何偉俊，戴國(guó)華，詹文浩，崔沛東

1 引言

2016年至今國(guó)內(nèi)外運(yùn)營(yíng)商已陸續(xù)發(fā)布5G的路標(biāo)與試驗(yàn)計(jì)劃，北美和日韓運(yùn)營(yíng)商均計(jì)劃2017年至2020年期間逐步實(shí)現(xiàn)5G預(yù)商用與商用，國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商也陸續(xù)發(fā)布5G路標(biāo)與試驗(yàn)計(jì)劃，并均表示在2020年將商用5G。5G終端作為5G業(yè)務(wù)的關(guān)鍵元素，是未來(lái)5G產(chǎn)業(yè)的重要價(jià)值載體，運(yùn)營(yíng)商在規(guī)劃5G網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)需考慮如何推進(jìn)符合自身5G業(yè)務(wù)需求的終端產(chǎn)業(yè)發(fā)展問(wèn)題。

與LTE不同，ITU-R（International Telecommunications Union-Radio，國(guó)際電信聯(lián)盟無(wú)線電通信部門）定義的5G三大應(yīng)用場(chǎng)景[1]使5G終端的形態(tài)呈現(xiàn)出多樣化趨勢(shì)，因此明確終端的業(yè)務(wù)形態(tài)與技術(shù)性能指標(biāo)是運(yùn)營(yíng)商5G終端規(guī)劃所面臨的首要問(wèn)題。其次，運(yùn)營(yíng)商將在各自不同的運(yùn)營(yíng)背景下部署新的5G網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)引入相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)（如全頻譜接入、大規(guī)模天線、雙連接等），使5G終端在實(shí)現(xiàn)上遭遇新的挑戰(zhàn)。再者，如何對(duì)終端進(jìn)行合理測(cè)評(píng)也是運(yùn)營(yíng)商5G商用的一道重要門檻。針對(duì)上述問(wèn)題，本文首先通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展、運(yùn)營(yíng)商規(guī)劃及終端測(cè)試產(chǎn)業(yè)等方面給出5G終端產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀；然后對(duì)5G終端在多網(wǎng)融合下實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)通方案所面臨的挑戰(zhàn)（如終端實(shí)現(xiàn)全模全頻對(duì)射頻前端與天線設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)、雙連接雙收雙發(fā)造成的自干擾問(wèn)題、OTA測(cè)試挑戰(zhàn)等）進(jìn)行探討分析；最后對(duì)5G終端的形態(tài)與終端芯片的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并提出運(yùn)營(yíng)商引入5G終端的若干策略建議。

2 5G終端產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

2.1 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展

ITU（International Telecommunications Union，國(guó)際電信同盟）在2016年已開展5G技術(shù)性能需求和評(píng)估方法研究，并將于2017年底啟動(dòng)5G候選方案征集，2020年底完成標(biāo)準(zhǔn)制定。3GPP的工作組（包括SA、RAN、CT）承擔(dān)5G國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的研究與制定工作。SA組從2017年初至今，已針對(duì)業(yè)務(wù)需求、架構(gòu)、安全等陸續(xù)完成并輸出5G相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（TS）[2-4]。RAN組則針對(duì)物理層、架構(gòu)、接口協(xié)議、射頻天線等討論完善相關(guān)技術(shù)報(bào)告（TR）并逐步輸出5G NR（New Radio）相關(guān)的TS，預(yù)計(jì)NSA（Non-Standalone，非獨(dú)立）架構(gòu)的5G NR標(biāo)準(zhǔn)將于2017年底完成，2018年3月凍結(jié)；而SA（Standalone，獨(dú)立）架構(gòu)的5G標(biāo)準(zhǔn)將于2018年6月完成，9月凍結(jié)。從2017年9月在日本札幌召開的RAN#77會(huì)議[5]對(duì)NR的討論來(lái)看，與終端相關(guān)的TS（如終端接入能力、終端無(wú)線發(fā)送與接收等）在2017年底或2018年初陸續(xù)完成，而關(guān)于與終端性能要求相關(guān)的TS將在2018年上半年完成。

從目前的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展來(lái)看，eMBB（Enhance Mobile Broadband，增強(qiáng)移動(dòng)寬帶）場(chǎng)景技術(shù)點(diǎn)及部分uRLLC（Ultra Reliable Low Latency Communication，低時(shí)延高可靠通信）場(chǎng)景技術(shù)點(diǎn)預(yù)計(jì)可在2018年上半年（NSA標(biāo)準(zhǔn)階段）完成，mMTC（Massive Machine Type Communication，海量物聯(lián)網(wǎng)通信）場(chǎng)景的相關(guān)技術(shù)點(diǎn)需待R16進(jìn)行討論。

2.2 運(yùn)營(yíng)商5G規(guī)劃

目前國(guó)外運(yùn)營(yíng)商規(guī)劃的5G業(yè)務(wù)場(chǎng)景主要是以eMBB為主，終端形態(tài)主要涵蓋AR/VR、CPE（Customer Premise Equipment，無(wú)線客戶端設(shè)備）、手機(jī)、平板、無(wú)人機(jī)等。具體如表1所示。

從表1可知，目前運(yùn)營(yíng)商的初步5G計(jì)劃雖然大多針對(duì)eMBB場(chǎng)景進(jìn)行部署，但是5G的業(yè)務(wù)需求存在一定程度的分化，從而導(dǎo)致了5G終端產(chǎn)品形態(tài)存在差異。北美運(yùn)營(yíng)商（如Verizon、AT&T）根據(jù)自身原有的WTTx（Wireless To The x，無(wú)線寬帶到戶）業(yè)務(wù)背景，把CPE作為其5G業(yè)務(wù)的主要終端產(chǎn)品；而日韓運(yùn)營(yíng)商根據(jù)運(yùn)營(yíng)區(qū)域的國(guó)際熱點(diǎn)需求，把VR/AR、手機(jī)、無(wú)人機(jī)等作為其5G業(yè)務(wù)的主要終端產(chǎn)品。

2.3 終端測(cè)評(píng)

目前國(guó)內(nèi)外終端測(cè)試廠商正為5G終端測(cè)評(píng)做準(zhǔn)備。思博倫在研究5G信道測(cè)試的同時(shí)開展基于OTA[6]的MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多輸入多輸出）測(cè)試方案研究[7]；是德科技針對(duì)5G物理層新技術(shù)推出超寬帶信號(hào)產(chǎn)生與接收解決方案[8]，并于2017年5月宣布推出5G協(xié)議測(cè)試解決方案，為設(shè)備廠商的產(chǎn)品研發(fā)提供強(qiáng)大的工具[9]；羅德與施瓦茨已開展針對(duì)5G（極高頻）寬帶信號(hào)的產(chǎn)生與分析研究，同時(shí)在室內(nèi)外信道環(huán)境模擬上提出了相關(guān)解決方案；而國(guó)內(nèi)星河亮點(diǎn)一直在OTA方面開展深入研究，其自主研發(fā)的信道模擬系統(tǒng)未來(lái)可支持Massive MIMO測(cè)試的要求[10]。

從主流終端測(cè)試廠商的研究現(xiàn)狀來(lái)看，其研發(fā)焦點(diǎn)主要解決5G無(wú)線關(guān)鍵技術(shù)的測(cè)試（如毫米波、MIMO OTA）以及5G信號(hào)生成與頻譜分析等問(wèn)題。

3 5G終端產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵問(wèn)題挑戰(zhàn)分析

5G的業(yè)務(wù)需求、多種組網(wǎng)方案以及高性能指標(biāo)對(duì)終端實(shí)現(xiàn)提出了新的挑戰(zhàn)，具體包括：多網(wǎng)融合下支持全模全頻對(duì)終端射頻前端與天線的挑戰(zhàn)、雙連接技術(shù)下雙收雙發(fā)導(dǎo)致的自干擾問(wèn)題、OTA測(cè)試挑戰(zhàn)等。

表1 運(yùn)營(yíng)商5G計(jì)劃及終端類型

3.1 頻段對(duì)射頻前端器件挑戰(zhàn)

終端的射頻前端主要由工作于固定頻段的一組收發(fā)器件組成，包括功率放大器（PA）、低噪聲放大器（LNA）以及濾波器等，每組射頻前端器件對(duì)應(yīng)一個(gè)固定頻段，具體如圖1所示：

圖1 終端射頻前端示意圖

射頻前端是5G全網(wǎng)通終端的關(guān)鍵器件。終端支持全模全頻功能需射頻前端在材料、工藝、帶寬和功率上均符合Sub-6 GHz與毫米波頻段的要求。對(duì)于Sub-6 GHz頻段，可延用LTE終端射頻前端的材料和工藝，但存在的高頻大帶寬、HPUE（High Power User Equipment，高功率用戶設(shè)備）、波形峰均比高等問(wèn)題對(duì)器件的帶寬與功率提出了更高要求，需對(duì)功放、濾波器、低噪聲放大器等進(jìn)行優(yōu)化。另外，該頻段中B42（3.4 GHz～3.6 GHz）的射頻前端產(chǎn)業(yè)規(guī)模相比n79（4.4 GHz～4.99 GHz）更大且成熟。對(duì)于毫米波頻段，存在射頻前端器件成本高、工藝不成熟等問(wèn)題。

目前工信部為我國(guó)5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)規(guī)劃了4個(gè)頻段：3.3 GHz～3.6 GHz頻段、4.8 GHz～5.0 GHz頻段、24.75 GHz～27.5 GHz頻段、37 GHz～42.5 GHz頻段。運(yùn)營(yíng)商頻段的部署將直接影響終端射頻前端的設(shè)計(jì)。

3.2 天線技術(shù)挑戰(zhàn)

大規(guī)模天線陣列技術(shù)（Massive MIMO）作為5G增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）場(chǎng)景下的關(guān)鍵技術(shù)之一[11]，在終端側(cè)的天線策略仍未最終確定，但是從增加中高頻段的網(wǎng)絡(luò)覆蓋和提高網(wǎng)絡(luò)容量的角度考慮，終端天線數(shù)量增加已成為趨勢(shì)。

在Sub-6 GHz頻段，終端可采用4/8根天線通過(guò)分集或復(fù)用提升對(duì)用戶的覆蓋性能，但天線數(shù)量增加會(huì)使設(shè)計(jì)存在空間壓縮、規(guī)格提升等問(wèn)題，需通過(guò)器件與算法優(yōu)化滿足天線設(shè)計(jì)參數(shù)（如隔離度）要求。在毫米波頻段，終端可采用包括RFIC（Radio Frequency Integrated Circuits，射頻集成電路）、RFFE（Radio Frequency Front End，射頻前端）以及天線在內(nèi)的一體化封裝方案，但終端需支持智能天線陣列以及上下行自適應(yīng)波束賦形和波束追蹤技術(shù)，使天線設(shè)計(jì)存在空間、工藝、功耗、成本等問(wèn)題。

3.3 雙連接技術(shù)挑戰(zhàn)

目前業(yè)界存在兩種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)部署方式，即獨(dú)立架構(gòu)（SA）與非獨(dú)立架構(gòu)（NSA）。若5G網(wǎng)絡(luò)按NSA架構(gòu)部署，則要求終端支持雙連接技術(shù)，采用雙射頻同時(shí)連接4G與5G網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行雙收雙發(fā)，此時(shí)射頻器件非線性等因素容易導(dǎo)致終端存在自干擾問(wèn)題，即上行雙發(fā)可能對(duì)下行接收產(chǎn)生諧波與互調(diào)干擾，造成接收端靈敏度下降。例如，某運(yùn)營(yíng)商LTE部署于B3（1 765 Hz～1 780 Hz）頻段，若5G部署于B42（3 400 Hz～3 600 Hz）頻段，則B3上行可能對(duì)B42下行造成二次諧波干擾，同時(shí)B3與B42間的四階互調(diào)信號(hào)可能對(duì)B3、B42下行造成干擾。具體如圖2所示：

圖2 雙連接終端自干擾示意圖

3.4 終端測(cè)評(píng)挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)終端測(cè)試采用基于傳導(dǎo)連接的方法，其可延用于5G終端Sub-6 GHz頻段測(cè)試。然而5G終端將支持毫米波頻段并引入多天線技術(shù)，傳導(dǎo)連接測(cè)試會(huì)難以滿足其測(cè)試需求，基于OTA的測(cè)試方法（如多探頭暗室法、混響室法和兩步法等）將成為5G終端測(cè)試的主流方法[6]。

相對(duì)于LTE而言，5G擁有更高的頻率、更寬的帶寬、更多的發(fā)射及接收天線、更加復(fù)雜的波束賦形工作模式，OTA測(cè)試面臨的挑戰(zhàn)包括更大的微波暗室、更大的路徑損耗、更復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)以及更長(zhǎng)的測(cè)試時(shí)間等。另外，射頻端口取消后，在終端研發(fā)測(cè)試過(guò)程中如何對(duì)終端的基帶協(xié)議、算法等進(jìn)行驗(yàn)證也是待解決的問(wèn)題。

4 運(yùn)營(yíng)商引入5G終端策略建議

上文已對(duì)5G終端產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀及終端關(guān)鍵挑戰(zhàn)進(jìn)行了討論，下面將結(jié)合討論并根據(jù)以下問(wèn)題思路提出運(yùn)營(yíng)商引入5G終端的策略建議：首先，滿足業(yè)務(wù)需求的終端是什么形態(tài)，芯片將達(dá)到怎樣的技術(shù)指標(biāo)？其次，如何針對(duì)終端實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵問(wèn)題聯(lián)合產(chǎn)業(yè)各方討論方案并推進(jìn)產(chǎn)業(yè)落實(shí)？如何驗(yàn)證終端使規(guī)劃終端順利“落地”？

4.1 終端形態(tài)與芯片預(yù)測(cè)

5G終端的形態(tài)根據(jù)三大應(yīng)用場(chǎng)景的差異將呈現(xiàn)多樣化趨勢(shì)。其中，eMBB場(chǎng)景下的5G終端類型包括CPE、手機(jī)、AR/VR、筆記本電腦、平板、無(wú)人機(jī)等；uRLLC場(chǎng)景下的5G終端類型包括智能監(jiān)控設(shè)備（交通）、車載終端、機(jī)器人、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)制造及檢測(cè)設(shè)備等；mMTC場(chǎng)景下的5G終端類型包括水電氣表終端、物流跟蹤器、家居智能電器、智能可穿戴設(shè)備、智能檢測(cè)設(shè)備（農(nóng)、林、城市）等。具體如圖3所示。

結(jié)合表1運(yùn)營(yíng)商規(guī)劃與圖3三大場(chǎng)景的終端形態(tài)，預(yù)測(cè)首批5G終端產(chǎn)品的業(yè)務(wù)形態(tài)趨向于AR/VR、CPE、手機(jī)、平板電腦等；而從主流芯片廠商規(guī)劃來(lái)看，5G初期終端產(chǎn)品形態(tài)eMBB場(chǎng)景下主要以CPE與手機(jī)為主。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的完成計(jì)劃與主流芯片廠商的研發(fā)進(jìn)展，預(yù)計(jì)2018年底有5G單模CPE出現(xiàn)；2019年中有5G拼片方案手機(jī)終端出現(xiàn)，支持全模與雙卡方案；2020年將出現(xiàn)SOC的5G終端，支持全模。

目前國(guó)內(nèi)外芯片廠商均已啟動(dòng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)5G芯片的研發(fā)與試驗(yàn)，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間計(jì)劃與芯片廠商的芯片規(guī)劃情況，對(duì)5G終端的預(yù)測(cè)具體如表2所示：

表2 5G基帶芯片預(yù)測(cè)

預(yù)計(jì)5G初期終端基帶芯片主要支持eMBB場(chǎng)景下的相關(guān)技術(shù)功能，少數(shù)廠商芯片會(huì)支持uRLLC場(chǎng)景下的一些技術(shù)功能。5G初期mMTC場(chǎng)景預(yù)計(jì)將延用4G物聯(lián)網(wǎng)終端芯片，待R16中進(jìn)行討論規(guī)劃。

由于5G終端產(chǎn)品規(guī)劃與運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)背景以及運(yùn)營(yíng)區(qū)域的具體需求有較大的關(guān)系，因此運(yùn)營(yíng)商引入5G終端時(shí)需明確5G的價(jià)值歸宿，根據(jù)自身運(yùn)營(yíng)背景與業(yè)務(wù)需求，結(jié)合擬部署的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈成熟度（標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展、芯片研發(fā)時(shí)間、射頻前端、天線等）因素綜合規(guī)劃5G終端的演進(jìn)方案。

4.2 全模全頻終端挑戰(zhàn)策略建議

圖3 5G終端的形態(tài)呈現(xiàn)多樣化趨勢(shì)示意圖

從上文的終端挑戰(zhàn)分析可知，終端實(shí)現(xiàn)全模全頻方案存在諸如射頻前端、天線、雙連接自干擾等問(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題，運(yùn)營(yíng)商需明確網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)需求，同時(shí)聯(lián)合產(chǎn)業(yè)鏈上下游提前討論問(wèn)題解決方案。首先，運(yùn)營(yíng)商在進(jìn)行5G頻段部署規(guī)劃和關(guān)鍵技術(shù)引入時(shí)，既要平衡性能與終端成本間的關(guān)系，也應(yīng)充分考慮擬部署頻段對(duì)應(yīng)的射頻前端與天線的產(chǎn)業(yè)規(guī)模；其次，在確定采用NSA架構(gòu)部署網(wǎng)絡(luò)前，應(yīng)根據(jù)擬部署的頻段研究是否存在終端自干擾問(wèn)題以及分析問(wèn)題的嚴(yán)重性和解決方案的有效性。

4.3 終端測(cè)評(píng)策略建議

運(yùn)營(yíng)商可聯(lián)合終端產(chǎn)業(yè)主流芯片與終端廠商研究制定5G終端功能需求及技術(shù)方案，與芯片廠商合作開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的5G終端原型機(jī)，并搭建實(shí)驗(yàn)室與外場(chǎng)試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)之進(jìn)行驗(yàn)證。

根據(jù)上文對(duì)OTA測(cè)試挑戰(zhàn)的分析，運(yùn)營(yíng)商可針對(duì)Sub-6 GHz和毫米波頻段，聯(lián)合主流儀表廠商合作研究基于OTA的終端空口關(guān)鍵技術(shù)測(cè)評(píng)方案，并與其合作研發(fā)符合自身業(yè)務(wù)需求的5G終端測(cè)試儀表，共同打造OTA終端測(cè)評(píng)實(shí)驗(yàn)室，解決5G終端的測(cè)評(píng)問(wèn)題，使自身具備對(duì)原型機(jī)及后續(xù)預(yù)商用、商用終端的測(cè)評(píng)能力，為符合自身業(yè)務(wù)需求的5G終端產(chǎn)業(yè)化提供保障。

5 結(jié)束語(yǔ)

由于運(yùn)營(yíng)商對(duì)5G終端的規(guī)劃仍存在較多不確定因素，因此在推進(jìn)5G終端產(chǎn)業(yè)發(fā)展過(guò)程中需建立較完備的工作思路，如為什么做？做成什么樣？怎樣做？做到什么程度？運(yùn)營(yíng)商在5G不同階段引入終端時(shí)需要較好地回答以上問(wèn)題。本文根據(jù)5G終端產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和終端產(chǎn)業(yè)化所面臨的挑戰(zhàn)，對(duì)5G終端形態(tài)與芯片技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)，提出并分析了終端在關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)上可能存在的技術(shù)挑戰(zhàn)，結(jié)合預(yù)測(cè)與挑戰(zhàn)提出運(yùn)營(yíng)商引入5G終端的若干策略建議。運(yùn)營(yíng)商應(yīng)建立合理的5G終端工作思路，既要從自身需求出發(fā)，主動(dòng)積極推進(jìn)5G終端的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，也要與5G產(chǎn)業(yè)整體發(fā)展方向保持一致，避免被產(chǎn)業(yè)邊緣化，從而更好地引領(lǐng)5G終端產(chǎn)業(yè)健康向前發(fā)展。

[1] ITU-R M 2083-0. IMT vision, framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond[S]. 2015.

[2] 3GPP TS 22.261 V16.0.0. Service requirements for the 5G system (Release 15)[S].

[3] 3GPP TS 23.501 V16.0.0. System Architecture for the 5G System (Release 15)[S].

[4] 3GPP TS 33.501 V16.0.0. Security architecture and procedures for 5G System (Release 15)[S].

[5] 3GPP RP-172115. TSG RAN Meeting #77[S]. 2017.

[6] 漆一宏. 面向5G的無(wú)線通信終端空中接口性能測(cè)試[J].安全與電磁兼容, 2017(1).

[7] 魏慧. 兵馬未動(dòng)糧草先行：思博倫為5G測(cè)試做好準(zhǔn)備[J]. 通信世界, 2016(18): 43.

[8] 蘇曉鳳. 敢為行業(yè)先，是德科技加快5G開發(fā)與測(cè)試速度[J]. 世界電子元器件, 2015(3): 41-42.

[9] 是德科技推出首款5G協(xié)議研發(fā)工具包 為下一代移動(dòng)設(shè)備的原型設(shè)計(jì)提供支持[J]. 電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),2017(5): 779.

[10] 程琳琳. 星河亮點(diǎn)馬楠 多產(chǎn)品線為5G測(cè)試提供多種解決方案[J]. 通信世界, 2017(16): 23.

[11] 張平,陶運(yùn)錚,張治. 5G若干關(guān)鍵技術(shù)評(píng)述[J]. 通信學(xué)報(bào), 2016,37(7): 15-29.★