運(yùn)營商、設(shè)備廠商和芯片廠商正在齊心協(xié)力地推動(dòng)第五代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)（即5G）的制定。5G是現(xiàn)在4G（也稱為長期演進(jìn)項(xiàng)目，Long term evolution，即LTE）移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)的下一代，5G數(shù)據(jù)傳輸速率可超過10Gbps，是現(xiàn)在LTE標(biāo)準(zhǔn)的100倍。5G技術(shù)能否成為現(xiàn)實(shí)，現(xiàn)在還是一個(gè)疑問。
不過，5G市場已經(jīng)開始升溫。Anokiwave、博通、英特爾、Qorvo、高通、三星以及其他不斷涌現(xiàn)出來的廠商，正在開發(fā)5G芯片。完成5G網(wǎng)絡(luò)部署還面臨諸多挑戰(zhàn)，舉個(gè)例子，雖然設(shè)備商和芯片廠商已經(jīng)在開發(fā)5G產(chǎn)品，但5G標(biāo)準(zhǔn)還沒有確定。
現(xiàn)在的LTE網(wǎng)絡(luò)工作頻率從700MHz橫跨至3.5GHz，5G網(wǎng)絡(luò)則不僅要兼容LTE網(wǎng)絡(luò)，還須支持公用免費(fèi)（unlicensed，設(shè)備廠商不需要購買許可費(fèi)用）或毫米波頻段（注：目前毫米波波段基本免費(fèi)，但免費(fèi)波段不等于毫米波波段）。嚴(yán)格意義的毫米波頻率為30GHz至300GHz，對應(yīng)波長分別為10mm到1mm，毫米波通信將極大提高無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省Ｔ缙诘?G新工作頻率會(huì)是28GHz（美國）與39GHz（歐洲），后面將引入其他頻率，例如60GHz（注，通信行業(yè)不太看好60GHz，因?yàn)?0GHz信號傳播的大氣衰減比較嚴(yán)重）、71GHz至86GHz，甚至可能用到300GHz。
要支持毫米波通信，移動(dòng)系統(tǒng)和基站必須配備更新更快的應(yīng)用處理器、基帶以及射頻器件。事實(shí)上，5G標(biāo)準(zhǔn)對射頻影響較大，需要一系列新的射頻芯片技術(shù)來支持，例如支持相控天線的毫米波技術(shù)。毫米波技術(shù)最早應(yīng)用在航空軍工領(lǐng)域，如今汽車?yán)走_(dá)、60GHz Wi-Fi都已經(jīng)采用，將來5G也必然會(huì)采用。
把毫米波技術(shù)從航天軍工領(lǐng)域引入到商用市場并不容易。“毫米波技術(shù)還面臨一些挑戰(zhàn)，”GlobalFoundries射頻市場總監(jiān)Peter Rabbeni說道，“設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，以及毫米波產(chǎn)品測試都會(huì)遇到不少困難。這主要是因?yàn)楹撩撞l率太高了。”
設(shè)計(jì)毫米波芯片很難，但測試會(huì)更難。“在業(yè)內(nèi)，我們很早就開始測試毫米波產(chǎn)品，但這些毫米波芯片主要用于航天軍工市場。”NI銷售與市場執(zhí)行副總裁Eric Starkloff說道，“毫米波測試的成本很高，我們正在努力大幅度降低毫米波測試的成本，這樣才有可能大規(guī)模推廣毫米波。”
雖然5G技術(shù)面臨諸多挑戰(zhàn)，但Verizon計(jì)劃2017年的時(shí)候在美國提供部分5G服務(wù)，韓國電信與三星則計(jì)劃2018年冬奧會(huì)期間提供5G服務(wù)，但大規(guī)模5G部署不會(huì)早于2020年。“我很懷疑，即使到2020年，5G能否提供較為完善的移動(dòng)服務(wù)，”Forward Concepts總裁Will Strauss說，“當(dāng)然，2018年會(huì)有5G試運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)提供高速移動(dòng)通信服務(wù)，不過那時(shí)候能夠買得起5G手機(jī)的人非常少。”
雖然離5G真正實(shí)現(xiàn)尚有很長時(shí)間，但業(yè)界需要認(rèn)真審視5G技術(shù)，以跟隨發(fā)展到步伐。下面我們就從芯片、工藝、測試和封裝等角度來詳細(xì)分析一下5G技術(shù)現(xiàn)狀。
什么是5G？
到底什么是5G？為什么我們需要5G？現(xiàn)在，多數(shù)運(yùn)營商部署的4G移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)被成為LTE升級版（LTE Advanced ，為LTE標(biāo)準(zhǔn)的第10版，簡稱LTE-A）。根據(jù)4G技術(shù)規(guī)范，運(yùn)營商部署了第四級（Cat 4）與第六級（Cat 6）LTE-A移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，第四級LTE-A下載速度可達(dá)150Mbps，第六級LTE-A下載速度更高，可達(dá)300Mbps。
再過一段時(shí)間，運(yùn)營商將部署LTE-A Pro（為LTE標(biāo)準(zhǔn)的第１３版），LTE-A被認(rèn)為是4.5G技術(shù)，被看作通向5G的跳板。根據(jù)NI的資料，LTE-A Pro支持32個(gè)載波單元（LTE-A是5個(gè)），大規(guī)模多入多出技術(shù)（Massive MIMO）以及免費(fèi)頻段LTE技術(shù)等。這些技術(shù)都是5G技術(shù)的一部分，不過5G技術(shù)將進(jìn)一步把工作頻率拓展到毫米波頻段。對于LTE-A Pro，運(yùn)營商會(huì)部署第十級（Cat 10）移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，支持450Mbps下載速度，部分運(yùn)營商會(huì)部署下載速度達(dá)1Gpbs的第16級（Cat 16）移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。
雖然現(xiàn)在4G網(wǎng)絡(luò)速度還不錯(cuò)，但根據(jù)愛立信的估計(jì)，從2015到2021年，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量每年增長率在45%左右，到2021年每部手機(jī)每月數(shù)據(jù)流量將從2015年的1.4GB增長到8.9GB左右。
因?yàn)橐苿?dòng)數(shù)據(jù)流量飛速增長等原因，人們對5G技術(shù)的需求是真實(shí)存在的。不同運(yùn)營商提供的5G服務(wù)可能互有區(qū)別，但大體上每家運(yùn)營商選擇的5G技術(shù)都包括以下三項(xiàng)：增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶、物聯(lián)網(wǎng)和機(jī)器通信。
增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶引入毫米波技術(shù)，可使移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸速率超過10Gbps。5G網(wǎng)絡(luò)容量是4G的1000多倍，傳輸延遲降低到4G的十分之一。物聯(lián)網(wǎng)主要是指基于無線網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)，為了物聯(lián)網(wǎng)更好的發(fā)展，現(xiàn)在業(yè)界也制定了一個(gè)窄帶無線互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，成為窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NBIOT）。同時(shí)，5G包含一種單獨(dú)的機(jī)器對機(jī)器通信協(xié)議（M2M），5G中規(guī)定的M2M協(xié)議被稱為LTE-M。
“5G中對低功耗和長電池壽命提出了要求，”NI首席市場經(jīng)理 David Hall說，“ NBIOT和LTE-M都是為機(jī)器與機(jī)器通信而設(shè)計(jì)的，在現(xiàn)有移動(dòng)通信協(xié)議上進(jìn)行了修改，它們在射頻方面都比較簡單。”
那么引入這些標(biāo)準(zhǔn)的副作用在哪里？ WiFi等無線技術(shù)都能被置于5G概念內(nèi)，將是整個(gè)市場變得復(fù)雜、不確定甚至混亂。例如，5G或許會(huì)把60GHz無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（WiGig）包含進(jìn)來，其他的無線標(biāo)準(zhǔn)也在不斷涌現(xiàn)，例如LoRa和Sigfox。
但是不太可能（如果不是不可能）設(shè)計(jì)出一顆射頻芯片支持所有國家的所有無線通信標(biāo)準(zhǔn)。“你能同時(shí)滿足所有的需求嗎？不能！”ADI公司通信基礎(chǔ)設(shè)施部門首席技術(shù)官Thomas Camerson斬釘截鐵地說。所以，將來運(yùn)營商只會(huì)支持一部分5G標(biāo)準(zhǔn)。“（運(yùn)營商的）目標(biāo)是建成一個(gè)靈活的網(wǎng)絡(luò)，可以滿足細(xì)分的垂直市場需求。”Camerson說道。
此外，相比4G，毫米波信號傳輸距離變短，由于波長變短和空氣吸收等因素影響，5G信號傳播距離大約為200米。為了滿足短距離傳輸范圍的數(shù)據(jù)流量需求，5G將采用大規(guī)模多入多出技術(shù)（Massive MIMO），通過使用多根天線來倍增系統(tǒng)通信容量。從這個(gè)例子可以管窺5G網(wǎng)絡(luò)有多復(fù)雜。