5G商用：在刀锋上跳舞

全球5G建设开始起步

全球主要运营商运营商公司都有5G试点项目，但后勤服务，成本和扩建都会给所有人带来问题。

而此事运营商和芯片制造商正在庆祝首批符合标准的商用5G服务的推出。

“我们正式处于5G时代，”高通公司工程副总裁John Smee在波士顿IEEE国际微波研讨会（IMS）最近举行的5G峰会上表示。5G运动正在商业端发生。美国主要运营商Verizon，AT＆T和Sprint已在部分数量有限的用户的城市设立了5G移动网络服务。

相关的技术评论人士已经确认，在大多数情况下，美国运营商的5G移动网络服务在严格的地理限制内快速且相当可靠。韩国，英国，瑞士，西班牙现在有一些商用5G网络，中国将在10月推出5G移动网络服务。俄罗斯，日本和许多其他国家拥有5G试验台和2020年商业发布的计划。

然而，即使是对目前5G状态或产品重型4G替代品的潜在市场充满热情的芯片制造商和原始设备制造商也警告说，在5G技术能够足以实现雄心勃勃的角色标准以及机构和技术提供商已经为此做好准备之前，仍然需要清除后勤，技术和法律方面的障碍。

5G 网络中的波束对齐

“这些现场试验很有意思，我参与其中，”Cadence Design Systems高级产品管理组主管Frank Schirrmeister说。 “每月的费用可能比普通服务多10美元。但我问自己，'让我的女儿在不到一分钟而不是13分钟下载150MB Netflix剧集每年多花120美元，或者我是否只是简单地用其它方式播放它？'“

那么运营商真的能从5G赚钱吗？此时，目前尚不清楚。 Schirrmeister说：“即使他们提高了[每月20美元的月费]，但并不是这样就可以了，它让你认为虽然运营商显然对5G感到兴奋，但他们认为他们可以从中赚钱。” “它有多贵，它对消费者有什么影响？看起来好像很多部署都可能成为特定于应用的东西。它可能不是消费者的事情。因此，如果我希望我的工业生产线能够以非常低的延迟获得5G连接，那么这就是5G存在的理由。这些自定义应用可能在推出时发挥重要作用，但我们可能不会自己看到它的这一方面。“

可能的是，在5G三角形的“支路”中，“我们可能只看到了高带宽，而没有看到到低延迟或每公里100万台设备的支持，”Schirrmeister说。 “我们以后才会看到这些。”

EJL Wireless Research的首席分析师Earl Lum表示，当人们说5G时，人们正在谈论的是哪个方面或应用场景的混乱。 “他们都意味着不同的一个特性。是智能手机吗？固定无线？它是6GHz以下频段吗？是毫米波吗？这是一个不同的应用场景吗？“

分层覆盖的移动网络

爱立信2019年6月的移动报告预测，截至2019年底，全球移动5G用户数量将仅达到1000万，到2024年底将达到18亿，是所有移动宽带用户的-20％。

运营商移动服务是商用5G的更明显的例子，但高通，原始设备制造商和其他供应商，如Qorvo和Anokiwave--制造mmWave（毫米波）前端集成电路，mmWave SI核心集成电路和有源天线ASIC--专注于5G开发和更传统的微波客户。 Quorvo的5G产品系列包括移相器，前端模块和MIMO组件，并已出货超过1亿个5G无线基础设施器件。

只有最基本的服务才会在一开始就出现，但即使是那些，目前技术上也允许频谱聚合为特定应用提供其在6GHz范围内的保证带宽，这些带宽是移动网络目前占用的，并使用700MHz频率连接物联网或其他低功耗设备，同时能够使用相同的物理足迹和相同的网络框架。

“通过相控阵和波束成形，它不再是一个全方位的宇宙，”Smee说。 “5G仍处于商业部署的初期，但这是5G的真正支点。”

5G的建设势头

无论如何，5G正在向前发展。 “没有什么能阻止5G，”Qorvo技术营销总监Ben Thomas（托马斯）在最近的一次演讲中表示。然而，他承认在适应多频网络方面会有一个学习曲线。

“对我们的工程团队和整个行业来说，最大的挑战就是更高的复杂性，”Thomas（托马斯）说。 “当我们升级到像28GHz和38GHz这样的毫米波段时，我们认识到它是由一个非常不同的应用场景所驱动的。”他说。

5G终端支持LTE和5G双连接

例如，低于6GHz的频率最容易适应移动网络测试，但它们没有28GHz以上频率的一小部分容量和速度。诀窍是了解哪些应用程序可以充分利用mmWave（毫米波）连接来提高自身性能，或者为较低频率的应用处理回程或其他任务。

“对于毫米波，存在挑战 - 传播和短距离，但是毫米波的应用目标实际上是关于网络容量和高密度区域，”Thomas（托马斯）说。 “为了支持这些频段，我们必须大大改变我们在这些环境中的设计和测试...将其与更多载波聚合组合，双上行链路以及更复杂的波形和调制方案相结合，坦率地说，你正在寻找对射频部分复杂性成指数级的影响。“

另一方面，能够在商业上完成5G的工作让一些拥有mmWave（毫米波）通信系统和军用雷达经验的专家感到惊讶。

“两三年前，我会说没有机会，”雷神公司高级首席工程师安德鲁·扎伊，在IEEE最近在波士顿举行的IMS 5G峰会上说。

“在MIMO中，构造技术仍然是非常耗费人力的，你需要对混合模块进行各种调整，”安德鲁·扎伊说。 “在相控阵中，你需要检查很多状态。如果要检查阵列，则必须检查所有不同的通道。这将涉及单独测试每个单元并检查振幅，以确保每个单元的相位移动。这需要进行很多测试。“

在许多5G部署中推出的复杂性不仅是建立一个中继器网络以提供网络覆盖范围的努力和成本，而且还建立了一定程度的边缘计算设备来保持对以超高速度由极低延迟的网络服务的用户的应用场景。

“试图从存储到使用点的任何地方获取数据都将成为一个问题，”Veeco首席技术官Ajit Paranjpe说。 “如果你不得不为所有东西转到云端，那么你就不会注重毫秒级的延迟，所以需要有一个服务器或存储容量的基础设施，以便数据可以提前移动到接近它的位置。在需要之前就需要搬移到需要的位置。“

很明显，5G网络本身必须以层次结构构建，使最高功率的设备以使覆盖范围最远 - 可能与4G蜂窝塔位于同一位置。毫米波衰减得如此之快，以至于必须安装从基站接入点到达某些地方的终端或用户非常靠近的毫微微蜂窝和微微蜂窝网络链接。

窄带IoT的部署技术

然而这将需要非常高密度的5G网络供应，每100米处有一个毫微微蜂窝基站，或许甚至更短距离的微微蜂窝基站。

“有更有效的方法可以解决这个问题，例如谷歌已经使用了一些产品而不是中继器的WiFi网格，这使得在这种情况下，毫米波的部署可能非常迅速，”Paranjpe说。 “但是仍然存在如何通过回程系统获得大量数据的问题，回程系统将使用更高功率的设备和可能的光纤系统。”

需要使用的能量

一旦5G到位，其使用量应该会迅速增长。

“好消息是它可以迅速传播给客户，就像4G一样，因为一旦它可用，每个人都想要拥有它，并且不需要很长时间才能构建他们的5G手机，”Paranjpe说。 “坏消息是，由于容量和能源的限制，你最终会在你的手机上用4G做上行而5G做下行，并且可能需要一段时间来构建特性功能并能让任何想要建立一个企业应用的任都可以申请。 5G是全新的。消费者服务还可以，但你不想对它提出关键任务。所以你暂时不会看到5G的企业服务。现在它对于消费者来说是可以接受的，但对于任何关键应用任务而言，它都太新了。“

一个很好的例子：“我们听到了一个非常粗略的估计，即与4G LTE相比，mmWave（毫米波）的基站数量将是4G LTE的10倍，”ANSYS解决方案高级主管Rajeev Rajan说。 “我们已经知道，近70％的LTE运营成本来自基站。如果你必须做10倍的基站数量，他们真的必须做好他们的功课，需要试图优化组件 - 不仅是成本，而且也要考虑能源费用。您必须查看信号链中的所有内容，以优化能源效率。“

5G网络中的Beamforming

功率也随着复杂性而增加。 Synopsys解决方案集团的研发经理Peter Zhang说：“当你设计一个更复杂的算法时，它消耗的功率无疑更多。” “当你完成所有这些活动时，必须为所有这些事情提供动力。这将需要更多的直流功率。“

5G从智能手机等设备中耗尽电池电量并不像对某些设备那样令人担忧。 “系统可以找到下一级网络，”Mentor垂直市场解决方案部门产品经理Neill Mullinger说。 “对于某些地方，我们总是有3G，4G选项，5G和mmWave（毫米波）很难穿透人，树木，建筑物等等。另一件需要解决的问题是耗电量。如果你有10倍的数据传输到你的设备，它将消耗10倍的功耗。虽然它可能不是那么线性，它肯定需要更多的功率，因此你需要能够在很多不同场景下对你的设计进行功耗分析，以了解它将如何受到影响。“

这只是功耗图片的一部分。 “即使不考虑特定芯片组的优化，数据中心大约40％的能量也被冷却器冷却和被冷却器使用，”ANSYS的Rajan说。 “将在这些网络上创建和使用并传输千兆字节和数百兆字节的丰富多媒体，基站配有相控阵天线和FPGA。这可能是个大问题。我的数字可能不完全正确，但是大约每消耗2瓦的信号能量，你会产生大约3瓦的热能。因此，对于基站中每50瓦的能量，您将会产生大约150瓦的热能。那个单一的盒子里有很多能量，没有冷却器，也没有风扇。你最终可以得到一个基站的设计，它只是一个巨大的散热器。这对他们来说是个大问题。“

5G射频链路设计的两种方案示例

使5G适用于从低功耗物联网网络到高端，高带宽移动网络的所有内容的努力可能使其不能被归为特定角色。但它也使得很难知道在从确定使用的频率到内置到网络中的中继器密度的所有内容中从哪里开始。

ADI公司设计工程总监Ahmed Khalil表示，许多其他问题的罪魁祸首--5G网络的成本和布局以及特别是热问题 - 是mmWave（毫米波）无线电信号中的功率快速损失，限制了5G网络的范围和连接性。 “每十倍频程的频率损耗将增加20分贝。对于毫米波而言，正在谈论30GHz，以及大约20db的额外损耗，这是你不能掉以轻心的，尤其是当你达到半导体不如低频率提供饿能量大时：这意味着我们不会获得3公里的覆盖范围。它会更像只有300米的覆盖范围，如果那样，那么它将影响其他一切事情。“

衰减水平意味着设计人员必须设计一个缩小的小型蜂窝小区的层次结构 - 从基站到毫微微，微微，微小和宏小区 - 每一层都更接近终端客户，直到最小的小区可能只覆盖一个室内。

基带处理资源池的概念

热耗和成本

这种衰减导致了另外两个主要问题 - 热耗和成本。由于基站功率放大器中的功率到RF信号的低效转换，因此热耗将增加。作为专用5G网络的运营商或所有者的成本，他们意识到他们必须购买不少的蜂窝网络信号中继器以在特定区域内获得更好的覆盖，但是足够的毫微小区或微微小区将至少每100到300英尺放置一个接入点在里面任何地方。

从基站获得更多增益可以减少所需的网络中继器数量，但增加增益的唯一方法是增加功率，并且增加两倍于功率的热量。

“在一个典型的系统中，你可能有64个通道，而不是4个RF功率包络信号和天线的包络信号，”Lum说。 “在4G远程无线电（RRU）设备中，4 x 40瓦特等于160瓦特，这是名义上的。在大规模MIMO系统上，它可能是160瓦，200瓦，甚至更高。而且你不知道波束形成器对热量累积有什么贡献。“

Lum说，今年春天，华为和其他一两家制造商在巴塞罗那的MWC展出了水冷基站。虽然很酷，但这是一个坏主意。 “你不会真想把任何东西放在一个可能会停止工作的系统上。”

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