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春兴精工全面布局5G,多点开花持续夯实高成长动能

2018/9/29 11:40:00      中国商务新闻网      

1. 引言

5G已成为信息通信领域未来5年通用技术之一,其将适用于移动互联网、物联网等多种应用场景(eMBB、mMTC、uRLLC等),呈现超大容量、超高性能、多元融合和低成本等特性,同时与人工智能、信息中心网络等协同发展,近两年整体研发及标准进程加快。从目前设定的关键参数来看,针对不同应用场景,5G用户体验的接入峰值速率将达到数十Gb/s,相对于4G提升了百倍及以上的量级,端到端时延要求则达到ms量级或更低,同步精度需达到100ns量级,相对于4G均提升了10倍以上的量级,同时在组网架构和技术方面引入网络功能虚拟化(NFV)/软件定义网络(SDN)、网络切片等新型技术。5G作为下一代通用技术将为行业带来新一轮的发展契机。

2. 什么是 5G :接入技术与网络技术全面升级

2.1 5G,全称 5th Generation,即第五代移动通信。蜂窝移动通信从模拟通信(1G)演进到目前已经普及的 LTE(4G),已经经历了 4 次更新换代。5G具备4G系统的所有功能,主要在低时延、高可靠 、大连接、高密度组网和性能方面提升显著,能满足物联网、工业实时控制和大容量移动宽带接入的场景。

2.2 5G标准的国际组织IMT-2020定义了三个主要场景;

2.2.1 增强型移动宽带(eMBB),这是传统的 4G 的主要技术场景。既满足连续广域覆盖,又满足热点地区高容量。连续广域覆盖,在满足用户移动性和业务连续性的前提下,无论在静止还是高速移动,覆盖中心还是边缘,用户都能随时随地获得 100Mbps 以上的体验速度;热点高容量,主要面向室内外局部人群集中等热点区域,为用户提供1Gbps 的极高数据传输速率,满足数十 Tbps/平方公里的极高流量密度需求。

2.2.2 超高可靠低时延通信(uRLLC),主要面向车联网、工业控制等物联网及垂直行业的特殊应用需求,为用户提供毫秒级的端到端时延和接近 100%的业务可靠性保证。

2.2.3 海量机器通信(mMTC),主要面向智慧城市、环境监测、智能农业、森林防火等以传感和数据采集为目标的应用场景,具有小数据包、低功耗、低成本、海量连接的特点,要求支持百万终端数/平方公里的连接数密度。

图 1 5G系统的三大应用场景

具体到指标,为了满足 3 个场景的需求,5G 网络将在速率、流量密度、连接数、时延、可靠性等方面提出要求。

表 1 三大场景具体技术指标

2.3 5G技术发展时间表

东亚、欧洲和北美的移动运营商、设备供应商和研究机构是 5G 发展的主要推动力。在全球一级, GSMA (连结着全球更广泛的移动生态系统中近 800 家移动运营商的国际协会)正在与其成员和其他行业机构合作, 以应对 5G 系统的战略、商业和技术等方面的要求。国家一级和国际一级的政策制定者也在大量参与, 国际电信联盟 (ITU) 和欧洲联盟都在试图协调所需频谱的可用性。全球性组织 3GPP 在细化 5G 规范和确保交互操作性方面也起着关键作用。

各个通信运营商也在积极筹备应对 5G 时代,通信是一个有先发优势的行业,一旦某个通信运营商提前完成布局,就会拥有更多的客户,进而有能力布局更广的基础设施,因此各国的运营商都不敢懈怠。

国际电联 ITU 计划在 2019 下半年批准 IMT-2020 技术 (5G), 而新的 5G 无线电频谱可能在同年的世界无线电通信会议 (WRC-19) 中分配。然而, 出于政治考虑一些 5G 系统初版可以在这些日期之前部署。例如, 2018 年将在韩国平昌举行的冬季奥林匹克运动会、俄罗斯 2018 年世界杯, 都很可能展示 5G 技术 。欧盟也渴望成为 5G 先锋: 在 2016 年1 月, 欧盟委员会召集欧洲 10 大电信集团的首席执行官到布鲁塞尔召开会议, 讨论如何加快 5G 服务的部署。六个月后, 主要运营商和设备供应商的首席执行官签署了一份宣言,概述了在欧洲及时部署 5G 所需的步骤。根据IMT-2020的整体规划,5G独立接口标准将在2019年冻结,5G系统将在2020年商用。

图 2 5G标准进展

3. 5G关键技术解析

3.1 5G系统是4G的延伸和演进,无线接入技术和网络架构技术将发生重大革新,全面提升无线信道的效率和速率。5G关键技术主要包含 : 大规模天线阵列MIMO、 超密集组网(UDN )、全频谱接入、毫米波等。

1) 接入技术 1 —— 大规模天线阵列(Massive MIMO ): 增加天线端口数,提升相同时频下的用户数Massive MIMO 技术是 5G 移动通信的核心技术。目前 3GPP LTE Release10(4G)中支持的多天线技术仅仅支持最大 8 端口的水平维度波束赋形技术,而 5G 为了进一步提升频率效率,一个直观的方法就是进一步增加并行传输的数据流的个数,或者更进一步: 增加基站天线端口的数目,达到 16 、64 甚至更高端口数,即可使传输的用户配对数目随天线阵列数目增加而增加,即使更多的用户在同一时间内进行传输,提升了频谱效率。除了端口数继续增加,MIMO 天线也在挖掘空间维度的潜能——3D-MIMO。3D-MIMO是 Massive MIMO 的一种,3D-MIMO 是在传统的 2D-MIMO 的基础上,在垂直方向增加了一维可供利用的维度,可同时实现水平和垂直方向上的 MIMIO,目前 3D-MIMO 将大规模用在 4.5G 系统中。

2) 接入技术 2 —— 超密集组网(UDN ):大量增加 小基站 提升热点大容量场景覆盖5G 网络要满足的其中一个场景是热点高容量,即办公室、密集住宅区、密集街区、校园、大型集会、体育场和地铁等热点地区和广域覆盖区域。随着移动数据业务飞速发展,尤其是热点地区的流量需求一直是运营商函需解决的重要问题,这一问题在 5G 网络将显得尤为显著。根据近几年运营商的统计数据看,虽然室内覆盖只占移动通信覆盖区域总面积的 20%,却产生了所有覆盖区域业务量的 70%。由于低频段资源的稀缺,仅依靠提升频谱效率无法满足大容量地区数据增长的需求,因此, 通过增加单位面积内小基站密度,形成超密集组网,是解决该问题的最有效手段。

3) 接入技术 3 —— 全频谱接入及毫米波技术 : 增加 6GHz 以上高频段,高低频混合组网。过去 2G、3G、4G 网络,主要用的是 6GHz 以内的低频段,而 5G 有着高数据流量和高传输速率的需求,目前各国都在释放6GHz以内的频谱和6GHz以上的频谱用于5G系统使用, 所以 5G将会是混合6GHz以下低频段和 6GHz以上高频段,其中低频段是 5G 的核心频段,用于无缝覆盖;高频段作为辅助频段,用于热点区域的速率提升。

表 2 全球主流国家的5G频谱规划

毫米波是指波长在毫米数量级的电磁波,其频率大约在 30GHz~300GHz 之间。根据通信原理,无线通信的最大信号带宽大约是载波频率的 5%左右,因此载波频率越高,可实现的信号带宽也越大。在毫米波频段中,28GHz 频段和 60GHz 频段是最有希望使用在5G的两个频段。28GHz 频段的可用频谱带宽可达1GHz,而60GHz 频段每个信道的可用信号带宽则到了 2GHz(整个 9GHz 的可用频谱分成了四个信道)。相比而言,4G-LTE 频段最高频率的载波在 2GHz 上下,而可用频谱带宽只有 100MHz。因此,如果使用毫米波频段,频谱带宽轻轻松松就翻了 10 倍,传输速率也可得到巨大提升。5G 时代,我们可以使用毫米波频段轻轻松松用手机 5G 在线看蓝光品质的电影。

图 3 全频谱示意图

毫米波相比于传统 6GHz 以下频段还有一个特点就是天线的物理尺寸可以比较小。这是因为天线的物理尺寸正比于波段的波长,而毫米波波段的波长远小于传统 6GHz 以下频段,相应的天线尺寸也比较小。因此我们可以方便地在移动设备上配备毫米波的天线阵列,从而实现各种 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output,指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线,使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收,从而改善通信质量)技术,包括波束成型。

3.2 5G系统网络架构将更加扁平、开放 、融合 、本地化 ,网络IT化趋势明显。5G 网络架构的设计可以分解为上层针对功能的系统设计和下层面向部署的组网设计,并最终呈现功能按需重构、平面合理划分、资源弹性供给和组网灵活部署的全新架构。5G网络架构典型服务能力包括:网络切片、边缘计算MEC 、按需重构的移动网络,网络能力开放等。网络切片是SDN 、NFV 、云化等技术的集合体, 满足5G各类应用场景的定制化需求从过去的 2G、3G 到目前 4G 网络,传统的移动网络主要服务移动手机用户,因此采用单一服务能力的网络层级,然而在 5G 时代,移动网络需要服务各种类型和需求的设备,对移动性、计费、安全、策略控制、延时、可靠性等方面有各不相同的要求。例如一个大规模物联网服务连接固定传感器测量温度、湿度等,并不需要传统移动网络那些主要服务手机的切换、位置更新等特性。因此,为了满足 5G 时代多类型用户需求,除了无线接入侧用到多载波等技术外,网络侧也需要通过网络切片技术实现将不同业务划分在不同通道,为典型的业务场景分配独立的网络切片。VPN 是网络切片的基本版本,而 SDN(软件定义网络)、NFV(网络功能虚拟化)、云化等技术作为网络切片的重要技术,SDN 通过对流量的顶层设计,实现5G复杂场景下的网络侧的整体接入性能;基于 NFV 按需编排网络资源,满足端到端的业务体验和高效的网络运营需求。5G网络的NFV将从核心网全面延伸到无线接入网。

图 4 网络切片SDN&NFV架构

4. 春兴精工积极布局5G,打造无线射频前端解决方案的龙头企业

苏州春兴精工股份有限公司是深交所的上市公司,股票代码002547。春兴精工围绕大射频为技术核心,是无线射频前端领域集研发、制造、销售于一体的龙头企业,主营业务为无线射频基站侧的双工器、塔放、合路器、RRU结构件、微波传输领域全频段双工器及软波导等一站式解决方案的零部件供应商。目前为全球TOP5的设备供应商华为、爱立信、诺基亚和三星提供射频配套服务。

4.1 5G产品线丰富,创新能力强

春兴在射频前端产品开发领域具有非常强大的研发力量,产品从700MHz到70 GHz基本覆盖了目前IMT-2020规定的所有频段。公司配备齐全的网络分析仪(8.5GHz-100GHz)和各种可靠性测试设备,完全满足5G产品的开发需求。针对sub 6G的频段覆盖,公司已经开发了3.3GHz~3.5GHz的8T8R的双工器产品,供客户使用。4.8GHz~4.9GHz的产品目前也已经进入了小批量阶段,配合MIMO产品进入测试阶段。

毫米波技术方面,春兴已经在小批量商用一体化24GHz、28GHz,37GHz的16T16R波导双工器及阵列天线,产品性能达到业界最佳。配合客户端的系统,将率先在2018年韩国冬奥会商用,为客户提供10Gbps的下行带宽,真正实现极速下载体验。

4.2 提前布局陶瓷介质材料产业,开启5G时代的射频革命

5G Massive MIMO是最关键的技术之一,MIMO产品由于通道多,功率小、天线大等特点,结合产品的风阻和重量设计限制,无法采用传统的金属腔体滤波器,必须采用最新工艺的Fbar,Monoblock及波导滤波器。春兴早在三年前就布局介质陶瓷材料和粉末加工产业,目前已经能够满足常规TE,TM模的介质组件销售,规模应用于RFID,智能天线及介质双工器领域。目前春兴已经成功发布了三款3.5G频段的介质填充滤波器产品,符合Massive MIMO产品的规范要求,在3.5GHz-5GHz频段领域,无线基站将大规模采用介质在板方案进行基站设计,这一次春兴又一次站在了时代的前列,做好了充分迎接5G射频革命的准备。

4.3 进军光通信市场,打造符合SDN&NFV特征的5G切片网络

春兴精工一直聚焦电信市场,为了进入系统市场领域,结合春兴的精密制造优势,2017年9月成功收购了全球光交换技术领先厂商美国凯联特公司(CALIENT Technologies, Inc.)。美国凯联特技术是纯光子光路交换技术领域的全球领先企业,其系统使全球下一代数据中心、软件定义(SDN)网络和媒体制作设施的动态光学层优化成为可能。CALIENT的三维MEMS光交换机提供光交换的成本只有基于数据包的传统解决方案的七分之一。公司通过位于加州圣塔巴巴拉企业总部的最先进的自有 MEMS晶圆厂设施设计和制造其系统。

5G网络架构较4G网络将发生重大变化,由于BBU将分解为CU+DU的模式,基站数量将成倍增加,这些变化将对铁塔、天线、机房基础设施及相应的回传网络架构同样产生巨大的变化。通信行业将在5G的搅动下竞争格局发生变化,各领域的界限将逐渐模糊,受5G标准全球统一和SDN技术的普及,将会有更多的IT厂家进入网络设备市场,提供基于网络切片的服务调用系统。春兴精工也是早早看到了技术变革带来的商业契机,果断收购凯联特公司,为后续的5G产业变革和发展奠定基础。

5G为了获取更低的网络时延, SDN保证全球软件控制器能够通过网络更高效地路由传输数据,从而优化多层交换和避免堵塞,以更好地提供吞吐量和网络利用率。但是,来自不同供应商和地域的设备造成的网络分段会将网络分区,并大幅减少SDN的优势。在SDN控制下在网络边缘和网络域边界之间添加光路交换可以有效消除这些边界产生的影响。而且,光路交换技术提供灵活的光学出入口匝道,以桥接多供应商网络和域,并使得运营商能够完全实现SDN传输优化的优势。部署在网络边缘的光路交换机使任何客户端资源都能连接到任何网络资源。不论是新网络还是传统网络,它都能为全网光学层的SDN控制提供支持。服务提供商和数据中心运营商随后可将其光学传输网络内的所有不同资源进行虚拟化及控制,而凯联特正是提供用于SDN网络的光交换机产品的领导企业。

凯联特开发的基于MEMS技术的光交换芯片,同样可以用于无人驾驶的激光雷达系统,传统的64束的激光器采用电机进行旋转采样,如果改用MEMS芯片,系统效率将提升百倍甚至千倍,综合成本也将大幅降低。

目前春兴的光交换机产品已经在测试仪表云化、数据中心光层调度、SDN网络优化等领域批量商用。

5. 结束语

春兴精工在电信市场领域耕耘多载,紧跟5G技术标准的发展和技术演进,密切配合客户进行5G前沿技术的预研和产品开发,从产品开发、技术研究储备和产业布局方面均处于同行前列,从射频前端到系统网络,春兴精工的5G系列产品均以开始小批量供应客户并率先在全球商用,为人们提供高速移动服务。

(编辑:newshoo)
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