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从设计、测试到封装,5G毫米波技术面临哪些挑战?

时间:06-01 来源:3721RD 点击:

运营商、设备厂商和芯片厂商正在齐心协力地推动第五代移动通信标准(即5G)的制定。5G是现在4G(也称为长期演进项目,Long term evolution,即LTE)移动通信标准的下一代,5G数据传输速率可超过10Gbps,是现在LTE标准的100倍。5G技术能否成为现实,现在还是一个疑问。

不过,5G市场已经开始升温。Anokiwave、博通、英特尔、Qorvo、高通、三星以及其他不断涌现出来的厂商,正在开发5G芯片。完成5G网络部署还面临诸多挑战,举个例子,虽然设备商和芯片厂商已经在开发5G产品,但5G标准还没有确定。

现在的LTE网络工作频率从700MHz横跨至3.5GHz,5G网络则不仅要兼容LTE网络,还须支持公用免费(unlicensed,设备厂商不需要购买许可费用)或毫米波频段(注:目前毫米波波段基本免费,但免费波段不等于毫米波波段)。严格意义的毫米波频率为30GHz至300GHz,对应波长分别为10mm到1mm,毫米波通信将极大提高无线数据传输的速率。

早期的5G新工作频率会是28GHz(美国)与39GHz(欧洲),后面将引入其他频率,例如60GHz(注,通信行业不太看好60GHz,因为60GHz信号传播的大气衰减比较严重)、71GHz至86GHz,甚至可能用到300GHz。

要支持毫米波通信,移动系统和基站必须配备更新更快的应用处理器、基带以及射频器件。事实上,5G标准对射频影响较大,需要一系列新的射频芯片技术来支持,例如支持相控天线的毫米波技术。毫米波技术最早应用在航空军工领域,如今汽车雷达、60GHz Wi-Fi都已经采用,将来5G也必然会采用。

把毫米波技术从航天军工领域引入到商用市场并不容易。"毫米波技术还面临一些挑战,"GlobalFoundries射频市场总监Peter Rabbeni说道,"设计与设计实现,以及毫米波产品测试都会遇到不少困难。这主要是因为毫米波频率太高了。"

设计毫米波芯片很难,但测试会更难。"在业内,我们很早就开始测试毫米波产品,但这些毫米波芯片主要用于航天军工市场。"NI销售与市场执行副总裁Eric Starkloff说道,"毫米波测试的成本很高,我们正在努力大幅度降低毫米波测试的成本,这样才有可能大规模推广毫米波。"

虽然5G技术面临诸多挑战,但Verizon计划2017年的时候在美国提供部分5G服务,韩国电信与三星则计划2018年冬奥会期间提供5G服务,但大规模5G部署不会早于2020年。

"我很怀疑,即使到2020年,5G能否提供较为完善的移动服务,"Forward Concepts总裁Will Strauss说,"当然,2018年会有5G试运行网络提供高速移动通信服务,不过那时候能够买得起5G手机的人非常少。"

虽然离5G真正实现尚有很长时间,但业界需要认真审视5G技术,以跟随发展到步伐。下面我们就从芯片、工艺、测试和封装等角度来详细分析一下5G技术现状。

什么是5G?
到底什么是5G?为什么我们需要5G?现在,多数运营商部署的4G移动通信标准被成为LTE升级版(LTE Advanced ,为LTE标准的第10版,简称LTE-A)。根据4G技术规范,运营商部署了第四级(Cat 4)与第六级(Cat 6)LTE-A移动通信网络,第四级LTE-A下载速度可达150Mbps,第六级LTE-A下载速度更高,可达300Mbps。

再过一段时间,运营商将部署LTE-A Pro(为LTE标准的第13版),LTE-A被认为是4.5G技术,被看作通向5G的跳板。根据NI的资料,LTE-A Pro支持32个载波单元(LTE-A是5个),大规模多入多出技术(Massive MIMO)以及免费频段LTE技术等。这些技术都是5G技术的一部分,不过5G技术将进一步把工作频率拓展到毫米波频段。对于LTE-A Pro,运营商会部署第十级(Cat 10)移动网络,支持450Mbps下载速度,部分运营商会部署下载速度达1Gpbs的第16级(Cat 16)移动网络。

虽然现在4G网络速度还不错,但根据爱立信的估计,从2015到2021年,移动数据流量每年增长率在45%左右,到2021年每部手机每月数据流量将从2015年的1.4GB增长到8.9GB左右。

因为移动数据流量飞速增长等原因,人们对5G技术的需求是真实存在的。不同运营商提供的5G服务可能互有区别,但大体上每家运营商选择的5G技术都包括以下三项:增强型移动宽带、物联网和机器通信。

增强型移动宽带引入毫米波技术,可使移动数据传输速率超过10Gbps。5G网络容量是4G的1000多倍,传输延迟降低到4G的十分之一。物联网主要是指基于无线网络的技术,为了物联网更好的发展,现在业界也制定了一个窄带无线互联标准,成为窄带物联网(NBIOT)。同时,5G包含一种单独的机器对机器通信协议(M2M),5G中规定的M2M协议被称为LTE-M。

"5G中对低功耗和长电池寿命提出了要求,"NI首席市场经理 David Hall说," NBIOT和

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