质疑是暂时的:5g的过去和将来

2022-10-25 17:30:17

回顾5g的发展历程,不难发现,随着5g标准的持续演进,许多应用痛点将有望解决。智能手机只是众多5g应用中的一环,预计在未来,5g厂商将提交出更全面的凯发官网入口首页的解决方案。


就算行业花了很多的精力来渲染5g,将它作为当代技术发展的热点来推动,但直到现在,普罗大众对5g的感知也并不强烈。


距离消费类用户最近的5g技术可能当属5g手机。但至少到目前为止,大部分5g手机用户在升级5g后,也未能感知到它在体验层面的质变。甚至还有一些用户为了省电,在日常使用手机时会特别关闭5g通信功能。


同时,大家也都知道,5g不仅只与智能手机有关。安森美中国区通讯与服务器市场应用工程总监蒋怀刚在接受《国际电子商情》的采访时说:“手机只是众多5g应用中的一个终端应用,其实与消费类的手机应用相比,远程医疗手术/智能工厂/大型赛事活动/大型救灾救援等工业应用,特别是智能电动汽车等新兴行业,它们的蓬勃发展更需要5g技术的支撑。”


现阶段,非个人用户的5g垂直行业用例并不少见,比如,对电网而言,4g的带宽和时延较难经济地满足视频监控、机器人巡线、差动保护、三遥(遥测、遥信、遥控)的需求,而5g藉由独立切片非常适用于这类场景。


一位不愿具名的5g垂直行业技术参与者告诉《国际电子商情》,5g对于部分场景的适配,已经到了无可比拟的程度,而且这绝非市场参与者制造出的噱头。他以5g专线为例表示,虽然5g专线现在的客户不多,但是它的前景巨大。比如,银行的大量分散网点要与总行通信,以往的凯发官网入口首页的解决方案复杂且成本高昂,而5g专线的一路切片就足以解决问题。


也许大家会好奇, 5g真正的威力是否已经施展?其发展潜力真的有传说中的那么神吗?到如今,5g又发展到了哪个阶段?


5g的各个发展阶段具备哪些特点?


讨论5g的发展阶段,需要诸多数据来做支撑——还需以基站数量、5g连接数为依据。先来看一些相对抽象的数据:技术分析公司ccs insight在今年年中预计称,2022年5g的连接数会超过10亿,相比于去年翻了一番。该机构还预计,到2026年全球5g网络连接数约占所有网络连接数的三分之一,连接总数将为45亿。


5g在商用落地后没多久,就遭遇了covid-19的影响,这给5g网络基础设施的建设带来了巨大的打击。ccs insight高级分析师james manning smith指出:“虽然5g在立足之年遭遇了covid-19的冲击,但在如今5g市场的发展已经趋于强劲。2022年,全球宏观经济和地缘政治环境仍不乐观,同时还面临着供应链方面的困境,但5g网络移动用户的增长正呈现不错的势头。具体来看,5g连接数预计在今年会翻番,到年末将达到12亿。”


另外,在建设进度上还有基建相关的数据可供参考。例如,根据中国工信部今年年初的一个数据:预期到2022年底,中国的5g基站数量会超过200万。同时,工信部在《“十四五”信息通信行业发展规划》中设定了目标——到2025年底,力争每万人拥有5g基站数达到26个。据悉,在2020年,中国每万人拥有5g基站数仅有5个。


英国市场研究公司idtechex则给出了一组阶段性数据:2021年,在全球运行的5g商用服务中,有56%是在sub-6 ghz的频谱范围内,几乎所有sub-6 ghz频谱的基站都位于城市中。另外,大约有10%是在毫米波(>24ghz)频谱范围内。这组数据能够在一定程度上体现出,全球5g发展还比较初级,不过这些数据还是不够具体。


ccs insight还提到,在2022年的5g连接数中,有99%的连接来自智能手机、支持蜂窝数据连接的平板、笔记本和其他类似的设备。2022年售出的手机设备中,又有44%的手机支持5g连接,手机终端仍占较大的比重,也从侧面显示了5g的发展阶段仍然较早。


从更细分的5g连接项目来看,今年5g固定无线访问(业务节点是固定用户终端)的连接数或将达到700万,同比增长160%。北美供应商也在积极地提供5g高速家用宽带,不过连接数暂时还比不上光纤/有线宽带。


m2m(machine-to-machine,机器到机器)和iot应用方面,5g连接数到今年底预计将达900万——增长率虽然相当高,但是基数相对较低,未来这一市场会有很大的成长空间。


还有另外一个观察角度——基于3gpp发布的标准来看。4g、5g并不是一种固定的技术,它们在随着时间的发展而向前演进。最早的5g标准是3gpp在2018年6月发布的release 15,它是5g商用部署的基础。此后,5g标准经过了多次更新,release 16、release 17相继冻结,直到去年12月,3gpp正式确认了release 18的内容。


3gpp标准出台的速度很快,但标准真正的商用落地,则需耗费一些时间。联发科在今年的天玑9000发布会上才开始强调,其新一代手机的modem(调制解调器)支持部分release 16的新特性,其中包括载波聚合提升速率、新节能特性等等。也正是在这一时期, nsa(非独立组网)和sa(独立组网)在持续转变。


全球各国的运营商都在加快5g sa网络的部署,以更大程度达成对5g能力的支持。从sa网络的部署中能看出5g发展的一些情况,从gsa(全球移动供应商协会)今年1月公布的数据来看:全球有50个国家的99家运营商正在以试运行、规划或者实际部署的方式投入到5g sa网络建设中。其中,16个国家的20家运营商发布了5g sa网络服务,包括中国移动、vodafone(沃达丰)、softbank(软银)、t-mobile us、singtel(新加坡电信)、saudi arabia telecom company(沙特阿拉伯电信公司)、rogers(罗杰斯)、rain和directv等;有5家运营商已经布局了5g sa技术,但尚未正式发布相关服务;有25家运营商宣布对5g sa进行试用,22家运营商已进入到评估测试阶段。


截至2022年1月,gsa报告了663款支持5g sa的终端设备,与2020年底相比增长了138%。在2019年底,支持5g sa的设备仅占总的5g设备的35.6%,到2020年底该占比提升到了49.7%,2021年底则达到了54.6%。


图1:支持5g sa的不同设备的百分比 图片来源:gsa


图1列举了支持5g sa的终端设备数据,其中手机占50.3%,fwa cpe(固定无线访问设备)和模组均占20%。


中国在5g sa建设普及率方面拔得头筹,这与我国城市人口众多、人口密度大有很大关系,运营商也因此有更大的建设驱动力。litepoint的业务开发总监rox chen说:“中国比美国有更多的fr1频谱部署,这就让5g sa更值得投入。”


但总的来说,全球5g sa网络的部署速度仍然很慢。国外不少分析师都认为,在运营商的5g建设规划列表中,让网络变得更加密集,以及更多地启用c-band频谱,才是当务之急。这需要耗费它们不少精力和资源,5g sa网络则属于下一个阶段的建设工作。


从目前可观察的各项数据来看,全球的5g网络建设都处在初期阶段。除此之外,6g建设也是一个重要的观察角度,根据3gpp的时间表,预计到2025年左右,6g开始标准化。行业普遍认为,6g技术的商用时间至少要到2030年,在这期间,5g还有较久的发展时间。


5g正在不断地演进


不同版本的5g标准规范,可明确反映出5g在各阶段所能达成的不同能力。以联发科天玑9000芯片为例,该芯片支持下行载波聚合3cc最高300mhz频宽(3x100mhz)、7gbps,上行则支持r16 ul增强型。另外,天玑9000具备节电特性,在连接模式下该芯片的功耗最多可降低32%。这个例子说明,5g手机还有相当大的进化空间。


随着5g技术和标准的演进,很多前期应用的遭遇的痛点也可能得以解决。智能手机这类端侧设备只是其中一环,5g不同环节的市场参与者也在尝试解决问题。比如,在5g基础设施方面,蒋怀刚指出:“5g单站功耗是4g单站的2-3倍。有源天线单元(aau)功耗增加,是造成5g功耗激增的主要原因。由此也导致了运营商的电费直线上升。”


如果单论每bit能耗,5g nr要比之前的移动技术有更大的能效优势。但更稠密的布局、大规模mimo(多输入多输出)、大带宽以及对更多频带的支持,给5g网络带来了更大的能耗。在5g网络的运营成本中,能耗成本已占到相当大的一部分。


因此,在标准层面,3gpp在release 18通过了一项网络节能的研究——这项研究旨在定义基站的网络能耗模型,开发一种新的评估方法技术,发现关键性能指标,并研究在目标部署场景下达成节能的技术。


蒋怀刚从安森美的5g基础设施相关产品层面出发谈到,“5g电源模块设计上面临的挑战,主要包括效率、功率密度、散热等,这需要解决高功耗、提升功率密度等问题。所以安森美的一揽子智能电源凯发官网入口首页的解决方案,有高压和中低压硅基mosfet、谷底导通模式的正/反激变换器控制器、pfc/llc控制器、各种辅助电源等,还有针对5g通讯基带的大电流凯发官网入口首页的解决方案,就属于提升系统效率的组成部分。


蒋怀刚表示,随着5g基站的大规模普及,电源方案还需要更新换代。安森美正围绕第三代半导体方面做布局,涵盖了从基板衬底到最终产品以及封装相关的技术。


ti(德州仪器)也表达了相同的态度:“5g基站的部署量正在高速增长。在可持续发展的时代背景下,5g基站也会更小、更轻、更加绿色。电源方案的功耗、效率以及面积是重要影响因素。电源部分就有很大的优化空间。”ti介绍说,其既有产品就有基站电源的核心数字控制器,期望能够助力电源方案,在效率、功率密度、动态、成本及可靠性上的全方位提升。


比如,已投产器件中的某款降压转换器,可以做到单颗40a且支持多颗并联,覆盖了大电流的应用场景。将来ti会基于结合封装和工艺的研究,在相同或者更小的体积下实现更大的电流。这款产品还带有pmbus接口,可通过实时调压来进一步处理芯片的功耗。


以上这些案例虽然过于碎片化,但是它能体现出5g通信不同环节的市场参与者,都在尝试解决问题,也包括标准本身的演进,体现了5g技术巨大的发展潜力。


5g还在立新的flag


要理解5g的演进之路,最好从最高抽象层级的标准入手。去年12月确定的release 18就是一次较大的跨步演进,所以又被称作5g advanced的首个release版本。图2展现了3gpp从5g到5g advanced的演进路线。



图2:从5g到5g advanced


在最早的release 15上,3gpp明确了5g nr(new radio,新空口),旨在处理从embb(增强移动宽带)到urllc(超可靠低延迟通信),再到mmtc(大规模机器通信)的使用场景。


release 16引入了多项重要更新,不仅有对现有功能的增强,也增加了新用例和部署场景。其中,关键提升有:对mimo和beam forming(波束成形)的加强,对于dss(动态频谱共享)、dc(双连接)和ca(载波聚合)、ue(用户设备)节能等的持续强化。


release 16的新用例和部署场景,则包括了对于iiot(工业物联网)与urllc的加强支持以及未授权频谱工作,v2x(车用无线通信技术)通信、定位服务、iab(集成接入回传)等等。


release 17对mimo、dss、ue节能、覆盖、定位、urllc等做了持续加强。这个标准的新增用例和部署场景包括52ghz之外的频带工作、mbs(多播与广播服务)、ntn(非地面网络)等。《国际电子商情》认为,release 17格外值得关注的是上行覆盖,这原本是商用部署常见的瓶颈,所以这一版标准里新增了针对pusch(physical uplink shared channel,物理上行共享通道)和pucch(physical uplink control channel,物理上行控制通道)扩展上行覆盖的技术。


现阶段,真正值得期待的应该是release 18——或者说未来的5g advanced。


5g advanced:先进版“战未来”

release 18是5g advanced的首个标准,它的内容涵盖了xr(扩展现实)和媒体服务、边缘计算、基于ai的服务、网络自动化等。根据3gpp的后续工作计划,release 18的第三阶段将于2023年末冻结。而5g advanced网络的商用部署,预计将在2024、2025年开始。


今年,中国三大运营商、基础设施提供商、手机oem厂商、互联网企业、芯片企业共同发布了《5g advanced网络技术演进白皮书2.0》,该白皮书中提到目前5g网络各方面的能力都相当不足——即使现在基于网络切片、边缘计算、非公有网络来服务行业完全可行,但只有这些还远远不够。


这就需要release 18和后续更强化的5g版本。我们认为,5g的价值能真正体现在行业数字化方面,有工业互联网、能源互联网、采矿业、港口、医疗健康、运输等行业,它们都需要5g网络来提供差异化的业务体验。比如,智能电网需要高精度的时钟同步、高度隔离和高安全性;医疗远程诊断则需要超低时延来实现信息实时同步……


5g advanced需要考虑的问题比较多样,包括针对不同行业采用公网、本地私网、各种混合网络模式,来达成行业的业务隔离和数据安全需求,以及在网络架构、方案等方面满足多样化和复杂的业务环境。


5g概念在行业刚盛行时,其实很多人并不太相信运营商吹嘘的5g可适用的很多行业应用。也许现在大家对5g还是保持着谨慎的态度,但市场参与者通过技术的进化,让大家看到了他们的决心。


5g-advanced有三大特性:ai(人工智能)、convergence(聚合)、enablement(赋能)。


首先是ai。5g的应用和服务在不同行业间存在着较大的差异,这就导致相关的网络功能、管理和用户行为变得多样和复杂。随着网络规模持续增长,就不大可能采用重手动配置的方案,ai能够在各层级提供凯发官网入口首页的技术支持。


其实ai相关的条目不止一个,比如说针对ng-ran(ng radio access network,无线接入网)的ai/ml(人工智能/机器学习)——似乎在release 17版本时期就加入了这方面的研究。还有以ai技术提升空口功能、加强性能或者减少复杂性和开销。3gpp release 18做这方面的研究,具体会建立一个通用的ai/ml框架,发现提升空口功能的位置、研究如何描述和定制ai/ml模型、评估ai/ml技术来理解其实际收益和复杂性、评估标准化影响等。


而聚合是指不同访问模式、网络的聚合。在5g时代之前,各行各业构建自己的网络,有不同的终端、访问模式、传输方法。这样的发展路径导致出现了高成本、技术迭代难、发展慢的问题,因此,下一代网络就是要做聚合。


赋能则是指在各行各业应用,5g网络的能力持续提升,从一项基础设施演变为使能服务,最终为各行各业提供定制化网络。


release 18本身着重关键技术阐释,比如节能、网络覆盖、迁移支持、mimo加强、频谱弹性化使用,还有5g设备多样化问题——包括特别加入的xr设备以及云游戏设备、低复杂性用户设备、无人机等等。


当前,5g还在持续发展和进化,新标准仍在不停对现有技术做优化、并引入新的特性。5g advanced网络会为5g演进定义新的目标和能力,通过技术进步达成更好的社会与经济价值。或许5g技术那些尚未成真的演示和应用,总有机会大规模普及。


来源:国际电子商情微信公众号


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