通信行業微報告之5G關鍵性技術解析

最新 03-01

寫在前面的話:

新年好，小編在這裡祝各位看官老爺開工大吉~

今天小編基於自己在5G通信方面的信息收集以及數據調研，與大家分享5G通信技術的相關產業發展前景的個人理解。

首先說到5G，大家首先的問題是5G無線通信與4G的典型區別在哪裡？5G相比4G新加入了哪些技術？

今天小編就從5G的技術說起，聊聊5G通信為相關技術產業帶來了哪些新血液、新機遇！

5G通訊的定義

這一切，要從一個「神奇的公式」說起......

還記得這個公式的同學，請驕傲的為自己鼓個掌！！！

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如果不記得也沒關係，小編這就解釋一下：這個公式中的三個字母：C為光速，固定值（真空中，C約等於3×108m/s）；λ是波長；ν是頻率；公式描述了這三個物理量之間的關係。

就是這個簡單的公式，無論是之前的1G、2G、3G，還是現在的4G、5G，說來說去，都是在這個數學公式上做文章。

通信技術，總的來說，就分為兩種——有線通信和無線通信；我們在打電話的時候，信息數據要麼在空中傳播（無線通信），要麼在實物上傳播（有線通信）。

在有線介質上傳播，光纖的極限傳輸家用的普通光纖就可達到10Gbps以上。當前，實驗室中單條光纖最大速度已達到了26Tbps，有消息說通過石墨烯製造的新光調製器，還可繼續提高10000倍，即260Pbps。隨著技術的不斷發展，光纖的極限速度還會繼續提高;同時，不排除有比光纖更先進的通信介質，更快的速度。

而無線傳播部分遠達不到這個數據，這才是移動通信的瓶頸所在！我們所說的5G，重點是研究無線這部分的瓶頸突破。可以說，從1G到5G通訊技術升級的核心是提升無線傳輸速率，要知道5G容量為4G的1000倍，5G峰值速率範圍為10Gbps~20Gbps。

所以，為了實現上述數據指標，對應的技術應運而生：

1、5G使用毫米波波段、載波聚合技術等來增加頻譜帶寬；

2、5G使用MIMO技術增加天線數量等增加頻譜利用率；

一、毫米波頻段的使用

各大廠商對5G頻段使用的規劃是在戶外開闊地帶使用較傳統的6GHz以下頻段以保證信號覆蓋率，而在室內則使用微型基站加上毫米波技術實現超高速數據傳輸。

由於目前選取波段的毫米波，大氣吸收率相對較低，但仍高於傳統波段，傳輸損耗大。且毫米波波段極易受天氣影響，比如在雨天傳播損耗可達到18.4dB/km，因此相比室外，更擅長室內短距離高速通信。

毫米波是頻率在30GHz~300GHz的電磁波，相比於傳統6GHz以下的波段，它存在兩個優勢：

?由於最大帶寬約是載波頻率的5%，毫米波頻譜帶寬更大，可實現更高的傳輸速度，且波束窄，靈活可控，可以連接大量設備。

?由於天線的物理尺寸正比于波段的波長，而毫米波波段的波長遠小於傳統6GHz以下頻段，故天線的物理尺寸可以比較小，更易在移動設備上配備毫米波的天線陣列，支持MIMO和波束成形技術。

二、波束賦形技術

波束賦形是一種基於天線陣列的信號預處理技術，在基站上布設天線陣列，通過對射頻信號相位的控制，使相互作用後的電磁波的波瓣變得非常狹窄，並指向他所提供服務的手機，而且能根據手機的移動而轉變方向。

這種空間復用技術，由全向的信號覆蓋變為了精準指向性服務，波束之間不會干擾，在相同的空間中提供更多的通信鏈路，極大地提高基站的服務容量。

簡單來說，就是有針對性的保證需要信號的手機能夠收到信息，同時最大限度的減少能量和資源的浪費。

三、MIMO技術

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技術指在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線，使信號通過發射端與接收端的多個天線傳送和接收，從而改善通信質量。它能充分利用空間資源，通過多個天線實現多發多收，在不增加頻譜資源和天線發射功率的情況下，可以成倍的提高系統信道容量，顯示出明顯的優勢、被視為下一代移動通信的核心技術。

根據天線的特性，天線的長度與波長成正比，大約在1/10~1/4之間。

頻率越高，波長越短，天線也就跟著變短啦！5G通信中，毫米波的使用，意味著天線也變成毫米級，隨之相對應的技術就是5G中關鍵的MIMO多天線技術（Massive MIMO）。

Massive MIMO(大規模多重輸入多重輸出)：收發兩端配置多根天線，特別是在基站側配置大量天線單元（超過64根），實現了更大的無線數據流量和連接可靠性，獲得空間自由度。在傳統系統時域或頻域的基礎上導入了空間域 (spatial domain)的途徑，通過大量天線及同步處理在頻譜效益與能源效率方面取得幾十倍的增益。大規模MIMO既能實現小區內空間復用(intra-cell spatial multiplexing)，也能實現小區間干擾抑制(inter-cellinterference mitigation)，提高頻譜效率和能量效率。

技術優勢：

?MIMO技術通過增加天線數量實現在帶寬一定的條件下增加頻譜利用率，提升通信速度。

?頻率越高，天線體積越小，5G頻段尤其是毫米波頻段頻率較高，更方便在手機終端中集成天線陣列，MIMO與波束成形技術完美搭配。

四、天線新材料

由於5G、IOT等應用將採用更高的頻率，從過去的3GHz以下逐漸上升為6GHz甚至2～30GHz，這將給天線射頻材料帶來新的技術趨勢。由於5G的Massive MiMO天線數目和複雜度要遠遠高於4G的有源天線系統。所以對於降低天線的尺寸，提出了更高的要求。另外由於需要在更小的尺寸集成更多的東西，5G相對4G對於材料的導熱率也提出了更高的要求。因為功率提升，工程師希望把有源電路放到天線系統里，形成有源天線系統，這就需要將更多的部件放在一個有限的空間內。這種情況下多層PCB板開始替代過去的電纜滿足複雜天線設計需求。

目前，羅傑斯公司獨有的熱固型樹脂可以滿足以上提到的高頻、多頻，複雜天線系統的需求。在射頻領域，羅傑斯佔有很大的市場份額。2014年，羅傑斯收購了天線領域的優秀廠商雅龍，將其天線產品線進行了更大擴展。在收購雅龍之前，羅傑斯在天線上的解決方案就是熱固型樹脂。因為這種材料之前並不為國內大多數工程師所熟悉，主要還是使用特氟龍材料（PTFE熱塑型樹脂）。

熱塑性材料與熱固性材料相比，通常具有較小的電氣損耗。另外，隨著時間推移和溫度不斷升高，熱塑性材料電性能變化相對於熱固性材料要小。而熱固性材料會隨時間氧化。氧化過程可導致PCB材料的介電常數（DK）和損耗因子（DF）發生變化，並導致射頻/微波頻率等性能產生潛在的變化。通過不斷研究和改進，羅傑斯同時提高了熱塑性和熱固性材料在PCB中的性能。通過添加合適的填充材料，無論電氣性能還是機械性能都有很大幅度提高。例如，RO3000系列線路板材料是熱塑性陶瓷填充聚四氟乙烯（PTFE）複合材料，介電常數（DK）值可從3.0到10.2。作為熱塑性材料，它受時間和溫度影響較小，有著非常穩定的電氣性能及機械性能，具有較低的介電常數溫度係數。這相對於早期基於聚四氟乙烯（PTFE）的熱塑性線路板材料是一個巨大的改進。與熱塑性材料相比，儘管熱固性材料不具有低電氣損耗優勢，但RO4835熱固性材料具有較低的介電損耗，使其能夠應用於500MHz以上的低成本電路。

五、封裝技術

毫米波的超高頻率對封裝技術帶來了技術提升的要求。目前，軍用毫米波產品大多採用陶瓷或者金屬封裝，這些封裝技術可靠性好，但成本很高。民用市場或採用QFN封裝和多晶元模組，以及其他適合毫米波的先進封裝；也有廠商在扇出和嵌入式封裝方面進行嘗試。此外，對於毫米波晶元封裝，因為射頻前端過於複雜，廠商必須保證封裝的結構，例如連線、墊盤（pad）和通孔，使之不會妨礙到晶元上的射頻設計。

解決方案：

低溫共燒陶瓷技術（LTCC:low temperature cofired ceramic）是一種將未燒結的流延陶瓷材料疊層在一起而製成的多層電路，內有印製互聯導體、元件和電路，並將該結構燒結成一個集成式陶瓷多層材料。LTCC作為一種先進的封裝技術，可將濾波器、電容、電感等無源元件或組件封裝於基板中與有源器件集成為完整電路，降低成本且減小電路尺寸。

目前手機中村田、京瓷、TDK、Epcos等十多家公司的ASM，NEC、村田等公司的藍牙模塊，日立等公司的PA模塊等均由LTCC工藝封裝，同時LTCC技術還可以用於手機內天線。

國內LTCC產品的開發比國外發達國家至少落後5年，國內目前尚不能生產LTCC專用工藝設備。據不完全統計，國內南玻電子引進了一條完整的LTCC生產線，另外約有4家研究所己經或正在引進LTCC中試設備，開發LTCC功能模塊。

在全球LTCC市場九大廠商中，日商有Murata，Kyocera，TDK和TAIYOYUDEN；美商有CTS，歐洲商有Bosch，CMAC，Epcos及Sorep-Erulec。國外廠商由於投入已久，在產品質量、專利技術、材料掌控及規格主導權等均佔有領先優勢。我國在LTCC市場佔據有一定份額的是疊層式電感器和電容器生瓷帶。

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* Originwireless

基於5G信號處理及時間反轉技術（Time Reversal Waveforming）的室內高精準定位解決方案提供商。OW團隊利用信號傳播中的多路徑和時間反轉的物理特性，與環境產生共振，通過Waveforming技術將信號能量聚焦到特定位置。在非視線條件下，Origin只需要一個智能無線電設備即可精準追蹤監測（精度1-2cm）室內的人員活動狀態，這是世界上第一個可以實現這種結果並可以使用WiFi或LTE設備實時跟蹤的智能無線電設備。可用於安防、老人及小孩看顧等領域。