德勤：5G 时代应重视天线设计

发布于：2019/1/11 10:53:11 | 425 次阅读

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　　虽然5G可能需要数年才能重现4G的市场主导地位，但其速度、容量、延迟和渗透率使得5G成为许多电信运营商无法拒绝的机会。
　　德勤预测，2019年将成为第五代(5G)广域无线网络规模扩张的一年。 2018年共有72家运营商测试5G，到2019年底，我们预计25家运营商将在其至少部分地区(通常为城市)推出5G服务，另有26家运营商将于2020年启动，总数将增加一倍以上。此外，我们预计2019年将有大约20家手机厂商推出5G手机(款将于第二季度推出)，到年底将出货约100万部5G手机(预计在2019年销售15亿部智能手机)。届时将售出100万台5G调制解调器(也称为热点)，并将安装约100万台5G固定无线接入设备。
　　到2020年底，我们预计5G手机销量(1500万至2000万台)占所有智能手机销量的约1%，销量将在2021年开始起飞，这是零售商销售超过1亿部5G手机的年。首批5G网络对用户而言最显着的优势将是速度比现在的4G技术更快：峰值速度为每秒千兆位(Gbps)，可持续速度估计为每秒数百兆位(Mbps)。
　　5G的三个主要用途 —— 在短期内
　　在2019年和2020年，5G无线技术将有三个主要应用。首先，5G将用于真正的移动连接，主要是智能手机等设备。其次，5G将用于连接“较少移动”的设备，主要是5G调制解调器或热点：专用无线接入设备，小到足以移动，将连接到5G网络，然后通过Wi-Fi技术连接到其他设备。，将出现5G固定无线接入(FWA)设备，其天线地安装在建筑物或窗户中，为家庭或企业提供宽带而不是有线连接。
　　所有这些5G设备将在低频段(低于1GHz，例如700MHz)，中频段(1-6GHz，例如大约3.5-3.8GHz)和毫米波(mmWave，例如28 GHz)的传统和新型蜂窝无线电频带上操作。虽然智能手机、调制解调器和热点主要使用低频和中频，但5G FWA设备通常使用mmWave技术进行操作，这提供了比低于6 GHz频率更高带宽的潜力。由于mmWave频率难以穿透墙壁或某些类型的玻璃，因此许多5G FWA设备需要在窗户或建筑物的外墙上安装天线。
　　5G智能手机。由于5G与4G手机的两个关键组件(无线调制解调器和天线)存在差异，因此制作5G手机比人们想象的要复杂得多。智能手机中的调制解调器通常与处理器位于同一芯片上。高端手机捆绑的4G芯片在2018年的成本估计为70美元；5G版本几乎肯定会花费更高。一家的调制解调器/处理器制造商宣布，其5G芯片组将在2019年准备就绪，尽管供应限制表明，在下半年之前不会出现广泛应用。
　　更大的挑战是为5G设计天线。由于新的无线电技术将以28 GHz左右的频率发射(需要由多个组合辐射器组成的窄波束、高增益天线系统)和频率低于6 GHz(单元件、低增益、全向天线)，5G天线的设计要比4G复杂得多。2018年，最前沿的4G智能手机天线和前端成本通常约为20美元，预计5G解决方案在2019年上市，几乎肯定会带来更高的价格 - 可能比这还要高得多。
　　综合这些因素，2019年5G手机的组件成本可能比同类4G手机高出40-50美元，对于网络连接数量相对较少的手机而言，即使在可用的情况下，也可能只有很小的覆盖范围。然而，有一条好消息：电池寿命可能比4G刚推出时问题要小。芯片制造商表示，他们预计首批5G手机的电池续航时间或多或少与目前4G手机一致。
　　5G调制解调器/热点。个4G网络于2009年12月启动。从2010年到2012年，零售商销售了数以千万计的4G调制解调器/热点，为设备制造商和收取无线订阅费的运营商带来了数亿美元的收入。这些小装置，相当于冰球的大小，最初以200-300美元的价格出售，但迅速降至100.9美元以下。它们是便携式的，人们用它们将手机、电脑、平板电脑和其他设备连接到互联网。但随着越来越多的4G手机进入市场，它们的销量开始下降，特别是因为用户能够使用后期型号的智能手机作为4G热点，无线地将其他设备连接到他们的手机，而不需要独立的调制解调器。
　　我们预计，与4G调制解调器/热点相当的5G技术也将取得类似的成功，从而弥合5G网络开通与普通用户能够广泛使用和负担得起5G手机之间的差距。两家的美国运营商已经公开讨论在移动设备之前销售调制解调器，而一家主要芯片制造商的新5G芯片组太大，不太可能安装在智能手机上，但可以很容易地用于调制解调器。由于调制解调器仅由收音机、天线和电池组成，因此它们的成本远低于智能手机，不需要屏幕(通常是手机最昂贵的部件)、摄像头或光滑的机身。因此，尽管手机在发布后的年或第二年内将迅速被取代，但调制解调器可能会成为新兴5G市场的重要组成部分。应该注意的是，虽然调制解调器的信号将是5G，但是从“puck”到它连接的设备(智能手机，PC等)的信号将通过Wi-Fi或其他局域无线技术，这意味着根据技术的不同，速度可能会降低。
　　5G FWA设备。如上所述，可以将大约精装书大小的小天线放置在家庭或商业窗户的内部或外部，庭或商业。(mmWave发射器通常位于普通的电线杆上，而不是昂贵的专用塔，并且可能使用多个波段，既有mmWave，也有低于6GHz的波段。)如果该发射器连接到高速光纤网络，用户将享受数百Mbps的速度，可能达到每秒千兆位的峰值。天线将连接或连接到调制解调器/路由器，通过Wi-Fi在家庭或企业内部分配高速信号，将无法实现5G速度的智能手机、计算机、平板电脑、智能电视和其他连接设备连接起来。
　　一些美国航空公司已经开始使用mmWave和传统频率在少数几个城市开始有限的5G发射。还有许多美国以外使用mmWave的5G FWA设备试验；然而，在这个时候，美国以外一家确定计划在2019年推出的公司是澳大利亚运营商请注意，5G调制解调器/热点和5G FWA设备的市场是提供无线连接作为传统家庭宽带的替代方案，而不是为移动性提供4G替代方案。从长远来看，5G移动市场(手机、物联网设备和互联车辆)可能会以数十亿连接来衡量，但在2019年，大多数5G客户可能会使用5G替代有线，不能替代4G。以这种方式使用，5G FWA相对于mmWave的适用性因国家而异。在光纤到户或其他高速互联网服务无处不在且价格合理的地方，FWA并不总能带来特别的优势(尽管在某些情况下，5G FWA提供的速度和/或容量比某些光纤解决方案更快且更高)。在有线不太广泛和/或更昂贵的地方，或者传统蜂窝无线电频带中的无线容量已经拥挤的地方，mmWave解决方案可能更有用。
　　实际上，许多互联网用户已经完全依赖蜂窝无线数据来满足其家庭数据需求。根据2017年德勤调查，在一些国家(如英国，5%)，这一比例非常低。但在其他国家(如美国、加拿大和土耳其)，近五分之一甚至更多的互联网使用人群依赖蜂窝无线电波代替有线(图1)。值得注意的是那里可能是有线和无线用户之间的数字鸿沟，而后者有时会遇到较低的速度和/或容量。这两个用户群在人口结构上也有所不同：所研究的每个国家中仅限无线的消费者在年龄、收入、教育和其他因素方面存在差异。
　　在一个无线和有线连接在不同地区都有意义的国家/地区，想要覆盖最广泛的客户群时，5G无线(低于6 GHz和mmWave频率)与有线光纤策略结合使用时非常有用。在加拿大，该国三大运营商中已有两家宣布了这样一种混合策略，将FTTP用于光纤密度足够高的家庭，并用5G覆盖其余部分。一家运营商计划通过FTTP覆盖其1200万用户中的900万用户，并认为使用5G无线技术可以“立即有机会”覆盖另外80万用户。
　　通过几代人的无线采用：它总是看起来这样
　　对某些人来说，我们对5G采用的预测可能看起来异常保守或悲观。但我们认为没有理由怀疑5G的头几年看起来几乎与4G(2009-10)的头几年完全一样。此时，5G的采用速度将比1998年推出的3G更快，但需要时间才能获得广泛认可。
　　4G在2009年底和2010年初推出，只有少数运营商在有限的区域内提供服务。虽然自那时起十年内已经部署了越来越多的4G网络，但要想让4G成为使用最广泛的无线技术，需要到2019年，而且根据GSMA的数据，4G的使用要到2023，也就是14年之后，才会超过所有用户的50%。这意味着即使在2025年，5G仍可能是一个相对小众的技术，其预计的12亿次连接仅占移动非物联网连接总数的14%(图2)。各国之间会出现相当大的差异：在那一年，预计49%的美国用户将使用5G技术，日本为45%，欧洲为31%，中国为25%，但在拉丁美洲、中东和非洲，这一比例仅为个位数。
　　对速度的需求：理想与现实世界的条件
　　新的无线技术总能提供更快的速度，但速度至少可以表达三种不同的东西：在实验室或有限试验中实现的速度，理想条件下在现实世界中实现的峰值速度，以及现实世界中实际用户平均达到的速度。虽然5G仍处于早期阶段，但有一些数据表明每一种测量方法可能会是什么。
　　5G实验室传输速度最快的纪录为每秒1TB，而现场试验的纪录目前为35 Gbps。这两项指标都不能很好地反映现实世界的短期速度，尽管长期预测20Gbps可能是现实世界的峰值速度。
　　在实际条件下，5G的网速可能低于35Gbps，但仍然明显快于4G网络，并且也比某些光纤和电缆解决方案更快。一般来说，峰值速度可能超过1 Gbps，但这只适用于理想位置的人，非常靠近发射器，并且在不忙时使用网络。尽管如此，根据模拟，基于两个当前网络的小区站点位置和频谱分配，中值数据速度将随着升级到5G而激增。基于法兰克福网络的模拟，估计中值速度增加了九倍，从56 Mbps增加到490 Mbps。倘若使用mmWave覆盖范围，基于旧金山网络的另一项测试增长了20倍，从4G用户中值速度的71Mbps增加到5G用户中值速度的1.4Gbps。与房地产一样，实现5G速度将归结到位置、位置和位置！
　　当然，速度并不是5G网络的优势。另一个潜在的好处是延迟更低：从设备向网络发送消息并获得响应所需的时间。 4G网络的平均延迟大约为60毫秒(ms)，虽然可能存在相当大的差异，但理论上4G延迟可能低于此。但是5G网络的延迟时间不到1毫秒。即使在2019年，5G的延迟也比普通的4G网络低，尽管5G的平均延迟可能不会比4G低很多，但最糟糕的情况下，延迟可能会好得多。在5G的现场试验中，实际延迟已经“低至9毫秒”，尽管目前尚不清楚预计2019年推出的商用网络的平均延迟是多少；20-30毫秒似乎是一个看似合理的数字。
　　对于普通的消费者或企业用户，以及对于大多数当前的实际应用，在0.1秒和0.02秒(分别为100毫秒和20毫秒)之间几乎没有实际差异。然而，随着时间的推移，超低延迟对于支持物联网的应用、自动驾驶汽车，以及使用触觉反馈执行远程手术可能非常重要，尽管这些应用更有可能在2021年及之后实现，而不是在未来两年实现，但需要超低延迟和超可靠网络，以保证可靠性。
　　总结
　　到目前为止，本文主要关注5G网络用户(无论是企业还是消费者)最感兴趣的5G方面。在这里，我们更多地关注可能与网络运营商更相关的问题。
　　本文开头的预测仅涉及真正的5G网络和设备，不包括那些几乎肯定会将的4G LTE(长期演进)技术(通常称为4.5G)推广为5G的运营商。对于用户而言，这种区别可能并不重要：4.5G和5G网络都提供了每秒数百兆比特甚至每秒千兆比特的极高速度。然而，对于运营商而言，存在成本重要差异。如果运营商可以提供超过4.5G的500 Mbps无线服务，他们为什么要花费数百亿美元用于设备和无线电频谱的资本支出来实现5G呢？
　　实际上，这个问题有一个明确的答案，这与5G更大的容量有关。通过各种技术，预计5G的流量和网络效率将比4G提高一百倍。这对所有运营商来说无关紧要：拥有大量频谱但客户相对较少的三等或四等运营商，可能很好地在效率较低的4G网络上提供类似5G的速度。但是对于许多国家的运营商 - 例如美国，菲律宾，法国，爱尔兰，澳大利亚和英国，其网络运行容量高于其他一些国家，提供更高速度的能力，实现均匀的高速，每月更大的总容量，只能升级到5G。
　　说到资本支出，5G的前景看起来比最初想象的要好。一项研究预测，为实现5G，运营商的资本支出占收入的比例需要从13%升至22%，而这一比例需要在有限的时间内实现。但随着2018年的现场试验取得进展，北美、欧洲和日本的许多运营商正在重新评估成本，并发布公众指导，5G的资本支出强度将与其4G支出或多或少持平。一个主要原因是他们都有“预装”支出，通过积极投资更密集的光纤网络(预计未来5G和支持今天的4.5G技术)，以及购买为5G准备就绪的无线电硬件，可以在发布到来时通过软件升级到完整的5G。
　　应该指出的是，以上所有内容仅适用于资本支出性投资。目前尚不清楚5G可能对年度运营支出产生何种影响。
　　就频谱而言，早期迹象表明运营商的频谱成本将比3G更接近4G(见图3)。对于3G的推出，网络运营商在频谱方面投入了大量资金：按每人每MHz的价格(MHz pop)来衡量，英国的3G频谱拍卖平均售价为3.50美元/ MHz pop。然而，在4G推出之前的频谱拍卖中，运营商的花费要少得多，800 MHz频谱的为0.60 美元/MHz pop，而2.6 GHz频段的频谱仅为0.07美元/ MHz pop。 (重要的是要注意，确切的频段对价格很重要：较低的频谱传播更远并且更好地穿透建筑物，相当于海景房。因此，频谱越高，通常是MHz pop越低。)根据一些早期拍卖，5G频谱的价格，取决于频段，与4G频谱的价格一致：图3中六个国家的所有拍卖价格都低于0.20美元/ MHz pop，而且两个国家的价格低于一美分。
　　但是，所有地区的频谱价格都这么低。意大利频谱拍卖于2018年10月结束，价格就很昂贵，700 MHz频谱达到0.65美元/ MHz pop，中频3.6-3.8 GHz频率售价超过0.42美元/ MHz pop - 远高于预期意大利市场，实际上是预期的双倍。展望未来，如果意大利的经验更为典型，那么运营商可能需要向上调整他们的预期，至少要调高一点，因为他们需要支付非mmWave频谱的费用。目前，似乎没有人为mmWave频率支付额外费用：即使意大利拍卖的价格也不到中频的1%。
　　尽管未来12至24个月5G的应用曲线可能相对较浅，5G重现4G在市场上的主导地位可能需要数年时间，但许多电信运营商出于速度、延迟、渗透、(尤其是)容量等原因，有强烈的动机加入5G潮流。当这种情况发生时，我们将迎来一个快得多的世界。

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