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工信部韦乐平:国内5G投资将达15万亿!元器件行

     

  8月7日,2019汇芯(中国)产业技术发展论坛在深圳福田召开,上百家5G产业链相关企业到场。工信部通信科技常委副主任、中国电信科技委主任韦乐平做了主题为《5G网络的部署策略与市场机遇》分享,汇芯通信技术有限公司副总经理许明伟则价绍了“5G中高频器件创新中心的定位与任务”。芯智讯根据内容以及相关行业资料进行了整理如下:

  但是,现阶段5G网络尚不成熟,覆盖范围有限,网络也不稳定,5G基站和5G手机的功耗和价格还相对较高。

  在5G基站这块,年底前多家厂商的7nm双模SA/NSA基站将商用;在5G核心网方面,预计将会在2020年上半年可成熟商用;在5G手机方面,目前众多的手机品牌厂商还是依靠高通的10nm的骁龙X50基带芯片来实现,由于是外挂的基带,因此功耗较大、成本也较高,而且骁龙X50还不支持SA(组网)。虽然今年年底高通会推出同时支持SA/NSA的5G基带芯片骁龙X55,明年上半年就会有相应的手机产品商用,但是骁龙X55仍是外挂的。同样,华为目前已商用的支持SA / NSA(非组网)的5G基带芯片巴龙5000、联发科即将商用的5G基带芯片Helio M70也都是外挂的。预计到2020年底前后,高通才会G SoC商用。

  2019年6月6日上午,工信部正式向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放了5G商用牌照。这也意味着中国5G正式进入商用元年。

  根据此前计划,中国移动将在今年9月底前实现40个城市的5G覆盖。在今年年内将建成3-5万站5G基站,5G投资将达172亿元。中国联通此前公布的首批5G城市名单,与中国移动完全重合。

  中国电信也已在、上海、重庆等17座城市进行了5G规模测试和应用示范,并将在此基础上迅速扩大到40座城市。

  在宏基站建设投资方面,中国移动计划在今年年内将建成3-5万站5G基站,5G投资将达172亿元;中国联通计划的2019年资本开支为580亿元人民币,其中60到80亿元用于5G投资,大概会建2万座基站。未来两年的总投资约为210亿;中国电信今年整体的5G投资规模大概在90亿元,5G基站大概会建2万站。

  总体来看,今年国内5G仍是处于预商用/商用阶段,三大运营商5G网络覆盖的城市数量将超过50个,5G宏基站建设将达10万个左右。虽然,目前5G NSA单模、5G SA/NSA双模的5G手机均已开始上市开卖,但是功耗和成本仍比较高。

  预计到2020年,国内5G才能够真正的实现规模商用,届时国内的5G网络可能将会覆盖数百个城市,宏基站数量将会达到60-80万个。

  而5G的真正大规模商用则还有一段较长的要走,韦乐平认为这个时间段将是2021-2027年,因为这需要数百万量级的宏基站和千万量级的小基站,才能够实现对于所有城市和县城的覆盖。

  另外,韦乐平还表示,目前部署的10万宏基站功耗较高、能力较差,未来可能很快会被淘汰掉,这相当于是要扔掉300多亿的人民币。

  基于4G核心网EPC的NSA是5G初期的选择。依托现有的4G基站和4G核心网来进行5G网络的部署,控制信号仍通过4G网来走,内容传输通过5G网来走。由于其5G空口载波仅承载用户数据,系统级的业务控制仍需依赖4G网络,这种方式可被视为在现有4G网络上增加新型载波进行扩容。其优势在于可利用现有的4G基站及核心网络进行升级,即可快速实现较大范围的5G网络覆盖,并且成本也可以大幅的降低。

  相比之下,SA组网方案则是直接新建的5G网络,包括新基站、回程链以及核心网,在引入全新网元与接口的同时,还将大规模采用网络虚拟化、软件定义网络等新技术。5G组网可以降低对现有4G网络的依赖性,更好地支持5G大带宽、低时延和大连接等各类业务,并可根据场景提供定制化服务,满足各类用户的业务需求,大力提升客户体验。但是,SA的整体成本要远高于NSA。

  总结来说,就是NSA架构可以快速实现网络速率的提升,但是却无法支持线G业务与相关功能和特性,如SBA(Service Based Architecture,基于服务的架构) 、网络切片、MEC(Multi-Access Edge Computing,多接入边缘计算)、uRLLC(超高可靠超低时延通信)等。相比之下,只有基于5G核心网+5G NR的SA网络才能够实现上述功能及特性。

  需要指出的是,不论是NSA还是SA都是属于5G的标准,从NSA到SA的演进线需要根据技术成熟度、业务需求、行业生态以及投资结构等因素综合考虑。

  不过,由于国家对于SA的的大力推进(此前中国移动董事长杨杰就曾表示,“明年1月1日开始,不允许NSA手机入网,SA是发展方向,中尽快过渡到SA”。),目前国内在NSA规模扩大的同时,SA也在加速引入。

  据韦乐平透露,目前中国电信已经建成了已SA为主,SA/NSA混合组网络的跨省跨域的规模试验网,将可能在2020年二季度切换到以(5G核心网+NR)SA为主的部署轨道上。

  相对于之前的2/3/4G网络来说,5G核心网可谓是发生了翻天覆地的变革,面对多样化的垂直行业应用,原本封闭的网络架构,需要转向IT化、服务化、互联网化的云原生架构SBA。

  随着物联网与人工智能技术的的发展,现在“边缘计算”已经成为了一大趋势。而5G所带来的MEC(Multi-Access Edge Computing,多接入边缘计算)的能力,则可以将部分计算存储与业务能力下沉网络边缘,使应用、服务和内容可以实现本地化、近距离、分布式部署,并降低回传带宽。这也将推动5G在本地化业务,垂直行业领域的应用。

  韦乐平也指出了MEC所带来的挑战:1、由于MEC脱离了核心网的控制,这也使得其会存在安全和监管上的风险;2、资源受限和运维复杂;3、云网边协同和统一管理;4、面向第三方的能力;5、多元化的商业运营模式;6、特定场景服务器的个性化。

  1、5G的大规模多天线G时代无论是传输速率还是数据承载量都将实现几何倍数的增长,而实现这一变化的最核心技术之一,就是Massive MIMO技术。

  Massive MIMO是一种利用大规模天线阵列(增加天线振子数量,即 Massive)、分集增益(多发射多接受技术,即 MIMO)、空分复用技术(波束赋形)提高信号增益的有效办法。与传统基站一般 4-8 根、最多十余根天线G Massive MIMO 可以多达 128、256 根甚至更多,借助大量可收发数据的天线D 波束成形将信号对准期望用户并尽可能减少干扰,从而大幅提升频谱效率。

  不过,在大规模MIMO系统中,为了使系统从普通8T8R TDD无线R系统,需要添加了更多无线电通道。虽然大规模MIMO系统能够显著增加基站容量,但无线电设计人员要想实现所需的大小、重量和功耗,仍面临许多挑战。

  目前全球采用两种不同频段部署5G网络,分别是高频的30-300GHz之间的频段被称为毫米波;另一种集中在中低频的3GHz-4GHz频段的被称为Sub-6。

  而韩国和美国率先分配毫米波频谱并快速实现5G商用,主要面向FWA(固定无线G 格局整体影响不大,但会为毫米波产业链成熟先行铺垫。韩国三运营商围绕 28GHz 频带最早完成了频谱拍卖,并在去年12 月率先推出 5G 商用服务;今年 5 月底美国 FCC 结束了 24GHz 牌照拍卖,筹集 20.2 亿美元,加上今年 1 月的 28GHz 的拍卖,总金额已达27 亿美元,今年底美国还将启动 37、39 和 47GHz 频谱拍卖,是推动毫米波发展最为积极的国家。

  根据谷歌对于相同范围内、相同基站数量的5G覆盖测试显示,采用毫米波部署的5G网络,100Mbps速率的可以覆盖11.6%的人口,在1Gbps的速率下可以覆盖3.9%的人口;而采用Sub-6频段的5G网络,100Mbps速率的网络可以覆盖57.4%的人口,在1Gbps的速率下可以覆盖21.2%的人口。

  蜂窝通信行业将频谱视为一切的根本,但传统蜂窝频段(sub-6GHz)的频谱已被此前的2/3/4G网络已经占去了不少,因此能够单独留给5G的频谱就十分的有限。另外,由于美国尤其是军方将大量3-4GHz范围内的频段用于军用通信和国防通讯,使得电信运营商很难获得Sub-6GHz的频谱。因此,美国运营商不得不在毫米波频段来发展5G。

  虽然现阶段,在Sub-6GHz频段部署5G,比在毫米波频段部署5G拥有更多的优势,但是目前全球6GHz以下能够被用于5G网络的总频谱约为数百MHz,而这可能将无法满足未来几年内5G设备指数级增长的需要。相比之下20GHz以上毫米波频段的潜在频谱则是数十GHz。因此,发展毫米波通信依然常的必要的。

  (1)、考虑建筑物和植被干扰,28GHz比2.6GHz衰减可能高达57db。在会上,韦乐平就提到了“Verizon 28GHz的春天的故事”,据其透露,此前Verizon部署的28GHz的5G试验网,在春天了覆盖范围大面积缩减和信号大幅衰减的问题,而造成这一问题的原因则是“春天树叶都长出来,对于毫米波信号产生了干扰”。

  接入网,在无线通信领域里,一般指无线接入网,也就是通常所说的RAN(Radio Access Network)。

  近年来,接入网的O-RAN联盟逐渐吸引了全球运营商的目光,其目标是实现无线接入网接口化、硬件白盒化、软件开源化、网络智能化,以此打破传统封闭的无线接入网(RAN)构架,降低RAN部署成本,提升RAN敏捷性和加速创新。但这一进程不能一蹴而就,需要长远的目标和持之以恒的动力,而5G正是一个契机,可以将5G室内有源小基站作为阶段性工作推进的突破口。

  “利用接入网降低5G室内覆盖成本。而前传接口化,则可引入更多供应商,促进竞争;通过统一RRU参考设计,推动RRU白盒化,可以进一步主要配件的规格与选型,进而降低设备整体成本。不过,DBU白盒化方面,x86和SoC方案还需要进一步论证明确。软件的开源化,也需要开发统一参考设计和共性软件。”韦乐平解释到。

  目前在国内的移动通信市场,整体上已经开始趋于饱和,用户数的增长已经接近到顶。有数据显示,中国移动电线%。而且,每用户平均收入(ARPU值)也是连年下降。特别是去年国家要求加快提速降费的前提下,ARPU更是出现了骤跌。

  从技术的和标准的进展来看,目前仅有3GPP R15标准成熟,也就只能支持eMMB业务;这也制约了其他5G应用的发展。

  韦乐平表示,国内4G网络投资是3G的4倍,目前已达8000亿元,考虑到未来的与升级,整体的投资将超过1万亿。而5G的投资经过测算,运营商能够承受的投资额是4G投资的1.5倍,这也意味着在5G的投资将会达到1.5万亿元。但是要想达到与4G网络一样的覆盖,那么投资可能将需要达到4万亿。这也意味着,运营商需要提升获取外部投资的能力,通过各种形式的合作拉动互联网应用等业外企业对于5G的共同投资。

  5G并不是一个孤立的技术,它涉及非常多的器件、产业环节,以及非常多的行业和企业,5G的应用需要整个生态链各个环节的共同努力。

  在韦乐平看来,除了需要5G生态链企业的共同努力之外,5G生态链的成功还需要强有力的指导和支持:引导社会资本参与5G建设,共享5G发展红利;税费优惠扶持(在韩国,运营商的5G建设费用可以享有3%的免税);共建共享的指导和支持;加强对5G发展政策和引导,不炒作,多务实。

  韦乐平认为,随着5G的发展,将会对于CPU、GPU、FPGA、高端DSP、高端ADC/DAC、高速光芯片和光模块、数据库、数据处理、高端服务器、操作系统、AI芯片等通用元器件和软件提出新的要求,也给产业带来新的机遇。

  以光模块为例,随着5G基站数量的增长,使得光模块成为了最先受益者。根据预计,将会有数千万量级的25/50/100Gbps高速光模块用量;中国巨大的数据中心发展空间(IDC的数据显示,2016年美国大规模数据中心占全球比例45%,位列全球第一,中国大规模数据中心全球占比8%,位列全球第二)也使得光模块的发展更为可观。

  根据数据显示,在中高频器件市场,SAW滤波器、PA、BAW滤波器三大射频前端器件为最为主要的器件,分别占据35%、30%和15%的市场份额。其中,在SAW滤波器市场,村田占据了50%的份额,余下的市场被TDK(20%)、太阳诱电(15)、Skyworks(10%)瓜分;在BAW滤波器市场,博通一家就独占87%的市场份额;在PA市场,Skyworks、Qorvo 和 博通合计拿下了93%的是市场。显然,在目前的中高频器件市场,呈现高度垄断态势。

  目前在中高频器件中,GaAs应用较多,但是GaAs的产能却高度集中。2018年全球砷化镓元器件市场(含IDM厂组件产值)总产值约为88.7亿美元,前四大厂商占比高达73.4%。2018年砷化镓晶圆代工厂市场规模为7.5亿美元。其中,稳懋市占率为71.1%。

  在当前使用的 4G 终端和基站中,PA 依赖于 LDMOS、GaAs 以及 SiGe 工艺,GaN 在基站 PA 的市场中也有所增加。但是由于 sub-6G 的使用和 LDMOS 受限于 3GHz 的原因,GaN PA 和 LNA 更有可能使用在基站系统中,而 GaAs 和 SiGe 放大器可以继续适用于 sub-6GHz。为了降低成本和减小尺寸,在 SOI上集成 RF 电更有可能在 5G 毫米波应用中使用。未来的射频前端可能会将 PA、LNA、开关和控制毫米波相控阵列波束赋形天线系统集成在一起,使用的工艺是 RF SOI、 SiGe BiCMOS、或者 RF CMOS SoC制程。而以上这些变化,也给基站射频放大器市场的格局变化带来了新的机会。未来该领域的市场寡头格局将有望改变。

  相对于国外厂商在中高频器件领域的强势局面,国内的中高频器件产业链还非常的薄弱。在基站端,滤波器和天线具有国产化供应链基本能力,功率放大器供应链弱小。在终端领域,功率放大器和滤波器都很弱小,尤其在高端产品需要的高度集成的产品上。

  从5G的不同频段来看,在针对Sub-6G频段所需的材料和工艺上,国内行业供给能力不足,产品投产量低,良品率不高;在针对毫米波频段的器件上,国内涉及团队分散,缺少有竞争力的规模企业,制造能力稀缺,民用基础薄弱,虽然在军工院有些积累,但民难,同时面临“”等问题。

  虽然,国内中以射频前端器件为代表的高频器件产业链相对薄弱,但是随着5G 带来的射频模块复杂度的提升,用量的大大增加。尤其是 MIMO 和 CA 技术在 5G 中的应用将会拉动射频前端器件的需求,也为国产厂商带来了追赶国外厂商的机会。据 Yole D veloppement 称,预计 2023 年射频前端的全球市场规模将达到 352 亿美元,年复合增长率将达14%。

  针对以上这些在国内5G中高频器件产业的问题和机遇,以及工信部制造业创新中心的布局,于今年4月成立的“广东省5G中高频器件创新中心”(依托汇芯通信,由福田投控、南方科技大学、力合科创集团、以及20多家产业链龙头企业和上市公司共同出资组建)也首次在本次会议上明确了“5G创新中心”的三大主要研发方向:1、新型半导体材料及工艺共性关键技术和产业化;2、基站用中高频功率放大器、滤波器、阵列天线等核心器件产业化关键技术;3、面向5G的基站、终端、硅基毫米波集成芯片设计关键技术。

  5G创新中心将聚焦于功率放大器、滤波器、天线等器件类型;聚焦的产业链环节则是材料工艺和器件模组;聚焦的技术生命周期则是在中试成功和首次量产之间的阶段。

  5G创新中心的近期规划是,聚焦于Sub-6G的量产设施、联合开发和战略合作。中长期规划方向则是毫米波,以GaN化合物自主设施为主,主导多边战略合作。而5G创新中心的目标则是,在10年内成为国际领先的氮化物半导体为基础的中高频器件量产技术研发平台。

  总的来说,依托于汇芯通信的5G创新中心,集合了全国5G运营、终端、基站、核心器件、材料等领域的重点企业、高校、市场、金融等各方面创新资源,汇集了5G国内一流的科研开发平台资源,并利用牵头单位大学、南方科技大学丰富的研发资源,紧紧围绕当前中高频器件国产化供应链弱小的问题,聚焦当前新型半导体材料及工艺,基站用中高频功率放大器、滤波器等核心器件以及面向5G的基站、终端、汽车雷达、车间通讯等射频前端、集成芯片设计技术为主要研发方向,打造“产学研用政介金”于一体的制造业创新中心。

  在本次会议上,汇芯通信还代表5G创新中心与中兴通讯、中国信息化产业发展研究院、紫光日东、建广资产、英飞拓、力合科创集团、招商银行深圳分行、深圳市智慧城市科技发展集团、深圳前海股权交易中心等众多企业签订了战略合作协议。

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