5G頻譜對芯片通信帶寬有何影響？

隨著5G時代到來，移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務將成為移動通信發(fā)展的主要驅動力，同時，移動智能終端也將定義為個人移動計算平臺，要求能夠實時處理各種計算、商務、應用和娛樂需求。因此，5G時代的移動智能終端芯片要在計算架構、網(wǎng)絡連接架構、控制系統(tǒng)架構的軟硬件設計方面不斷升級和更新，滿足5G新技術對芯片兼容能力、傳輸速度、低功耗性能等方面的性能要求。

巨大發(fā)展機遇

高速視頻和語音通話、超高清視頻、增強現(xiàn)實、自動駕駛、移動醫(yī)療、物聯(lián)網(wǎng)、智能制造、智慧城市等各種新興應用將不斷涌現(xiàn)，高速語音圖像識別與傳輸、智能感知、海量數(shù)據(jù)處理、深度學習、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）等多類技術創(chuàng)新加速，推動軟硬件的性能需求不斷提升。

2020年以后，5G將主導通信網(wǎng)絡市場發(fā)展。國際技術標準迭代的契機推動芯片研發(fā)不斷加速，企業(yè)面對5G技術轉折點紛紛加快進行技術儲備，抓緊僅剩的2~3年時間進行技術儲備。系統(tǒng)集成商與運營商加快關鍵技術研究及樣機驗證。芯片設計廠商競相推動5G關鍵技術組件成型，致力于成為2020年第一批5G商用芯片提供商。

2016年10月，高通宣布推出業(yè)界首個5G調(diào)制解調(diào)器芯片驍龍X50，并預計于2017年下半年開始出樣，2018年上半年推出首批商用終端。今年年初英特爾已發(fā)布了它的5G基帶方案并預計下半年小量試產(chǎn)，隨后，三星也發(fā)布了它的5G射頻芯片并預計明年可以提供商用芯片。國內(nèi)，華為海思成立的5G專項組已經(jīng)做了大量的終端芯片技術準備，借助與華為5G網(wǎng)絡設備的同步優(yōu)勢，能夠更快地形成聯(lián)調(diào)效應，預計2019年推出相關產(chǎn)品。展訊也早就參與了國家5G標準的制定工作，成立了專門的5G研發(fā)團隊，預計在2019-2020年之間推出符合5G標準的商用射頻芯片。

技術演進路線

從技術特征、標準演進和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的角度分析，5G時代技術發(fā)展存在4G演進空口和5G新空口兩條技術路線。

4G演進技術路線是基于4G框架在幀結構、多天線、多址接入等方面引入增強型新技術，如小型化基站相關技術、3D-MIMO、增強型CoMP、增強型中繼、FDD和TDD的融合等，在保證兼容4G體系的同時進一步提升系統(tǒng)性能，在一定程度上滿足5G場景與速率、時延等性能指標需求。例如將MIMO技術升級成為Massive MIMO，其中天線配置從16x16增長至256x256，從而帶來無線網(wǎng)絡覆蓋和傳輸速度的提升。

5G新空口技術路線主要是面向新場景和新頻段進行全新的空口設計，包括6GHz以下的低頻新空口技術和6GHz以上的高頻新空口技術。這些新空口技術不需考慮與4G框架的兼容性，通過新的技術方案設計和引入創(chuàng)新技術來滿足5G業(yè)務需求及挑戰(zhàn)，特別是高頻段及物聯(lián)網(wǎng)場景需求。

5G頻譜影響芯片通信帶寬

5G網(wǎng)絡與4G網(wǎng)絡最根本的變革是頻段的擴展。5G網(wǎng)絡在中低頻段形成有效地網(wǎng)絡覆蓋，對用戶進行控制、管理并保證基本的數(shù)據(jù)傳輸能力，而高頻段與低頻段聯(lián)合組網(wǎng)，為用戶提供高速數(shù)據(jù)傳輸。6GHz以下低頻段是以現(xiàn)有LTE-A作為5G無線電接入網(wǎng)絡的基礎，而從6GHz到100GHz的高頻率則需要進行體系架構、無線組網(wǎng)、無線傳輸、新型天線與射頻以及新頻譜開發(fā)與利用等關鍵新技術的探索。

根據(jù)通信原理，在頻譜利用率不變的情況下，增加帶寬可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸速率的增長。無線通信最大信號帶寬大約是載波頻率的5%左右，因此載波頻率越高，可達到的芯片信號帶寬也越大。由于各國的空余頻段與技術基礎不同，使得選取與主推的5G頻段不盡相同。例如，美國聯(lián)邦通信委員會主推28GHz（27.5～28.35GHz）、37GHz（37～38.6GHz）和39GHz（38.6～40GHz）頻段，并將現(xiàn)有57～64GHz非授權頻段擴展至71GHz，能夠體現(xiàn)出以高通為代表的一批美國芯片設計企業(yè)的技術方向。而我國提倡中低頻段的應用，意向頻段主要包括3.3～3.6GHz、4.4～4.5GHz、4.8～4.99GHz等中低頻段，以及25GHz和39GHz的高頻段，主推頻段不同從而直接影響到海思、展訊等國內(nèi)通訊芯片廠商的技術研發(fā)與國外有所差異。

新空口技術決定芯片發(fā)展新方向

隨著每一代移動通信出現(xiàn)，空中接口關鍵技術均會發(fā)生革命性躍變，如從模擬至數(shù)字、從FDMA至TDMA、從CDMA至OFDM等。5G新空口技術（5G New Radio）是由國際5G標準化組織3GPP選定的，用于規(guī)范新的5G無線空中接口，其目標是將數(shù)據(jù)傳輸速率、網(wǎng)絡容量、時延、可移動性、能量效率和覆蓋能力提高到一個全新水平。5G新空口技術要充分利用可用頻譜，實現(xiàn)低、中、高頻段的組網(wǎng)覆蓋，因而需要軟硬件的不斷適應和升級。

新型多址技術和先進調(diào)制編碼

5G通信中，超高數(shù)據(jù)吞吐率的關鍵是超寬帶信號調(diào)制（通常認為達到500MHz以上），要實現(xiàn)在有限的頻帶內(nèi)傳輸更多的信息，就要基于新的基帶芯片多址技術和信號編碼技術。

新型多址技術通過疊加傳輸，不僅可以提升用戶連接數(shù)，還可以有效提高系統(tǒng)頻譜效率，同時還可以有效降低傳輸時延。除LTE采用OFDMA（正交頻分多址）技術外，新型多址技術還包括SCMA（稀疏碼多址接入技術）、PDMA（圖樣分割多址接入技術）、MUSA（多用戶共享接入技術）、NOMA（非正交多址接入技術）等。

先進調(diào)制編碼采用高階的調(diào)制方式和更高的碼率，能夠在大帶寬和信道好的條件下提供較高的頻譜效率和碼長，保障5G傳輸?shù)母咚俾市枨?。較為知名的編碼方式有華為主推的控制信道Polar Code（極化碼）和高通主推的數(shù)據(jù)信道LDPC（低密度奇偶校驗碼）。

新載波和天線技術的多頻多模結構

高速數(shù)據(jù)傳輸和高密度連接都是5G技術的核心目標，其關鍵技術主要針對射頻傳輸技術和網(wǎng)絡技術。為滿足5G技術目標，基于濾波器組的多模多頻射頻芯片需要使用物理層新技術，其中典型代表一方面是大規(guī)模天線技術，另一方面是新型多載波技術。

大規(guī)模MIMO技術是利用發(fā)射端的多個天線各自獨立發(fā)送信號，同時在接收端用多個天線接收并恢復原信息的天線系統(tǒng)。由于使用多天線系統(tǒng)，信號的傳輸路徑增多，從而實現(xiàn)空間復用，能夠有效地提高系統(tǒng)的頻譜效率和可靠性。同時，通過將波束集中在很窄的范圍內(nèi)大幅度降低干擾和發(fā)射功率，從而提高功率效率。

新型多載波技術，包括F-OFDM技術、UFMC技術和FBMC技術等。它們都是通過優(yōu)化濾波器的設計，實現(xiàn)頻帶的更高效利用，因此，對應了不同的濾波器硬件設計。

全雙工網(wǎng)絡技術

全雙工（full-duplex）無線通信技術被認為是5G通信中極具潛力的進一步挖掘頻譜資源的技術之一。與傳統(tǒng)的時分雙工（Time-Division Duplexing，TDD）或者頻分雙工（Frequency-Division Duplexing，F(xiàn)DD）方式不同，全雙工技術旨在能夠允許設備間同時進行雙向數(shù)據(jù)傳輸，因此全雙工技術理論上可以使得無線頻譜資源利用率翻倍，同時同頻全雙工還能對無線網(wǎng)絡的物理層設計帶來極大的好處。同頻全雙工技術主要面臨的問題在于同頻段同時收發(fā)產(chǎn)生的巨大自干擾。目前，通過模擬端干擾抵消、數(shù)字端干擾抵消和天線抵消等技術手段，已經(jīng)使得同頻全雙工通信成為可能。另外，同頻全雙工技術面臨的另一個技術挑戰(zhàn)在于對MIMO系統(tǒng)的支持，對于多天線系統(tǒng)，自干擾消除的復雜度將隨著系統(tǒng)天線數(shù)目增加而急劇增加，因此導致系統(tǒng)設計面臨巨大困難。

毫米波技術對射頻芯片提出要求

毫米波是指波長在毫米數(shù)量級的電磁波，其頻率大約在30GHz～300GHz之間。5G移動通信需要的高傳輸速率、高網(wǎng)絡容量需要更多的頻譜資源來提供支持，而毫米波通信技術因其頻譜資源豐富、方向性強等特點是5G移動通信重要的技術方向之一。

在毫米波通信系統(tǒng)中，因毫米波信號的傳播損耗較高，使得射頻芯片要對微弱信號具有較高的靈敏度。同時，為保證CMOS器件對微弱的毫米波信號能快速響應，還需增大芯片的工作電流，從而使得芯片功耗增加。另一方面，因毫米波信號波長接近或小于設備導線的長度，可能出現(xiàn)線路阻抗不匹配時的“傳輸線效應”，發(fā)生信號反射、干涉、衰減、疊加等各種信號畸變，極大地影響信號的傳播。因此在設計射頻芯片時必須考慮毫米波傳輸線效應，才能確保芯片正常工作。

措施建議

加強組織領導，健全協(xié)調(diào)保障機制

加強國際標準建設、技術研發(fā)合作，知識產(chǎn)權保護、試點應用推廣等領域的指導、組織和實施工作。健全移動智能終端芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展相關的協(xié)調(diào)和推進機制，重點加強在5G標準和頻率上的合作，支持相關機構與各國的溝通與對話，保障移動智能終端芯片產(chǎn)業(yè)化的快速推進。

加大技術研發(fā)力度，實現(xiàn)核心技術突破

發(fā)揮設備制造企業(yè)、網(wǎng)絡運營商等在國際標準制定和研發(fā)中的支撐作用，積極推動建立以企業(yè)為主體，產(chǎn)學研聯(lián)合的技術創(chuàng)新體制。發(fā)揮科研單位和高校在基礎研究中的帶動作用，建立有效的協(xié)同機制，支持5G移動智能終端關鍵核心技術尤其是芯片、關鍵元器件等薄弱環(huán)節(jié)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。同時，加大標準制定和知識產(chǎn)權保護的力度，構建自主知識產(chǎn)權體系，加強我國在5G通信領域的核心競爭力。

推進產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新協(xié)同

統(tǒng)籌規(guī)劃5G通信產(chǎn)業(yè)的重大專項工程，加強與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等應用領域的融合創(chuàng)新研究，整合終端制造、芯片研發(fā)、網(wǎng)絡設備制造等產(chǎn)學研資源，開展關鍵技術產(chǎn)品研發(fā)與應用示范驗證。推進公共服務平臺建設，支持電信企業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)與行業(yè)用戶加強合作，積極探索新技術、新業(yè)態(tài)和新模式，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供共性技術研發(fā)、知識產(chǎn)權、人才培訓、市場推廣等方面的支撐服務。
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