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5G毫米波芯片有了新进展,未来市场前景可期

来源:中国电子报、电子信息产业网 时间:2020-06-28 16:47:18 浏览量:


近日,据《科技日报》官方微博披露,南京网络通信与安全紫金山实验室研发团队已成功研制CMOS毫米波全集成4通道相控阵芯片,并完成了芯片封装和测试,每通道成本可由1000元降至20元;同时,其封装集成了1024通道天线单元的毫米波大规模有源天线阵列,有望2022年规模商用于5G系统。中国工程院院士刘韵洁表示,这是我国5G毫米波芯片的重大突破,先前毫米波芯片的缺失将部分制约我国5G的发展。那么,长时间以来是什么影响了毫米波的商业化进程?开发毫米波有何必要性?对5G规模商用有何意义?

毫米波缘何不是“5G首选”?

从2G到4G,移动通信的频段基本在2.7GHz以下,但当低频段的频谱资源被耗尽时,就只能在高频段获取频谱资源。

5G频段目前分为两部分,一个是FR1(也叫Sub-6GHz),另一个FR2,也就是毫米波。Sub-6GHz具有频率低、绕射能力强、覆盖效果好等优点,是当前5G的主用频谱,在建网初期可以利用旧站址的部分资源实现5G网络的快速部署。

不同于早已被业界熟知的Sub-6GHz频段,FR2这段频谱的电磁波波长大部分都是毫米级别的。赛迪智库无线电管理研究所副所长彭健对《中国电子报》记者表示:“受制于无线电波的物理特性,毫米波的短波长和窄光束特性让信号分辨率、传输安全性以及传输速度得以增强,但也使得传输距离大大缩减,且信号穿透能力较差,设备造价昂贵且功耗也高,因此国内目前主要以Sub-6GHz频段扩展5G网络。”

谷歌公司对相同范围内、相同基站数量的5G覆盖测试显示,采用毫米波部署的5G网络,100Mbps速率的可以覆盖11.6%的人口,在1Gbps的速率下可以覆盖3.9%的人口;而采用Sub-6GHz频段的5G网络,100Mbps速率的网络可以覆盖57.4%的人口,在1Gbps的速率下可以覆盖21.2%的人口。可以看到,在Sub-6GHz下运营的5G网络覆盖率是毫米波5倍以上,这也让基于毫米波的通信系统难以短时间商用化。

开发毫米波仍十分必要

这个令人“喜忧参半”的技术为何被行业寄予厚望?据ITU IMT-2020规范要求,5G速度需达到20Gbit/s,因此单靠Sub-6GHz是搞不定的,需要用上毫米波。

毫米波有哪些优势?一是毫米波的频谱丰富,可以搭载的宽带频段范围较广;二是毫米波的传输速率快,最低传输速率可达到10Gbps;三是毫米波的波束较窄,在空间中辨别方向能力强,传输方向性好;四是由于光束窄,基于毫米波制作出来的芯片更易做到小型化;五是毫米波的载波间隔较大,单SLOT周期是低频Sub-6GHz的1/4,空口时延较低,在一些对时延要求较高的场景中大有可为。

一位通信行业专家曾向《中国电子报》记者比喻,Sub-6GHz频段仿佛是拥挤的地铁,Wi-Fi、蓝牙、卫星广播等都“挤”在一起,难免会“打架”。而位于高频段的毫米波拥有大量未被充分利用的频谱资源,就像是无人区飞驰的敞篷跑车,时延低,容量高,可以同时有更多设备连接,因此研发毫米波器件成为未来推动5G发展的方向之一。

毫米波对5G发展的重要性不可言喻。在5G网络领域,移动行业可以利用毫米波无线电频谱为5G网络提供所需要的带宽,以满足高速的移动网络需求。根据GSMA报告,在5G毫米波所带来的创新服务推动下,到2034年中国将占亚太地区2120亿美元经济增长额的53%。

中国移动研究院首席科学家易芝玲表示,毫米波在未来可能会带来室内超高速率数据传输的场景,这样也可能会带来一些上层业务应用的创新,包括基于XR的教育、电影、游戏等业务,相关的产业相应的也会有很大的收益。

GSMA大中华区公共政策总经理关舟表示,只有通过毫米波频谱的使用,中国才能全面释放5G的能力,并由此从工业互联网、娱乐服务和智能交通领域的最高标准以及更好的医疗保健和教育中进一步受益,从而改善居民的生活,并改变其工业并创造更多发展新动能。

彭健指出,Sub-6GHz频段覆盖广,信号强且稳定;而毫米波速度快,时延低,能实现点对点超高速传播,两者各有优势,具体还要看是看哪个更适合运营商建设和使用场地的实际需要。未来毫米波系统可以用于室内场馆及办公区覆盖,也可应用于室外热点覆盖、无线宽带接入等,与Sub-6G协同组成双连接异构网络,实现大容量和广覆盖的有机结合,可见未来市场空间可观。

毫米波技术水平有待加强

“受制于相关器件的成本和技术水平,我国毫米波器件还未实现大规模量产和商用,整个产业仍属于起步阶段。”彭健说。

易芝玲也指出,我国的毫米波相对于低频段,整体产业链完善程度还不足够,包括器件的成熟度等,还需要进一步推动整体产业链成熟。中国目前重点关注于Sub-6GHz的5G商用,在这个窗口期,国内的毫米波上下游产业应该尽快积累技术,缩小与国外顶尖水平的差距。

毫米波发展虽面临许多挑战与瓶颈,但是业界均对其发展抱有极大希望。对于5G毫米波系统来说,业界希望将微波器件安装在天线基站背面,这就要求微波芯片的集成度大大提高,因此,具备经济成本低、高集成度优势的CMOS工业则具备明显优势。

中国工程院院士刘韵洁日前宣布,南京网络通信与安全紫金山实验室已研制出CMOS毫米波全集成4通道相控阵芯片,并完成了芯片封装和测试。据了解,此次封装和测试的全集成4通道相控阵芯片,研发团队通过设计将其每通道成本由1000元降至20元,同时,该实验室封装集成1024通道天线单元的毫米波大规模有源天线阵列,这也将为商用市场提供更强的性能支持。刘韵洁透露,此次封装和测试的芯片与天线阵列有望在2022年商用于我国的5G系统。

业内专家向《中国电子报》记者表示,由于没有披露更多细节,该款芯片是如何实现成本降低90%以上的,还不太好分析。但该款芯片将毫米波天线与毫米波芯片封装在一起,采用了AiP封装技术,在某种意义上有利于促进我国的5G毫米波商用进程,对国内其他5G毫米波商用技术的研发奠定了一定基础,国内运营商也可将5G毫米波传输技术与Sub-6GHz良好结合。