2024年5G毫米波商业应用的全新突破白皮书

5商G业毫应米用波的全新突破 提开升启网新络的性发能展，局降面低运营成本， cn.qorvo.com beamforming-sales@qorvo.com 2024年，Qorvo收购了Anokiwave。两家公司各自优势的结合，让Qorvo得以提供高度集成的完整解决方案和SiP，满足国防、航天和网络基础设施应用的需求。 Anokiwave创新的有源天线IC产品组合，结合Qorvo在产品互补性、全球影响力和市场占有率方面的优势，为实现高度集成和高性能的有源天线提供了新的选择，有望将相控阵有源天线技术普及开来。 以下白皮书旨在阐述Anokiwave最近推出的5G毫米波硅晶IC，以及新的IC技术对5G商业用例的影响。鉴于Anokiwave已被收购，白皮书对所有相关引用都进行了更新。 ©06-2024QorvoUS,Inc.版权所有|QORVO是QorvoUS,Inc.的商标。 摘要 要充分释放5G的潜力，必然要使用毫米波频率。 5G服务提供商需要毫米波频段来支持“无界移动”的新兴趋势。虽然5G毫米波在带宽、用户容量和服务质量 方面潜力巨大，但对提供商而言，开发可商用毫米波生态系统存在多重挑战。目前市场上的许多第一代或第二代5G毫米波技术，在实际应用中往往难以产生足够的商业价值，导致很多人认为毫米波并非满足日益增长的海量数据需求的正确解决方案。Qorvo正在改变这种看法。 Anokiwave（现已并入Qorvo）在5G标准出现之前就一直处于重要地位，并且在FCC为5G分配毫米波频段之前就推出了当今广为接受的架构。我们明白，为使5G毫米波获得长期商业成功，必须采用硅基前端来降低无 线电成本。我们推出的每一代新IC，都改进了特性、功能和性能，让服务提供商能够提升网络的技术性能，并证明5G毫米波系统的可行性。随着最新一代5GIC的推出，难题的最后一部分已经得到解决，我们能够以适当的成本实现更高的功率和更低的噪声系数，从而帮助服务提供商取得商业成功。 本白皮书首先概述了5G毫米波的现状，然后分析了我们的最新技术如何推动5G毫米波从小规模实验迈向大规模部署。最重要的是，我们的技术让5G毫米波具备了商业可行性。 白皮书：5G毫米波商业应用的全新突破 目录 摘要III 毫米波频段：5G行业必将迈出的下一步1 5G毫米波已投入使用2 固定无线接入是首个5G毫米波用例3 实现真正的毫米波商业化7 利用硅晶IC创新应对市场挑战8 5G毫米波已具备商业可行性11 开启新世界17 未来发展19 “由于带宽需求的空前增长和硅晶行业的持续进步，一场颠覆性的行业变革即将到来。下一代通信设备将采用相控阵天线，并使用高集成度硅晶IC在毫米波频率运行。当这些IC与先进的系统架构结合在一起时，我们的行业将彻底改变，令人耳目一新。”Anokiwave愿景-2014年。1 毫米波频段：5G行业必将迈出的下一步 业界一致认为，毫米波技术对于发挥5G的全部潜力至关重要。根据爱立信于2022年11月发布、2023年6月更新的《移动报告》2，未来5 年全球无线数据流量预计将以每年25%的速度增长。在5G的各个细分市场中，固定无线接入(FWA)预计将以31%的年增长率领先。 无线数据需求的这种指数级增长已导致许多国家和地区的sub-1GHz频段（也称为低频段）资源迅速耗尽。最近中频段（频率介于1GHz到 6GHz）的推出，让通信行业的无线拥堵情况得到暂时的缓解。然而，历史经验告诉我们，这种缓解只是暂时的。根据GSMA的预测，主要城市地 区的sub-6GHz频段（低频段和中频段）资源将在未来3-5年内耗尽3。 随着社会日益摆脱有线束缚，人们对无线网络的依赖不断加深，这进一步加重了无线数据网络的负担。年轻一代追求“无界移动”，下一波 “剪线”浪潮愈演愈烈。鉴于这些大趋势，无线行业向高频段频段（毫米波）迈进已势在必行。 5G毫米波的全球部署已是大势所趋。充分发挥5G的潜力至关重 要，采用5G毫米波技术的企业将拥有竞争优势4。 5G毫米波已投入使用 毫米波网络的使用对于业界并不是一个新概念。事实上，5G毫米波始于 Qorvo致力于降低总 拥有成本，帮助客户 构建极具成本效益的 阵列。Qorvo的5G 毫米波商业模式称为 “WiFifor Infrastructure™（基 础设施Wi-Fi）。 2016年。2018年，Verizon在美国四个城市推出了商业用例，即“5G家庭”固定无线接入(FWA)服务。2019年，AT&T在商用5G网络设备 上实现了移动端5G浏览体验，并计划在19个城市推出5G服务。与此 同时，T-Mobile宣布与原始设备制造商(OEM)达成了价值数十亿美元的协议，用于为部署做准备。5G早期的大部分此类活动是由Anokiwave （现已并入Qorvo）的IC支持的。事实上，这些IC还曾作为主角，出现在2018年由电视节目“每日星球”和AT&T联合制作的一部名为“什么是5G？”5的视频中。 在美国，目前有数亿部毫米波手机在数十万个活跃的5G毫米波基站支持下使用。随着毫米波有源天线的商业化进入快车道，业界高度重视降 低成本。为此，业界正积极探索各种途径，包括优化传统批量生产曲线，研发“下一代”产品以满足网络层面的商业需求，利用规模经济性来实现与Wi-Fi相近的成本，从而充分释放5G毫米波的潜力。 FW A网络(5GTF) Verizon推出 AT&T推服出务毫(5米G波+) Verizon实现美国 60个城市的覆盖 澳大利亚 毫米波拍卖 印毫度米波拍卖 (26GHz) FCC批准28/39GHz5G移动无线电 韩国奥运会 展示毫米技波术3GPP版本 苹果推出米(26GHz) 15冻结 iPhone12推出服毫务米波 波技术的软银在日本 Verizon在 首个3GPP5GFR2 3GPP开始发布无线电站点 美国部署的 要求版本15 详细规格 达到3万个 图1：5G毫米波始于2016年3GPP首次发布5G毫米波要求。目前，仅在美国就有数亿部毫米波手机在数十万个5G毫米波基站支持下使用。 由于FWA数据使用 量的强劲增长，毫米 波已成为满足家庭宽 带市场需求的首选频 段之一。这也是毫米 波技术最早、最成功 的用例之一，让运营 商可以把网络覆盖到 之前无法覆盖的 地区。 固定无线接入(FWA)是首个5G毫米波用例 前面提到的爱立信移动报告进一步显示，在多个细分市场中，FWA对数据消费增长的贡献最大。 连接市场。爱立信《固定无线手册》2023版6指出，到2028年，全球 如今，视频会议、游戏、视讯串流、智能家居等数据密集型应用层出不穷，家庭宽带市场也随之蓬勃发展。有鉴于此，FWA正聚焦于家庭宽带 FWA连接数将达到3亿，其中2.4亿将通过5G承载。以2022年的1 20%。更令人震惊的是，同期FWA数据流量的复合年均增长率预计高达 亿FWA连接数为基础计算，至2028年的复合年均增长率(CAGR)达 31%左右。 FWA FWA 5GFWA连接数 EB/ 4G和其他技术FWA连接数 移动数据 2023 图2：不断增长的数据需求将推动固定无线接入(FWA)市场的发展，毫米波成为首选频段之一 前面提到的爱立信《固定无线手册》介绍了别具匠心的FWA商业用例开发方法。如图3所示，FWA系统的潜在市场是那些没有或只有一个固定 宽带(FBB)提供商的市场，有望涵盖广阔地域范围，包括密集城市（每平方公里800至1600户）、城市（每平方公里400至800户）、郊区 （每平方公里120至400户）和乡村（每平方公里10至120户）等。 图3：为了开发FWA商业用例，首先要确定潜在市场 MWC|2022.09.28 针对上述各个地区，初期都需利用以中频运作的现有基础设施来部署 FWA，以达到现有FBB性能。随着用户使用量的增加，毫米波技术有助 于大幅提高可服务的用户数量和整体的流量负载，从而满足所有用户的 FBB数据速率要求。此外，添加毫米波资源可以应对家庭数据速率不断 增长的需求，并且吸引更多用户。如图4所示，毫米波FWA技术可在非高峰时段提供接近光纤的数据速率，而在高峰时段也能保证最低可用数据速率。 5G毫米波的商业模 式建立在这样一个假 设基础上：存在一种 高功率、高性能的 CPE设备，它能实 现“接近光纤”的高 数据速率。但现实 是，当今的生态系统 中还没有这种设备。 硅基IC技术的持续 创新不可或缺，它将 帮助服务提供商降低 运营支出(OPEX)和 资本支出(CAPEX)成 本，从而实现毫米波 FWA的商业价值。 在与有线和光纤通信服务提供商(CSP)的竞争中，用户实际体验到的数 据速率对于市场渗透至关重要。如果FWA的速率达不到预期，即使成本再低，用户也不会放弃现有系统。这些数据速率代表了密集城区、市区和高密度郊区等用例的基准性能。 毫米波 中频段+ 容量，中频段 5%高速率家庭 中等速率家庭 5%低速率家庭 [Mbps/] 3,600Mbps/ 1,200Mbps/站点容量，中频段+站毫点米波 图4：在现有基础设施中添加毫米波可以让用户体验到非高峰时 |2022.11.10 100Mbps的数据速率和高峰时约30Mbps的数据速率，这是推动 FWA市场渗透的关键指标。 面对市场对毫米波频段的强劲需求，业界必须克服大规模部署5GFWA 系统的种种挑战。第一代gNodeB（基站）和CPE（客户端装置）的成本仍然较高，而且目前CPE的性能表现尚不能为终端用户提供最佳数据 率。此外，5G毫米波调制解调器芯片市场缺乏多样性，这些都阻碍了 CPE生态系统进一步发展。 印度政府率先采用毫米波FWA技术，认为这是最经济的方式，可以帮助 印度在“消除数字鸿沟”方面超越其他国家，避免部署昂贵的最后一百米光纤。根据GSMA最近的估计，不部署最后一百米光纤可以节省大约 10亿美元。印度的电信巨头RelianceJio计划利用其在2022年频段拍卖中购得的26GHz频段，推出建设名为“Airfiber”的FWA网络。 图5：毫米波技术为繁忙的sub-6GHz频段增加容量，实现速度更快、拥塞更少的连接 实现真正的毫米波商业化 虽然毫米波技术大有可为，但要实现5G毫米波的广泛应用，行业还需 要更进一步。一方面，要充分利用已有的成果；另一方面，要持续创新，提升性能，将成本降至与Wi-Fi相当的水平，最终实现毫米波网络的真正商业化。 鉴于半导体产业的发 展历程，毫米波设备 的成本降低目标一定 会实现，人们所认为 的不足之处也会得到 解决，毫米波技术将 像Wi-Fi一样普及。 成本是制约5G毫米波增长的一个重要因素。如果要预测能够让新兴 考。目前，5G毫米波CPE的成本在数百美元左右。与当今的Wi-Fi路 FWA毫米波CPE大规模普及的价格区间，那么Wi-Fi路由器是最佳参 由器相比，这听起来很昂贵，但人们需要明白，本白皮书中提到的创新将大幅降低CPE的成本。 这种技术有望在降低成本方面发挥引领作用。Anokiwave（现已并入 硅晶行业之所以能取得成功，关键在于通过不断提高集成度来降低成本。因此，如今5G设备中的毫米波前端采用硅晶技术并不令人意外。 Qorvo）是硅晶毫米波芯片的重要供应商，过去6年来推出了四代硅晶毫米波波束成形IC(BFIC)，成功将成本降低了90%。更令人惊喜的 是，在行业分析师的评估中，这些产品在所有KPI上都实现了高达四倍的提升。 由于毫米波前端的成本和能耗占了基站和CPE设备成本和能耗的绝大部 分，因此上述节省对资本支出(CAPEX)和运营支出(OPEX)的影响巨大。这篇题为“扭转5G毫米波能耗曲线”的博客文章，其中展示了可 在真实大都市中实现的能源节约幅度。在未来十年，即使毫米波基站数量按预期速度增长，采用我们新一代波束成形器IC(BFIC)的无线电单元(RU)也能大幅降低能耗。 在降低成本的同时，业界还必须应对和解决毫米波商业化所面临的技术