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年至今國內外運營商已陸續發布5G的路標與試驗計劃，北美和日韓運營商均計劃2017年至2020年期間逐步實現5G預商用與商用，國內三大運營商也陸續發布5G路標與試驗計劃，并均表示在2020年將商用5G。5G終端作為5G業務的關鍵元素，是未來5G產業的重要價值載體，運營商在規劃5G網絡的同時需考慮如何推進符合自身5G業務需求的終端產業發展問題。

與LTE不同，ITU-R（International Telecommunications Union-Radio，國際電信聯盟無線電通信部門）定義的5G三大應用場景[1]使5G終端的形態呈現出多樣化趨勢，因此明確終端的業務形態與技術性能指標是運營商5G終端規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網絡的同時引入相關關鍵技術（如全頻譜接入、大規模天線、雙連接等），使5G終端在實現上遭遇新的挑戰。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，本文首先通過標準進展、運營商規劃及終端測試產業等方面給出5G終端產業的發展現狀；然后對5G終端在多網融合下實現全網通方案所面臨的挑戰（如終端實現全模全頻對射頻前端與天線設計的挑戰、雙連接雙收雙發造成的自干擾問題、OTA測試挑戰等）進行探討分析；最后對5G終端的形態與終端芯片的技術指標進行預測，并提出運營商引入5G終端的若干策略建議。

2 5G終端產業現狀

2.1 國際標準進展

ITU（International Telecommunications Union，國際電信同盟）在2016年已開展5G技術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年底完成標準制定。3GPP的工作組（包括SA、RAN、CT）承擔5G國際標準內容的研究與制定工作。SA組從2017年初至今，已針對業務需求、架構、安全等陸續完成并輸出5G相關標準（TS）[2-4]。RAN組則針對物理層、架構、接口協議、射頻天線等討論完善相關技術報告（TR）并逐步輸出5G NR（New Radio）相關的TS，預計NSA（Non-Standalone，非獨立）架構的5G NR標準將于2017年底完成，2018年3月凍結；而SA（Standalone，獨立）架構的5G標準將于2018年6月完成，9月凍結。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，與終端相關的TS（如終端接入能力、終端無線發送與接收等）在2017年底或2018年初陸續完成，而關于與終端性能要求相關的TS將在2018年上半年完成。

從目前的標準進展來看，eMBB（Enhance Mobile Broadband，增強移動寬帶）場景技術點及部分uRLLC（Ultra Reliable Low Latency Communication，低時延高可靠通信）場景技術點預計可在2018年上半年（NSA標準階段）完成，mMTC（Massive Machine Type Communication，海量物聯網通信）場景的相關技術點需待R16進行討論。

2.2 運營商5G規劃

目前國外運營商規劃的5G業務場景主要是以eMBB為主，終端形態主要涵蓋AR/VR、CPE（Customer Premise Equipment，無線客戶端設備）、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的業務需求存在一定程度的分化，從而導致了5G終端產品形態存在差異。北美運營商（如Verizon、AT&T）根據自身原有的WTTx（Wireless To The x，無線寬帶到戶）業務背景，把CPE作為其5G業務的主要終端產品；而日韓運營商根據運營區域的國際熱點需求，把VR/AR、手機、無人機等作為其5G業務的主要終端產品。

2.3 終端測評

目前國內外終端測試廠商正為5G終端測評做準備。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物理層新技術推出超寬帶信號產生與接收解決方案[8]，并于2017年5月宣布推出5G協議測試解決方案，為設備廠商的產品研發提供強大的工具[9]；羅德與施瓦茨已開展針對5G（極高頻）寬帶信號的產生與分析研究，同時在室內外信道環境模擬上提出了相關解決方案；而國內星河亮點一直在OTA方面開展深入研究，其自主研發的信道模擬系統未來可支持Massive MIMO測試的要求[10]。

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

3 5G終端產業化關鍵問題挑戰分析

5G的業務需求、多種組網方案以及高性能指標對終端實現提出了新的挑戰，具體包括：多網融合下支持全模全頻對終端射頻前端與天線的挑戰、雙連接技術下雙收雙發導致的自干擾問題、OTA測試挑戰等。

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

終端的射頻前端主要由工作于固定頻段的一組收發器件組成，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全網通終端的關鍵器件。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化。另外，該頻段中B42（3.4 GHz～3.6 GHz）的射頻前端產業規模相比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技術研發試驗規劃了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計。

3.2 天線技術挑戰

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

在Sub-6 GHz頻段，終端可采用4/8根天線通過分集或復用提升對用戶的覆蓋性能，但天線數量增加會使設計存在空間壓縮、規格提升等問題，需通過器件與算法優化滿足天線設計參數（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波束賦形和波束追蹤技術，使天線設計存在空間、工藝、功耗、成本等問題。

3.3 雙連接技術挑戰

目前業界存在兩種網絡架構部署方式，即獨立架構（SA）與非獨立架構（NSA）。若5G網絡按NSA架構部署，則要求終端支持雙連接技術，采用雙射頻同時連接4G與5G網絡并進行雙收雙發，此時射頻器件非線性等因素容易導致終端存在自干擾問題，即上行雙發可能對下行接收產生諧波與互調干擾，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

傳統終端測試采用基于傳導連接的方法，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，傳導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、更多的發射及接收天線、更加復雜的波束賦形工作模式，OTA測試面臨的挑戰包括更大的微波暗室、更大的路徑損耗、更復雜的測試系統以及更長的測試時間等。另外，射頻端口取消后，在終端研發測試過程中如何對終端的基帶協議、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終端產業鏈現狀及終端關鍵挑戰進行了討論，下面將結合討論并根據以下問題思路提出運營商引入5G終端的策略建議：首先，滿足業務需求的終端是什么形態，芯片將達到怎樣的技術指標？其次，如何針對終端實現的關鍵問題聯合產業各方討論方案并推進產業落實？如何驗證終端使規劃終端順利“落地”？

4.1 終端形態與芯片預測

5G終端的形態根據三大應用場景的差異將呈現多樣化趨勢。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控設備（交通）、車載終端、機器人、醫療設備、工業制造及檢測設備等；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、智能可穿戴設備、智能檢測設備（農、林、城市）等。具體如圖3所示。

結合表1運營商規劃與圖3三大場景的終端形態，預測首批5G終端產品的業務形態趨向于AR/VR、CPE、手機、平板電腦等；而從主流芯片廠商規劃來看，5G初期終端產品形態eMBB場景下主要以CPE與手機為主。根據標準的完成計劃與主流芯片廠商的研發進展，預計2018年底有5G單模CPE出現；2019年中有5G拼片方案手機終端出現，支持全模與雙卡方案；2020年將出現SOC的5G終端，支持全模。

目前國內外芯片廠商均已啟動對標準5G芯片的研發與試驗，結合標準時間計劃與芯片廠商的芯片規劃情況，對5G終端的預測具體如表2所示：

表2 5G基帶芯片預測

預計5G初期終端基帶芯片主要支持eMBB場景下的相關技術功能，少數廠商芯片會支持uRLLC場景下的一些技術功能。5G初期mMTC場景預計將延用4G物聯網終端芯片，待R16中進行討論規劃。

由于5G終端產品規劃與運營商的運營背景以及運營區域的具體需求有較大的關系，因此運營商引入5G終端時需明確5G的價值歸宿，根據自身運營背景與業務需求，結合擬部署的網絡架構和整個產業鏈成熟度（標準進展、芯片研發時間、射頻前端、天線等）因素綜合規劃5G終端的演進方案。

4.2 全模全頻終端挑戰策略建議

圖3 5G終端的形態呈現多樣化趨勢示意圖

從上文的終端挑戰分析可知，終端實現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，運營商需明確網絡架構與關鍵技術需求，同時聯合產業鏈上下游提前討論問題解決方案。首先，運營商在進行5G頻段部署規劃和關鍵技術引入時，既要平衡性能與終端成本間的關系，也應充分考慮擬部署頻段對應的射頻前端與天線的產業規模；其次，在確定采用NSA架構部署網絡前，應根據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

運營商可聯合終端產業主流芯片與終端廠商研究制定5G終端功能需求及技術方案，與芯片廠商合作開發標準的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。

根據上文對OTA測試挑戰的分析，運營商可針對Sub-6 GHz和毫米波頻段，聯合主流儀表廠商合作研究基于OTA的終端空口關鍵技術測評方案，并與其合作研發符合自身業務需求的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預商用、商用終端的測評能力，為符合自身業務需求的5G終端產業化提供保障。

5 結束語

由于運營商對5G終端的規劃仍存在較多不確定因素，因此在推進5G終端產業發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5G終端產業的發展現狀和終端產業化所面臨的挑戰，對5G終端形態與芯片技術指標進行預測，提出并分析了終端在關鍵技術實現上可能存在的技術挑戰，結合預測與挑戰提出運營商引入5G終端的若干策略建議。運營商應建立合理的5G終端工作思路，既要從自身需求出發，主動積極推進5G終端的產業化進程，也要與5G產業整體發展方向保持一致，避免被產業邊緣化，從而更好地引領5G終端產業健康向前發展。

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[2] 3GPP TS 22.261 V16.0.0. Service requirements for the 5G system (Release 15)[S].

[3] 3GPP TS 23.501 V16.0.0. System Architecture for the 5G System (Release 15)[S].

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[9] 是德科技推出首款5G協議研發工具包 為下一代移動設備的原型設計提供支持[J]. 電子測量與儀器學報,2017(5): 779.

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