网的数据层面、控制层面以及语音层面上都是纯粹的基于5G－NR，而NSA只是中间的一个过渡，未来运营商们都会逐步过渡到SA，这只是时间问题。因为在运营商看来，纯粹的5G有着4G时代所不能够实现的诸多功能，比如网络虚拟化管理、网络切片等功能，而且在5G网络中，相比4G而言运营商可以节省更多的成本。这些是NSA在组网方面所不能够实现的，这就是为什么中国移动和中国电信第一步就选择做SA，这是国家使命。3G时代我们处于跟进状态，4G与全球齐头并进，而到了5G时代，国家希望能够处于领先的状态，虽然从资本投入来说相比NSA会耗费更多的成本，但比起运营商未来的投资成本以及为用户服务的角度来说，纯粹SA的5G一定是真正的5G。而其他国家，事实上运营商方面是并没有国家政策的优惠扶持的，因此他们在战略布局上会更多地考虑到投入成本，所以自然NSA成为了他们第一步的选择。”

5G和毫米波时代 通信模块设计复杂度成倍提升

诚然，无论是SA或是NSA组网模式，对于消费者来说无疑都是一种网络体验层面上的大幅提升。但对于整个产业来说，NSA非独立组网显然能够更快速的推进5G技术的商用，不过这也将面临更多的技术挑战。NI中国区技术市场工程师马力斯表示：“在实际应用中，非独立组网在满足5G要求的同时，也需要并行兼容4G要求去在频段上做一些重合，其中干扰、频谱以及混合模式带来的问题都会给业内厂商提出更多新的挑战。”

在新版的5G New Radio中，随着更多新技术的逐步加入，业内会看到未来有更多的频段（特别是当下非常火的毫米波频段），将会成为5G主要集中研究的方向。马力斯告诉记者：“4G LTE时代，一个重要的变化就是在子载波间距上，基本上使用的都是15KHz这样固定的子载波间距，但到了5G NR部分，就需要用更灵活的子载波间距。因为后面若要扩展到毫米波频段，包括带宽和子载波间距在内都需要做一个非常大的调整，而不是使用原来这种固定的方式，这些调整对设计也会提出一些新的要求。比如带宽方面，除了sub－6GHz外，毫米波部分可能会更多的考虑到像400MHz这样的带宽，这种带宽对测试厂商来说，特别是像一些高端的射频前端芯片，可能还会用数字预失真以及包络跟踪这种方式，这其实就需要测试设备有一个更高的带宽才能满足这种设计的要求。”

NI中国区技术市场工程师马力斯

对于应用端特别是智能手机领域，毫米波的一些要求其实也会对通信模块的设计复杂度带来更多的考量。马力斯补充道：“因为毫米波本身波长的变化，导致天线会变得比以前小很多，集成到手机上面相对来说比较容易。而小很多的这种天线在毫米波部分，需要做很多beamforming，如果再去做天线阵列的话，就需要考虑进行天线阵列attena array方式的设计。另外，相位噪声和SNR是否有一个非常好的指标，毫米波部分LO是否有一个非常好的指标，其实都是非常大的考量。当然，还有一些其他的方面，比如OTA测试，OTA要做CalibraTIon，一些校准的问题就会暴露出来。种种问题，最后集中到一点，就是测试的时间和成本问题，如果除了考虑这些问题复杂度外再考虑到Business方面的一些问题，整个的挑战就相当巨大了。”

NSA商用阶段：射频前端设计将面临哪些挑战？

由于在发展前期，NSA非独立组网模式需要4G和5G共存，对射频前端芯片设计也会提出更多新的要求，比如需要做更多高度集成化，其中包括芯片内部架构、频段的配置以及更多射频指标的考量，比如高带宽、高调制特性以及更好的EVM等要求，无疑进一步增加了整个系统设计的复杂度。

站在专业厂商的角度，陶镇告诉记者：“由于非独立组网主要依靠LTE作为核心网，所有的语音通信层面、控制层都是LTE，而数据层面走的是5G NR，因此射频前端就意味着必须要有一个LTE的通道，无论是哪个频段，还必须要有一个5G的通道同时上下行工作，由于其中会有一些互相干扰的问题，因此在设计上是一个非常大的挑战。另外，5G相比较4G，在频段上也会有更多的不同，LTE带宽最高20M，而到了5G最多就会是100M，尤其是这100M还是针对6GHz以内的频谱，到了毫米波阶段最高会是400M的带宽，也就是说单信道必须得支持到400M。而且，在毫米波的时候，6GHz以内也必须是100M带宽，如果从PA的角度来说，这个难度是相当大的，现在的LTE单载波就要20M，如果做上行载波聚合中国移动最多也就3个载波，即60M带宽的上行载波聚合，所以在LTE时代我们看到最多的就是60M带宽内的功率放大器的设计，但到了5G时代必须要涉及100M的带宽，对于PA来说会是非常大的挑战。”

具体来讲，陶镇进一步补充道：“首先，由于5G时代，带宽和子载波间距都变宽了，会需要更多的频谱，因此就需要更多新的射频半导体来对这些新频段做支持，尤其是PA的重新设计。因为从CDMA到WCDMA，最大的问题就在于PA的设计，这三类制式的PA都属于线性化设计，其中会考虑到很多线性指标，而线性指标最重要的因素来自于数的波形是什么样的，所以5G定义了CP－OFDM，这样一个信号波形相比标准的LTE最大的区别在于SCDMA很高，对PA来说峰均比更高，PA需要更宽、更高的线性设计，这也是5G相比较于4G在设计射频前端器件上提高性能的关键点。除了CP－OFDM外，3GPP还有一个降规格的标准——SFT－S－OFDM，这是一个比LTE相对弱一点的标准，但可能因应用场景不同而对于这样的波形LTE也可以做到完美支持。其次，从信号的角度考虑，厂商在4G和5G信号的共存和互干扰方面也需要做到更好的设计，同时需要更快的开关切换速度，虽然目前eMBB场景不需要低时延，但是在未来5G的第三个场景则需要开关切换速度相当快。最后，从系统架构的角度来看，由于5G需要更快的速率，相比4G来说会有更多的MIMO，在4G LTE时代已经提到了4个下行链路，叫4×4的MIMO，2019年中国三大运营商可能都会要求做到4×4的MIMO，但仍然是基于LTE的。而在5G时代4×4下行MIMO或上行2×10的MIMO可能会成为标准，因为5G必须要支持四个下行链路和两个上行链路，因此在系统架构层面会需要设计更多的天线分工器以及天线调谐的功能，怎么样去做更好的天线分工，可能就需要有天线分工器、多工器等，未来在5G的前端架构里面，除了PA、滤波器、LNA等传统的射频收发器件以外，厂商还需要更多的考虑前端的天线怎么分配，多工器如何支持更好的载波聚合，天线分工器可能就需要更多的跟手机厂家合作，因为他们决定了手机里用哪几根天线，每根天线支持什么样的频段。”

总之，5G商用时代正渐行渐近，面对全新且更复杂的技术和商业化标准，加之越来越多细分化的市场，未来应用层面上也必将会暴露出更多新的问题。面对5G更为庞大的系统架构，无论是对芯片设计，技术方案还是对终端产品开发商来说，未来如何在即保证自身产品性能又经得起市场推敲的同时，还能够实现与产业链上下游各合作商之间在产品、应用和市场化等多个层面上的无缝对接，成为当下乃至未来几年整个产业需要面对的关键难题。