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5G加速移动智能终端芯片变革

来源:赛迪智库  作者:史强  投稿时间:2017-12-20

  随着5G时代到来,移动互联网和物联网业务将成为移动通信发展的主要驱动力,同时,移动智能终端也将定义为个人移动计算平台,要求能够实时处理各种计算、商务、应用和娱乐需求。因此,5G时代的移动智能终端芯片要在计算架构、网络连接架构、控制系统架构的软硬件设计方面不断升级和更新,满足5G新技术对芯片兼容能力、传输速度、低功耗性能等方面的性能要求。
 

  巨大发展机遇
 

  高速视频和语音通话、超高清视频、增强现实、自动驾驶、移动医疗、物联网、智能制造、智慧城市等各种新兴应用将不断涌现,高速语音图像识别与传输、智能感知、海量数据处理、深度学习、窄带物联网(NB-IoT)等多类技术创新加速,推动软硬件的性能需求不断提升。
2020年以后,5G将主导通信网络市场发展。国际技术标准迭代的契机推动芯片研发不断加速,企业面对5G技术转折点纷纷加快进行技术储备,抓紧仅剩的2~3年时间进行技术储备。系统集成商与运营商加快关键技术研究及样机验证。芯片设计厂商竞相推动5G关键技术组件成型,致力于成为2020年第一批5G商用芯片提供商。
 

  2016年10月,高通宣布推出业界首个5G调制解调器芯片骁龙X50,并预计于2017年下半年开始出样,2018年上半年推出首批商用终端。今年年初英特尔已发布了它的5G基带方案并预计下半年小量试产,随后,三星也发布了它的5G射频芯片并预计明年可以提供商用芯片。国内,华为海思成立的5G专项组已经做了大量的终端芯片技术准备,借助与华为5G网络设备的同步优势,能够更快地形成联调效应,预计2019年推出相关产品。展讯也早就参与了国家5G标准的制定工作,成立了专门的5G研发团队,预计在2019-2020年之间推出符合5G标准的商用射频芯片。
 

  技术演进路线
 

  从技术特征、标准演进和产业发展的角度分析,5G时代技术发展存在4G演进空口和5G新空口两条技术路线。
 

  4G演进技术路线是基于4G框架在帧结构、多天线、多址接入等方面引入增强型新技术,如小型化基站相关技术、3D-MIMO、增强型CoMP、增强型中继、FDD和TDD的融合等,在保证兼容4G体系的同时进一步提升系统性能,在一定程度上满足5G场景与速率、时延等性能指标需求。例如将MIMO技术升级成为Massive MIMO,其中天线配置从16x16增长至256x256,从而带来无线网络覆盖和传输速度的提升。
 

  5G新空口技术路线主要是面向新场景和新频段进行全新的空口设计,包括6GHz以下的低频新空口技术和6GHz以上的高频新空口技术。这些新空口技术不需考虑与4G框架的兼容性,通过新的技术方案设计和引入创新技术来满足5G业务需求及挑战,特别是高频段及物联网场景需求。
5G频谱影响芯片通信带宽
 

  5G网络与4G网络最根本的变革是频段的扩展。5G网络在中低频段形成有效地网络覆盖,对用户进行控制、管理并保证基本的数据传输能力,而高频段与低频段联合组网,为用户提供高速数据传输。6GHz以下低频段是以现有LTE-A作为5G无线电接入网络的基础,而从6GHz到100GHz的高频率则需要进行体系架构、无线组网、无线传输、新型天线与射频以及新频谱开发与利用等关键新技术的探索。
 

  根据通信原理,在频谱利用率不变的情况下,增加带宽可以实现数据传输速率的增长。无线通信最大信号带宽大约是载波频率的5%左右,因此载波频率越高,可达到的芯片信号带宽也越大。由于各国的空余频段与技术基础不同,使得选取与主推的5G频段不尽相同。例如,美国联邦通信委员会主推28GHz(27.5~28.35GHz)、37GHz(37~38.6GHz)和39GHz(38.6~40GHz)频段,并将现有57~64GHz非授权频段扩展至71GHz,能够体现出以高通为代表的一批美国芯片设计企业的技术方向。而我国提倡中低频段的应用,意向频段主要包括3.3~3.6GHz、4.4~4.5GHz、4.8~4.99GHz等中低频段,以及25GHz和39GHz的高频段,主推频段不同从而直接影响到海思、展讯等国内通讯芯片厂商的技术研发与国外有所差异。
 

  新空口技术决定芯片发展新方向
 

  随着每一代移动通信出现,空中接口关键技术均会发生革命性跃变,如从模拟至数字、从FDMA至TDMA、从CDMA至OFDM等。5G新空口技术(5G New Radio)是由国际5G标准化组织3GPP选定的,用于规范新的5G无线空中接口,其目标是将数据传输速率、网络容量、时延、可移动性、能量效率和覆盖能力提高到一个全新水平。5G新空口技术要充分利用可用频谱,实现低、中、高频段的组网覆盖,因而需要软硬件的不断适应和升级。
 

  新型多址技术和先进调制编码
 

  5G通信中,超高数据吞吐率的关键是超宽带信号调制(通常认为达到500MHz以上),要实现在有限的频带内传输更多的信息,就要基于新的基带芯片多址技术和信号编码技术。
 

  新型多址技术通过叠加传输,不仅可以提升用户连接数,还可以有效提高系统频谱效率,同时还可以有效降低传输时延。除LTE采用OFDMA(正交频分多址)技术外,新型多址技术还包括SCMA(稀疏码多址接入技术)、PDMA(图样分割多址接入技术)、MUSA(多用户共享接入技术)、NOMA(非正交多址接入技术)等。
 

  先进调制编码采用高阶的调制方式和更高的码率,能够在大带宽和信道好的条件下提供较高的频谱效率和码长,保障5G传输的高速率需求。较为知名的编码方式有华为主推的控制信道Polar Code(极化码)和高通主推的数据信道LDPC(低密度奇偶校验码)。
 

  新载波和天线技术的多频多模结构
 

  高速数据传输和高密度连接都是5G技术的核心目标,其关键技术主要针对射频传输技术和网络技术。为满足5G技术目标,基于滤波器组的多模多频射频芯片需要使用物理层新技术,其中典型代表一方面是大规模天线技术,另一方面是新型多载波技术。
 

  大规模MIMO技术是利用发射端的多个天线各自独立发送信号,同时在接收端用多个天线接收并恢复原信息的天线系统。由于使用多天线系统,信号的传输路径增多,从而实现空间复用,能够有效地提高系统的频谱效率和可靠性。同时,通过将波束集中在很窄的范围内大幅度降低干扰和发射功率,从而提高功率效率。
 

  新型多载波技术,包括F-OFDM技术、UFMC技术和FBMC技术等。它们都是通过优化滤波器的设计,实现频带的更高效利用,因此,对应了不同的滤波器硬件设计。
 

  全双工网络技术
 

  全双工(full-duplex)无线通信技术被认为是5G通信中极具潜力的进一步挖掘频谱资源的技术之一。与传统的时分双工(Time-Division Duplexing,TDD)或者频分双工(Frequency-Division Duplexing,FDD)方式不同,全双工技术旨在能够允许设备间同时进行双向数据传输,因此全双工技术理论上可以使得无线频谱资源利用率翻倍,同时同频全双工还能对无线网络的物理层设计带来极大的好处。同频全双工技术主要面临的问题在于同频段同时收发产生的巨大自干扰。目前,通过模拟端干扰抵消、数字端干扰抵消和天线抵消等技术手段,已经使得同频全双工通信成为可能。另外,同频全双工技术面临的另一个技术挑战在于对MIMO系统的支持,对于多天线系统,自干扰消除的复杂度将随着系统天线数目增加而急剧增加,因此导致系统设计面临巨大困难。
 

  毫米波技术对射频芯片提出要求
 

  毫米波是指波长在毫米数量级的电磁波,其频率大约在30GHz~300GHz之间。5G移动通信需要的高传输速率、高网络容量需要更多的频谱资源来提供支持,而毫米波通信技术因其频谱资源丰富、方向性强等特点是5G移动通信重要的技术方向之一。
 

  在毫米波通信系统中,因毫米波信号的传播损耗较高,使得射频芯片要对微弱信号具有较高的灵敏度。同时,为保证CMOS器件对微弱的毫米波信号能快速响应,还需增大芯片的工作电流,从而使得芯片功耗增加。另一方面,因毫米波信号波长接近或小于设备导线的长度,可能出现线路阻抗不匹配时的“传输线效应”,发生信号反射、干涉、衰减、叠加等各种信号畸变,极大地影响信号的传播。因此在设计射频芯片时必须考虑毫米波传输线效应,才能确保芯片正常工作。
 

  措施建议
 

  加强组织领导,健全协调保障机制
 

  加强国际标准建设、技术研发合作,知识产权保护、试点应用推广等领域的指导、组织和实施工作。健全移动智能终端芯片产业发展相关的协调和推进机制,重点加强在5G标准和频率上的合作,支持相关机构与各国的沟通与对话,保障移动智能终端芯片产业化的快速推进。
 

  加大技术研发力度,实现核心技术突破
 

  发挥设备制造企业、网络运营商等在国际标准制定和研发中的支撑作用,积极推动建立以企业为主体,产学研联合的技术创新体制。发挥科研单位和高校在基础研究中的带动作用,建立有效的协同机制,支持5G移动智能终端关键核心技术尤其是芯片、关键元器件等薄弱环节的研发和产业化。同时,加大标准制定和知识产权保护的力度,构建自主知识产权体系,加强我国在5G通信领域的核心竞争力。
 

  推进产业链创新协同
 

  统筹规划5G通信产业的重大专项工程,加强与工业互联网、物联网等应用领域的融合创新研究,整合终端制造、芯片研发、网络设备制造等产学研资源,开展关键技术产品研发与应用示范验证。推进公共服务平台建设,支持电信企业、互联网企业与行业用户加强合作,积极探索新技术、新业态和新模式,为产业发展提供共性技术研发、知识产权、人才培训、市场推广等方面的支撑服务。

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