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5G频谱行业分析报告
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2017年3月
正文目录
1.频谱——无线网络的战略性资源3
1.1.低频谱是稀缺资源3
1.2.5G频谱需求量大4
2.提升频谱效率——解决频谱供需矛盾的核心6
2.1.技术手段提升频谱利用效率7
2.2.经济手段——频谱拍卖9
3.5G频谱对网络的影响——更高频率、更多频段10
3.1.更多频段——射频器件需求量加倍增长10
3.2.更高频率——基站密度更高、高频射频器件受重视12
4.相关建议15
5.风险提示16
图目录
图1:
三大运营商现有频段集中于800MHz-2.7GHz之间4
图2:
三大运营商现有频段集中于800MHz-2.7GHz之间5
图3:
ITU-R研究的6GHz以下候选频段6
图4:
载波聚合技术示意图——将20MHz、10MHz、10MHz三个频段聚合为40MHz的频段7
图5:
MIMO(大规模多天线)技术——提升信道容量的关键物理层技术8
图6:
覆盖式频谱共享技术示意图9
图7:
氮化镓更适合高频器件,将成5G新星13
图8:
SAW滤波器频率和特征尺寸成反比,适合2.5GHz以下频率14
图9:
SAW滤波器频率和特征尺寸成反比,适合2.5GHz以下频率15
1.频谱——无线网络的战略性资源
频谱是一切无线通信的基础。
同时,频谱的优劣直接决定着网络的建设成本、网络的通信质量。
1.1.低频谱是稀缺资源
据中国信息产业网,在刚刚结束的中国电信智能生态暨终端产业峰会上,中国电信集团总经理杨小伟披露:
2017年中国电信4G基站总数将达到115万个,建成基于800MHz频率的全球首张低频4G网络,与现有网络实现高低频协同覆盖,支持高品质VoLTE,打造全球领先的4G网络。
无独有偶,据C114消息,工信部日前下发文件批复同意中国联通调整900MHz、1800MHz和2100MHz频段频率用于LTE组网。
中国电信和中国联通同时钟情于低频频段,原因是低频频段覆盖范围广,网络建设成本低。
当前,相比中国移动,中国电信和中国联通在4G建设上落后较多,但是资本实力又不支持他们在高频频段与中国移动正面竞争。
根据通信原理,800M频率的覆盖半径约为2.1G频率的2倍,那么要达到同样的覆盖效果,2.1G组网所需要的基站数量约为800M的5倍。
正因为如此,低频频段是无线网络的稀缺资源。
但是,经过2G、3G、4G的建设,还有广电、广播及政府其他部门的占用,低频频段已经很难找到大段的空闲频段了。
图1:
三大运营商现有频段集中于800MHz-2.7GHz之间
1.2.5G频谱需求量大
根据《IMT20205G需求白皮书》,未来5G的用户体验速率要达到0.1-1Gbps(对应下载速度12.5-125MB/s),峰值速率达到数十Gbps。
图2:
三大运营商现有频段集中于800MHz-2.7GHz之间
根据香农定理:
其中,C表示传输带宽(Mbps),B表示信道宽度(MHz),S/N表示信噪比。
假设B=200MHz,S/N=1000,则C=2000Mbps,即2Gbps。
因此,5G信道宽度需要达到200MHz才算比较理想。
工信部无线电管理局副局长阚润田表示:
到2020年,IMT(国际移动通信)频谱需求总量为1300MHz-1800MHz。
目前我国已为公众移动通信分配了687MHz,因此到2020年缺口1100MHz以上。
我国无线电管理“十三五”规划明确提出,要为IMT-2020(5G)储备不低于500MHz的频谱资源。
目前我国5G频率规划以低频段为主,即6GHz以下频段,重点关注的是3300M-3600M,4400M-4500M,4800M-4990M。
图3:
ITU-R研究的6GHz以下候选频段
选用更高的频率也是一个备选方案,如6GHz以上的频段。
我们预测,2020年之前我国会重点关注6GHz以下的频段,相应设备可能在2018年前后推出。
2020年之后,为了实现更丰富的网络功能,需要逐步使用6GHz以上频段,比如20-40GHz的频段。
据人民邮电报2016年11月报道,美国明确提出研究28GHz附近的频段;T-Mobile正在使用28GHz频段开展室外5G移动通信的确认试验。
2.提升频谱效率——解决频谱供需矛盾的核心
带宽的增长、应用的多样化,对频谱的需求(尤其是低频谱)与日俱增,但是6GHz以下的频谱就那么多,而且还要考虑社会其他部门的需求。
因此,供需矛盾是频谱问题的主要矛盾。
提高频谱使用效率,是解决供需矛盾的核心手段,这也是无线通信技术研究的核心领域。
2.1.技术手段提升频谱利用效率
◆载波聚合——将碎片化的频段打包使用
载波聚合(CA:
CarrierAggregation)是LTE-A中的关键技术,原理是将多个LTE成员载波(ComponentCarrier,CC)聚合在一起,以实现更大的传输带宽。
图4:
载波聚合技术示意图——将20MHz、10MHz、10MHz三个频段聚合为40MHz的频段
2013年,韩国SK电信首次使用载波聚合技术,将800MHz附近频段和1.8GHz附近频段聚合为一个20MHz频段,以获得下行峰值速率150Mbps。
后来2014年,SK电信实现了3载波聚合。
2014年9月,中国电信实现了FDD和TDD的载波聚合,创造了载波聚合技术新的里程碑。
◆MIMO(大规模多天线)技术——提升信道容量的关键物理层技术简单的讲,MIMO就是使用多天线技术(发射端和接收端都需要多根天线),充分利用空间资源,在不增加频谱资源的情况下,成倍的提高系统信道容量。
图5:
MIMO(大规模多天线)技术——提升信道容量的关键物理层技术
2009年,IEEE(电气和电子工程师协会)正式通过了802.11n标准,这是第一个将MIMO技术引入到无线局域网(WLAN)的标准。
随后,MIMO成为4G的关键技术之一。
然而,MIMO技术并不意味着天线越多越好。
随着天线规模的增大,大规模天线的多用户、多小区调度和协作将面临更加复杂的场景、干扰环境以及能效优化问题。
◆频谱共享技术——将空闲频段充分利用起来
频谱共享是以频谱利用的高效性为目标,允许非授权用户机会式利用授权用户的频谱空洞传输,被认为是解决无线频谱资源紧缺问题的一种新方法。
频谱共享技术分为共存式频谱共享和覆盖式频谱共享。
共存式频谱共享是指,次系统以极低的功率使用主系统的频段,不会对主系统产生干扰。
覆盖式频谱共享是指,次系统频段完全覆盖主系统相同的频段,适用于主系统对频谱未充分利用的情况下,次系统使用同一频段中的空闲频谱。
覆盖式频谱共享分为机会式和协作式。
图6:
覆盖式频谱共享技术示意图
WLAN是最早利用频谱共享技术的无线通信系统。
美国联邦通讯委员会要求802.11a无线电能检测雷达信号并避免与它们形成干扰。
在5G时代,通过精细化管理,实现中、高频段的频谱共享,从而提高频谱利用率,是缓解频谱供需矛盾的一剂良方。
2.2.经济手段——频谱拍卖
据IT时报,新修订的《中华人民共和国无线电管理条例》已经公布,并于2016年12月1日开始施行。
此次修订将拍卖引入频谱资源分配制度中。
此前,国内频谱资源基本上采取的是行政审批方式,此次《条例》确立指配、招标、拍卖等方式并存的资源分配制度。
频谱拍卖最初始于1989年的新西兰,后来成为全球范围内的普遍现象。
频谱拍卖,对于运营商来说往往意味着不菲的费用。
凤凰科技报道,2015年1月,有AT&T、Verizon、T-Mobile参与的美国移动数据频谱拍卖会,总成交额达到449亿美元,远超美国联邦通讯委员会(FCC)的预期。
拍卖方式通过经济手段引导运营商对频谱的高效利用,但是也有可能导致电信运营商“强者恒强”的竞争格局。
根据3GPP的5G标准制定时间表,2018年eMBB(增强型移动宽带)标准将确定,意味着部分国家开始5G商用建设。
频谱是5G建设的前提,我们判断,如果我国的5G建设要走在世界的前列,最迟2018年要进行部分5G频谱的分配,有可能使用拍卖方式。
3.5G频谱对网络的影响——更高频率、更多频段
经过分析,5G频谱对网络的影响主要体现在两个方面:
1、更多频段,因为5G要求高的传输速率,更多的应用场景,决定必须提供足够的信道带宽,在频率资源有限的现实情况下,必定需要将原来碎片化的频段通过载波聚合的方式利用起来;对于网络终端设备,则需要相应的增加射频器件数量,尤其是滤波器、放大器。
2、更高频率,越往上走频率资源越丰富,但是高频必定导致信号的穿透能力变差,需要更密集的网络覆盖,小基站市场或将爆发;而对于射频器件,不管是基站射频还是终端射频,必定引起器件基础材料或者结构的变革。
3.1.更多频段——射频器件需求量加倍增长
理论上来说,一个频段对应2个滤波器和1个功率放大器。
除了5G本身需要利用更多的频段之外,一般情况下,通信技术的更新换代需要向前兼容,即兼容2G\3G\4G,这会使得通信终端的射频成本快速增加。
以近年来中国移动力推的五模十频手机,即2G的GSM,3G的
TD-SCDMA、WCDMA,4G的TD-LTE、LTE-FDD五个模式,TD-LTE
Band38/39/40,TD-SCDMABand34/39,WCDMABand1,LTEFDD
Band7/3,GSMBand3/8等10个频段,其所需要的射频成本估计在90元左右,而一部低端的2G手机的射频成本不到10元。
表1:
随着通信制式的升级,终端射频成本也快速上升
单从频段数量上来讲,4G增加了5个频段,包括TD-LTE和FDD-LTE。
TD-LTEBand38/39/40(不分上下行):
Band382570-2620MHz、Band391880-1920MHz、Band402300-2400MHz;
FDD-LTEBand3/7:
Band7U:
2500-2570D:
2620-2690;Band3
U:
1710-1788D:
1805-1880。
5G包括三大应用场景,包括增强型移动宽带(eMBB)、海量物联网通信(mMTC)、低时延、高可靠通信(uRLLC)。
我们预计,eMBB或将导致手机终端至少增加5个频段,uRLLC或将导致车载终端至少增加5个频段。
3.2.更高频率——基站密度更高、高频射频器件受重视
◆小基站——自组网,呈现消费电子属性
如前文所述,800MHz频率的覆盖半径约为2.1GHz频率的2倍,那么要达到同样的覆盖效果,2.1G组网所需要的基站数量约为800M的5倍。
而5G时代的主力频段可能落在3.5GHz和4.5GHz附近。
我们预计,5G宏基站的数量将达到4G宏基站的2倍以上,同时公共区域的小基站数量将是宏基站数量的10倍以上,而在私人空间区域小基站将取代无线路由器。
这些海量的小基站将具备自组网的功能,同时在产品属性上将类似于无线路由器,表现出较强的消费电子属性。
但是我们认为,在私人空间区域小基站取代无线路由器将是一个较为漫长的过程,因为前提是无线上网流量资费要降低到足够便宜,能够和固网流量匹敌。
目前,固网流量和无线网流量在城域网层面汇聚,未来要做到固网流量和无线网流量价格趋于一致,需要下沉到核心网层面汇聚,而这涉及到网络架构的较大变革,注定是一个漫长的过程。
◆功率放大器(PA)——从砷化镓到氮化镓
目前功率放大器的基础材料基本都是砷化镓,砷化镓在3GHz以下的频率具有价格优势,但是随着5G的频率上升到3GHz以上,砷化镓材料的性能就无能为力,氮化镓将取而代
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