触摸5G时代的大门

《电脑爱好者》2018年第2期 2018-06-25 13:21专题 标签:5G

5G并不是什么新鲜的词汇,CFan早在2017年07期杂志的《影响未来的技术 来自5G的惊鸿一瞥》一文中就对该技术进行了简单的介绍。只是,当时5G还停留在概念阶段,随着时间的推移,如今我们已经可以触碰到5G时代的大门了(图1)。

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5G战略两步走

2017年年底,3GPP(移动通信的标准化机构)在葡萄牙首都里斯本正式签署通过了5G NSA(Non-Standalone,非独立组网)标准第一个版本。业内人士表示,5G标准NSA方案的完成是5G标准化进程的一个重要里程碑,标志着5G标准和产业进程进入实质性加速阶段,5G商用进入倒计时,而硬件厂商的设备开发工作终于可以从现在开始了(图2)。

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根据3GPP的规划,5G时代将被细分为NSA和SA(Standalone,独立组网)两个标准。其中5G NSA组网是一种过渡方案,它依托现有4G基站和核心网工作,以提升热点区域带宽为主要目标。而SA独立组网才是业界公认的5G方案,只是3GPP预计在2018年6月才会正式发布SA标准。不出意外的话,5G的第一次较大规模室内外商用预演就将在今年韩国的平昌冬奥会上展开。

在2017年底的世界互联网大会上,高通基于面向移动终端的5G调制解调器成功实现了全球首次正式的5G数据连接(图3),与华为3GPP 5G预商用系统双双入选“世界互联网领先科技成果”(图4),而华为也正在北京、上海、首尔、米兰、东京、温哥华、多伦多、伦敦等地推进5G预商用。

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这意味着,在经历2G的跟随、3G的突破、4G的同步发展阶段,我国在5G时代终于实现了引领。据悉,我国的5G技术研发早已完成了第二阶段试验,中频段频率规划率先发布,网络架构等技术成为国际标准,2018年将完成第三阶段测试,推动形成全球统一5G标准。

至于正式支持5G网络的手机?

高通确认2019年上半年才会有首款基于5G骁龙芯片的智能手机问世,而华为也计划在2019推出支持5G的麒麟芯片,并同步推出支持5G网络的智能手机(图5)。因此,在2018年度中,智能手机市场迎来的将是一大批“准5G”新品,它们会通过千兆级调制解调器(Modem,又称基带)让我们提前感触准5G时代的高速。

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准5G的门槛是千兆

还记得手机最早与网络结缘时使用的是哪一种网络吗?没错,那还是诺基亚和多普达一统手机江湖的年代(图6),Symbian和Windows Mobile系统可以通过2G网络联网,但速度只有区区的9.6kbps,谈不上任何体验。

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随后,2.5G(GPRS,同期还有相对小众的CDMA网络)则将网速提升到了171.2kbps,可以勉强打开网页看文字部分了。接下来的2.75G(EDGE)与WAP技术的结合算是正式开启了手机移动上网时代的序幕(图7),手机QQ和电子书也是从这个时期才开始兴起的,384kbps的无线接入速度勉强够用。

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第一代iPhone不支持3G是最大遗憾

3G时代我们迎来了TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000三种网络制式,在2008年借助北京奥运会的契机,部分手机已经可以享受到3Mbps左右的无线接入速度,成功实现了从Kbps到Mbps的转变,将近10倍的网速提升可以勉强搞定加载图片网页和视频通话的需求。接下来3.5G粉墨登场,在HSDPA、HSUPA、HSPA+等技术的加持下将网络无线接入速度一举提升到了72Mbps,为手游的兴起奠定了基础。

2014年,4G网络携TDD-LTE和FDD-LTE两大标准来袭,它们都能提供100Mbps的无线接入速度(下行)。随着各大芯片厂LTE调制解调器的不断升级,下行峰值先后经历了150Mbps、300Mbps、450Mbps和600Mbps的提速。此时,手机LTE连接速度已经超越了绝大多数的光纤宽带,制约我们移动上网的瓶颈则变成了流量套餐的多寡和费用(图8)。

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手机网络的升级迭代也影响着手机设计和形态的变化

2017年,智能手机领域迎来了一个关键的节点:当手机无线接入速度的下行峰值突破1Gbps千兆大关后(图9),就可以被冠以4.5G或准5G的称号,而有资格位列准5G阵营的已上市SoC则包括三星Exynos 8895(1Gbps)、高通骁龙835(1Gbps)和麒麟970(1.2Gbps)。那么,这些SoC的LTE调制解调器又是如何实现Mbps向Gbps级别的跨越呢?

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无论是骁龙835还是麒麟970等,它们都选择从三个方向寻求突破:

首先就是载波聚合技术(CA),在4G发展的初期数据的传输全都是依靠一条20MHz频率载波,而载波聚合则相当于将数据传输从单车道增加到多车道,比如骁龙X16 LTE调制解调器(骁龙835集成)最高支持4×20Mhz载波聚合(4CA),可将网络速率提高4倍。

其次就是天线规模与复杂度,比如4×4MIMO技术(4通道接收的天线设计),用更多的天线提升信号强度、克服信道衰落、降低误码率,加速通信速率(图10)。最后则是对256-QAM高级调制方式的支持,可以将每个数据流的带宽提升。

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需要注意的是,支持准5G的手机要想获得突破Gbps级的速度,不仅需要在手机端部署4×4MIMO,还需要运营商的基站端支持4T4R。可惜,运营商们认为市面上采用4×4MIMO设计的手机太少,所以根本没必要花钱去搭建4T4R基站;而手机厂商们看到运营商对4T4R的冷眼态度,自然也没有心情去给手机内部步骤更多的天线了。

好消息是,随着距离5G时代越来越近,手机厂商和运营商之间的恶性循环终将“守的云开见月明”。在2018年中,会有更多高端手机将以准5G的速度为卖点,不断刺激我们的采购神经。

真5G又能有多强

在准5G时代,1Gbps的下行速率相当于128MB/s的下载速度,在理想的网络环境中缓存一部1GB的超清视频只需8秒的时间。既然准5G都能有如此速度,那真5G又能带来怎样的改变?

5G网络的最大特色就是快,其初始的下行峰值速度就能达到10Gbps(图11),而后还能进一步加速到20.74Gbps。这意味着什么?当你想下载一部6GB的高清视频,只需眨眼的2秒功夫就已经下载完成。届时eMMC标准的闪存芯片就将成为手机硬件端的瓶颈,需要和UFS2.1或更先进的闪存技术搭配才能释放5G的高速潜力。

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5G的另一个特色就是延迟低于1毫秒。1毫秒是什么概念?当我们的手指被针刺中,需要大约100毫秒疼痛感才会传达到大脑。超低延迟和大数据文件的高速传输让5G能够像第六感一样近乎实时地获取与周围环境的信息。比如无人驾驶的汽车可使用基于云的人工智能和数据,与路上其他汽车以及包括路灯在内的交通基础设施进行实时“沟通”,再比如远程手术中控制手术刀的精准操作等。

此外,未来的5G网络还将对“万物互联”和“智慧城市”提供最有力的支撑。在2G时代,电脑和电脑连接是常态;3G/4G时代过渡到了人与人之间互联的转变;步入5G时代后,人和人、人和物、物和物都将连成一体(图12),将构建成一个全新的信息化的基础设施,市场将迎来一个“真正意义上的融合网络”。

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那么,5G又是如何实现的上述特性?

简单来说,5G调制解调器通过引入毫米波(mmWave)频段提供更大的带宽,从有限的几根天线改为多阵元天线阵列,使用波束成形和波束追踪技术,将毫米波的移动性和覆盖扩展到非视距范围,从而实现智能协同。

问题来了,5G对普通用户的实际意义大吗?

答案是,绝大多数普通用户根本用不上5G网络大带宽、万物互联和低时延这三大特性的。根据英特尔的预测,待2020年5G网络商用时,个人用户的手机/笔记本每天的平均数据量约1.5GB,而自动驾驶则将达到每天4000GB(图13)。现实中手机里没有足够的存储空间,流量套餐也不允许我们随意下载超清视频,因此5G网络的最大受益领域还是自动驾驶、AR/VR、自动工厂和智慧城市。

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此外,即便5G正式商用后,我们所能买到的手机也都属于“多模设备”,它们可同时使用5G、4G和Wi-Fi连接,将确保5G无线网络分阶段顺畅部署,同时还能充分利用对4G和Wi-Fi的现有投资。

各大芯片厂的5G现状

步入2018年,各大芯片厂的5G产品布局达到了怎样的水平?相信这也是很多朋友想了解的信息,毕竟一款手机想要享用5G大餐,核心就是所搭载SoC内集成的调制解调器。

先来看看高通,2017年10月,高通在骁龙X50调制解调器的展示机上实现了第一个5G数据连接,利用28GHz毫米波频谱达到了千兆网速。可惜,高通称5G基带、射频、网络还需要1至2年调试时间,所以真5G手机要等到2019年上半年才能登场(图14)。而2018年将与我们见面的骁龙845,调制解调器将从骁龙X16升级到骁龙X20,下行峰值速度也从1Gbps提升到了1.2Gbps。

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再来看看华为,2017年11月华为先是联合德国电信正式宣布推出全球首个5G商用网络,随后又在中国移动全球合作伙伴大会期间发布了全球首款3.5GHz频段的小型化5G预商用CPE样机,并联合中国移动研究院基于5G端到端解决方案,演示了16路4K超高清视频实时点播业务,期间单用户峰值速率达1.3Gbps以上。而2018年内最常与我们打交道的就是麒麟970,理论下行峰值速度和骁龙845一样都是1.2Gbps(图15)。

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英特尔虽然退出了手机芯片市场的竞争,但这并不影响英特尔品牌调制解调器的研发,未来的苹果iPhone就是英特尔的大客户。英特尔曾在CES2017上公布了英特尔XMM8000系列,这是一款多模、全频段的商用5G调制解调器(图16),预计于2019年中用于商用客户设备。在速度上,XMM8060可实现每秒高达1.6GB的传输速度(注意单位可不是Gbps哦)。在2018年英特尔主打的LTE调制解调器为XMM7660/XMM7560,前者支持1.6Gbps的传输速率,超过麒麟970的1.2Gbps,后者则可实现1Gbps的速度。

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三星在2017年10月曾于东京附近的埼玉县测试5G服务,在速度约为每小时100公里行驶的火车上,网络的下载速度可以达到1.7Gbps。至于我们熟悉的Exynos芯片,即将与我们见面的Exynos 9810将采用支持6CA载波聚合和4×4MIMO的调制解调器,最高下行速度达到1.2Gbps,为准5G铺平了道路。

调制解调器的研发一直都不是联发科的长项,在其他旗中高端SoC纷纷将Cat.12(下行速率600Mbps)纳入标配时,Helio X30却还停留在Cat.10(下行速度450Mbps)。考虑到联发科暂停高端SoC的研发,联发科的5G进程令人堪忧。

看到这里,相信大家已经对准5G和真5G有了更为直观的认识。不过,相信还是会有不少同学看不懂文章中的一些技术术语,所以下面的章节中,就让我们单独聊聊手机上网的核心部件——调制解调器的那些事儿。