5G,带来的机会和挑战

2019-05-27

街头巷尾,大家都在谈论5G

5G概念股更是涨了一波又一波。

5G这么火,它究竟给投资者带来什么机会和挑战?


5G是什么?


5G就是第五代移动通信,G就是Generation,“5G”就是“第五代”的意思。

5G的正式名称是IMT-2020,就是International Mobile Technology after2020,翻译成中文叫:2020年之后的国际无线通信技术。

5G是相对以前的2G3G4G而言,每一代都有不同的名称。


5G有什么特点?


这节都是5G常识,如果您对5G有所了解,请直接跳过。


5G不是某一个黑科技单点爆发,而是一次系统升级。


它就像一个捆绑销售的大礼包,你打开一看,发现巧克力从金帝变成了金莎,咖啡从雀巢变成了星巴克,炸鸡腿从麦肯基变成了肯德基,盒子从皱巴巴的中通纸皮箱变成了加盖礼品盒还绑上蝴蝶结。


你这才发现,哦,原来已经更新换代了。5G的大礼包里有什么呢?


1、传输更快(所谓的eMBB,这里上一幅经典的图,在百度百科里就有:




5G网络意味着超快的数据传输速度。


如图,5G技术每秒能够传输超过1G的数据。相对而言,相对较快的LTE网络每秒可传输大约10M的数据,这大约相当于0.01G。整整100倍的大跃进。


这意味着,手机用户在不到一秒时间内即可完成一部高清电影的下载。(下片神器可以退出历史舞台了)


 2、终端接口更多(所谓的mMTC




5G网络能够灵活地支持各种不同的设备。今天的终端设备,主要是手机和电脑。


在未来,5G网络将还需要支持可佩戴式设备、工业用互联网标签、智能驾驶汽车、智能家电等等,甚至包括一个茶杯、一片植入你体内的心脏瓣膜等等。每个人将需要拥有10-100台设备为其服务。


但迄今,科学家还很难弄清楚支持所有这些设备到底需要多大的数据容量。


3、时延更短(所谓的rRLLC



4G的时延,在1秒左右甚至更长。我们看视频,常常会出现卡顿,这就不是毫秒级的时延了。


5G时代,时延会降到10毫秒以内。


无人驾驶要求低时延,10毫秒以内可以防止大多数车祸。如果能降到5毫秒以下,甚至车与车之间能够不带间隙地快速流动,交通道路像地铁一样运行,完全没有问题。


工业机器人要求流水线上下精准配合,10毫秒以内,能够实施大部分的精准配合和生产,生产精度将出现大飞跃。


4、其他特点,包括更省电、移动性更好频谱效率更高等等



高能效:5G带来能耗大大降低。5G时代基站更多,大量能耗加起来将是惊人的。因此,5G要求能耗大幅度降低。


频谱效率:5G时代传输数据量更大,而频谱本身是有限的资源,像山川、大河一样,不可再生。因此5G传输要求大程度优化频谱使用效率。


移动性:5G要求低时延,而许多终端是在告诉移动的,这就要求解决移动性终端的通信时延问题。



以上特点带来什么变更?


技术上的变更


以上特点是ITU5G设备商下KPI,但指标不等于路径。


ITU:“我不管你黑猫白猫,能达到这些KPI就是好猫!”


然后设备商和上游的器件商们就拼命折腾,最后摸出几条大的技术变更


Massive MIMO


MIMO就是“多进多出”(Multiple-InputMultiple-Output),多根天线发送,多根天线接收。


LTE时代就已经有MIMO5G继续发扬光大,变成了加强版的Massive MIMOMassive:大规模的,大量的)。



4G时代,基站上就有好几根天线。


而到5G时代,天线不用“根”来算了,直接用集成,变成了“阵列”。


 波束赋形


基站发射信号的时候,就有点像灯泡发光,信号是向四周发射的。


对于光,当然是照亮整个房间,但基站只想照亮某一个特定的终端。


这意味着,大部分基站信号是浪费的。


怎么才能让基站信号有方向性呢?答案是“波束赋形”。


在基站上布设天线阵列,通过对射频信号相位的控制,使得相互作用后的电磁波的波瓣变得非常狭窄,并指向它所提供服务的手机,而且能跟据手机的移动而转变方向。



 D2D


信息传输步骤越多,传输速度就越慢。


5G要实现高速传输,其中一个办法是,让手机和手机之间直接传信号。


就像我给对面楼层的客户打电话,信号其实是先传到几百公里外的基站,然后再传回客户的手机。但在5G时代,我们就是手机对手机的直接通信了,基站只负责给信令。



 边缘计算


边缘计算,就是把算力、数据、服务从遥远的核心网下沉到更近的节点里面。


之前,数据都统一传到基带单元或者核心网,计算以后再穿回来。


现在,算力下沉了,数据就不用传这么远、这么多节点了。


这样,数据传输和回传的路程又进一步减少。高速度、低时延,都可以满足。





小基站


5G频谱4G更高,意味着信息传输距离更小。


5G要求高速度、低时延,那么数据覆盖当然得无死角。


两股力量之下,小基站应运而生。


就像供热系统,如果全村人共用一个暖气设备,那么村子外延的人肯定太冷,而中心的人又会太热。改成每家一个暖供,那就会好很多。 信号传输更快,死角也更少。




NOMA


NOMA学名叫“非正交多址接入”。


频谱就好像高速公路,如果大家挤在一起,是会撞车的。


为了有效利用这条告诉公路,工程师们想了很多办法。


TDMA,就是“时分多址”,大家分开时间用这段频谱,5点钟你开车,6点钟我开车,不许胡来。


FDMA,就是“频分多址”,大家分开频率利用,这段路只需我开车,那段路只需你开车,不许胡来。


CDMA,就是“码分多址”,就是正交了时间和空间,这个时间段的这段路只能我开车,你可以换个时间或者换条赛道,但不能和我挤。


NOMA则完全不一样,它按照能量量级划分。不同能量量级,即使同一时间同一赛道,也能跑好几辆车,而不至于撞车。之前只能为一个用户分配单一的无线资源,例如按频率分割或按时间分割,而NOMA方式可将一个资源分配给多个用户。


这样,频段的利用率就更高了。


硬件上的变更


RRU+天线=AAU


传统上,射频单元(RRU)通过基带射频接口与 BBU通信,完成基带信号与射频信号的转换;天线是电路信号与空间辐射电磁波的转换器,向空间辐射或者接收电磁波。


RRU和天线是用又粗又黑的馈线连起来的。


5G时代,Massive MIMO(大规模天线)技术有望快速实现商用。


该技术基于波束成形的原理,在基站端布置上百根天线,对几十个终端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路信号,可以极大地提高频谱利用效率和网络容量。


而每个天线振子背后,将直接连接分布式的微型收发单元(micro-radio),包括数字信号处理模块(DSP)、数模(DAC /模数(ADC)转换器、放大器(PA)、低噪音放大器(LNA)、滤波器(filter)和双工器(duplexer)等。


也就是说,RRU和天线直接集成在一块PCB板上了。


馈线还会造成信号损失,AAU则完全没有这个问题。


BBU=CU+DU


基带单元(BBU)负责集中控制与管理整个基站系统,完成上下行基带处理功能,并提供与射频单元、传输网络的物理接口,完成信息交互。


3GPP 提出面向 5G 的无线接入网重构方案,将 BBU 拆分为 CU-DU 两级架构。


其中, DUDistributed Unit)是分布单元,负责满足实时性需求同时具有部分底层基带协议处理功能。


CU(Centralized Unit)是中央单元,具有非实时的无线高层协议功能。





以上变更带来什么机会和挑战?


机会


质:集成化带来需求升级


因为集成,所以技术要求更高。


我们暂以射频为例。


首先,射频端价值会提升。


AAU将天线、滤波器和功放等单元集成在一起,需要考虑功耗、散热和小型化等因素。


那么,更小、更省电的陶瓷滤波器就会起来,功率放大器PA也朝着GaN方向演进。


其次,价值会从天线传导到PCB板。


一方面天线不再是独立的个体,而是与其他单元集成;另一方面Massive  MIMO技术下,天线振子通道达到128个之多,PCB整体使用量也就多了。


 量:多基站导致量级跃


伴随移动通信从 2G 升级至 3G  4G,通信频段不断从 800MHz 900MHz 提高至1.8GHz 2.1GHz  2.5GHz,导致基站覆盖范围持续缩小(上行覆盖缩小 20%), 基站建设密度不断加大。


5G 时代,将使用更高频的通信(3GHz 以上)。因此,5G 基站(宏基站) 覆盖密度有望至少达到 4G  1.5 倍。


考虑到 4G 基站的持续深度覆盖,我国4G 基站总量有望达到 400 万个;我国 5G 基站总量或将达到 600万个,全球基站有望达到 840 万个。这还没有算上数量众多的小基站。


基站多了,里面的器件当然也就多了。


我们暂以光通信为例。


基站多了,光纤就会多。若按全覆盖要求,据Fiber Broadband Association估计,5G的光纤用量会比4G16倍。考虑我国4G基站密度已很高,城区间距仅数百米,估计5G光纤用量是4G2-3倍。


基站多了,光模块的需求也会多。假设5G基站是4G2-3倍,再考虑中/回传模块,可望带来数千万级的25GHz高速光模块用量。5G 的扁平架构给传统带来巨大容量和成本压力,这就需要大量的光模块进行支撑。


5G频率更高,波分复用需求也更多。5G架构使回传/中传/前传容量扩大几十倍,达数十上百Gbps级,需要引入基于25G/50GCWDMWDM,对可调激光器、可调滤器和CWDM/WDM器件提出了很高的性价比要求;对于TWDM PON系统,eCPRI乃至边缘ROADM系统的需求都可能大增。


挑战


技术洗牌导致低端淘


技术洪流滚滚向前,没有能力做出新一代产品的厂商,就会衰落。


光模块都要用100G以上了,从前的2.5G10G光模块就只剩下存量需求了。


射频滤波器都换成BAW了,做SAW的厂商就只能哄抢所剩不多的4G市场。


技术洗牌导致低端淘汰,“国产替代”的所谓机会也只是吃不了肉抢汤喝。


你头破血流抢来的,只是注定要萎缩的市场。


集成化导致器件缩


集成化,导致之前很多非核心的东西被淘汰。


5G绝大多数是天线和设备集成在一起的,馈线这种东西会逐渐消失。做馈线的公司,只能捡4G残留下来的市场,直到不得不转型。


基带处理部分会虚拟化,简单来说,以前BBU是专门的硬件设备,非常昂贵,现在,找个x86服务器,装个虚拟机,运行具备BBU功能的软件,然后就能当BBU用了。


以前卖昂贵BBU硬件的路子会越走越窄,以及配套设施——走线架、机柜、蓄电池等等,都会萎缩下去。


技术成熟而市场跟不


这个挑战其实比前两个更严峻。


5G技术已经不成问题,问题是市场。


华为X-LAB曾经苦心调研并大开脑洞,列举了5G24大应用场景。



市场上从来不缺乏看空的声音,任总本人就曾经说过:


“科学技术的超前研究不代表社会需求已经产生。如果社会需求没有发展到我们想象的程度,我们投入进去意义就没有那么大,因此,5G可能被炒作过热,我不认为现在5G有这么大的市场空间,因为需求没有完全产生。


如果说无人驾驶需要5G,现在能有几台车在无人驾驶?其实轮船、飞机等已经实现了无人驾驶,但是如果飞行员不上飞机,乘客敢上飞机吗?就是这个道理。系统工程不是有一个喇叭口就能解决的问题。”


任总看法很悲观,行动却很乐观。智能汽车、智能家居、云平台,和5G相关的产业,华为一个也没落下。


毕竟从1G4G,哪一次有人成功预言过市场的机会?但出现了,它就是出现了。


信心,比黄金更可贵。



参考资料

Wikipedia: 5G, IMT-2020

百度百科:5GIMT-2020

鲜枣课堂:《黑科技解读:带你秒懂5G技术》

华为:《5G应用场景白皮书》

安信证券:《5G:十年一遇的代际升级,通信投资盛宴即将开启》