运营商5G终端引入策略探讨

何伟俊，戴国华，詹文浩，崔沛东

1 引言

2016年至今国内外运营商已陆续发布5G的路标与试验计划，北美和日韩运营商均计划2017年至2020年期间逐步实现5G预商用与商用，国内三大运营商也陆续发布5G路标与试验计划，并均表示在2020年将商用5G。5G终端作为5G业务的关键元素，是未来5G产业的重要价值载体，运营商在规划5G网络的同时需考虑如何推进符合自身5G业务需求的终端产业发展问题。

与LTE不同，ITU-R（International Telecommunications Union-Radio，国际电信联盟无线电通信部门）定义的5G三大应用场景[1]使5G终端的形态呈现出多样化趋势，因此明确终端的业务形态与技术性能指标是运营商5G终端规划所面临的首要问题。其次，运营商将在各自不同的运营背景下部署新的5G网络的同时引入相关关键技术（如全频谱接入、大规模天线、双连接等），使5G终端在实现上遭遇新的挑战。再者，如何对终端进行合理测评也是运营商5G商用的一道重要门槛。针对上述问题，本文首先通过标准进展、运营商规划及终端测试产业等方面给出5G终端产业的发展现状；然后对5G终端在多网融合下实现全网通方案所面临的挑战（如终端实现全模全频对射频前端与天线设计的挑战、双连接双收双发造成的自干扰问题、OTA测试挑战等）进行探讨分析；最后对5G终端的形态与终端芯片的技术指标进行预测，并提出运营商引入5G终端的若干策略建议。

2 5G终端产业现状

2.1 国际标准进展

ITU（International Telecommunications Union，国际电信同盟）在2016年已开展5G技术性能需求和评估方法研究，并将于2017年底启动5G候选方案征集，2020年底完成标准制定。3GPP的工作组（包括SA、RAN、CT）承担5G国际标准内容的研究与制定工作。SA组从2017年初至今，已针对业务需求、架构、安全等陆续完成并输出5G相关标准（TS）[2-4]。RAN组则针对物理层、架构、接口协议、射频天线等讨论完善相关技术报告（TR）并逐步输出5G NR（New Radio）相关的TS，预计NSA（Non-Standalone，非独立）架构的5G NR标准将于2017年底完成，2018年3月冻结；而SA（Standalone，独立）架构的5G标准将于2018年6月完成，9月冻结。从2017年9月在日本札幌召开的RAN#77会议[5]对NR的讨论来看，与终端相关的TS（如终端接入能力、终端无线发送与接收等）在2017年底或2018年初陆续完成，而关于与终端性能要求相关的TS将在2018年上半年完成。

从目前的标准进展来看，eMBB（Enhance Mobile Broadband，增强移动宽带）场景技术点及部分uRLLC（Ultra Reliable Low Latency Communication，低时延高可靠通信）场景技术点预计可在2018年上半年（NSA标准阶段）完成，mMTC（Massive Machine Type Communication，海量物联网通信）场景的相关技术点需待R16进行讨论。

2.2 运营商5G规划

目前国外运营商规划的5G业务场景主要是以eMBB为主，终端形态主要涵盖AR/VR、CPE（Customer Premise Equipment，无线客户端设备）、手机、平板、无人机等。具体如表1所示。

从表1可知，目前运营商的初步5G计划虽然大多针对eMBB场景进行部署，但是5G的业务需求存在一定程度的分化，从而导致了5G终端产品形态存在差异。北美运营商（如Verizon、AT&T）根据自身原有的WTTx（Wireless To The x，无线宽带到户）业务背景，把CPE作为其5G业务的主要终端产品；而日韩运营商根据运营区域的国际热点需求，把VR/AR、手机、无人机等作为其5G业务的主要终端产品。

2.3 终端测评

目前国内外终端测试厂商正为5G终端测评做准备。思博伦在研究5G信道测试的同时开展基于OTA[6]的MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出）测试方案研究[7]；是德科技针对5G物理层新技术推出超宽带信号产生与接收解决方案[8]，并于2017年5月宣布推出5G协议测试解决方案，为设备厂商的产品研发提供强大的工具[9]；罗德与施瓦茨已开展针对5G（极高频）宽带信号的产生与分析研究，同时在室内外信道环境模拟上提出了相关解决方案；而国内星河亮点一直在OTA方面开展深入研究，其自主研发的信道模拟系统未来可支持Massive MIMO测试的要求[10]。

从主流终端测试厂商的研究现状来看，其研发焦点主要解决5G无线关键技术的测试（如毫米波、MIMO OTA）以及5G信号生成与频谱分析等问题。

3 5G终端产业化关键问题挑战分析

5G的业务需求、多种组网方案以及高性能指标对终端实现提出了新的挑战，具体包括：多网融合下支持全模全频对终端射频前端与天线的挑战、双连接技术下双收双发导致的自干扰问题、OTA测试挑战等。

表1 运营商5G计划及终端类型

3.1 频段对射频前端器件挑战

终端的射频前端主要由工作于固定频段的一组收发器件组成，包括功率放大器（PA）、低噪声放大器（LNA）以及滤波器等，每组射频前端器件对应一个固定频段，具体如图1所示：

图1 终端射频前端示意图

射频前端是5G全网通终端的关键器件。终端支持全模全频功能需射频前端在材料、工艺、带宽和功率上均符合Sub-6 GHz与毫米波频段的要求。对于Sub-6 GHz频段，可延用LTE终端射频前端的材料和工艺，但存在的高频大带宽、HPUE（High Power User Equipment，高功率用户设备）、波形峰均比高等问题对器件的带宽与功率提出了更高要求，需对功放、滤波器、低噪声放大器等进行优化。另外，该频段中B42（3.4 GHz～3.6 GHz）的射频前端产业规模相比n79（4.4 GHz～4.99 GHz）更大且成熟。对于毫米波频段，存在射频前端器件成本高、工艺不成熟等问题。

目前工信部为我国5G技术研发试验规划了4个频段：3.3 GHz～3.6 GHz频段、4.8 GHz～5.0 GHz频段、24.75 GHz～27.5 GHz频段、37 GHz～42.5 GHz频段。运营商频段的部署将直接影响终端射频前端的设计。

3.2 天线技术挑战

大规模天线阵列技术（Massive MIMO）作为5G增强型移动宽带（eMBB）场景下的关键技术之一[11]，在终端侧的天线策略仍未最终确定，但是从增加中高频段的网络覆盖和提高网络容量的角度考虑，终端天线数量增加已成为趋势。

在Sub-6 GHz频段，终端可采用4/8根天线通过分集或复用提升对用户的覆盖性能，但天线数量增加会使设计存在空间压缩、规格提升等问题，需通过器件与算法优化满足天线设计参数（如隔离度）要求。在毫米波频段，终端可采用包括RFIC（Radio Frequency Integrated Circuits，射频集成电路）、RFFE（Radio Frequency Front End，射频前端）以及天线在内的一体化封装方案，但终端需支持智能天线阵列以及上下行自适应波束赋形和波束追踪技术，使天线设计存在空间、工艺、功耗、成本等问题。

3.3 双连接技术挑战

目前业界存在两种网络架构部署方式，即独立架构（SA）与非独立架构（NSA）。若5G网络按NSA架构部署，则要求终端支持双连接技术，采用双射频同时连接4G与5G网络并进行双收双发，此时射频器件非线性等因素容易导致终端存在自干扰问题，即上行双发可能对下行接收产生谐波与互调干扰，造成接收端灵敏度下降。例如，某运营商LTE部署于B3（1 765 Hz～1 780 Hz）频段，若5G部署于B42（3 400 Hz～3 600 Hz）频段，则B3上行可能对B42下行造成二次谐波干扰，同时B3与B42间的四阶互调信号可能对B3、B42下行造成干扰。具体如图2所示：

图2 双连接终端自干扰示意图

3.4 终端测评挑战

传统终端测试采用基于传导连接的方法，其可延用于5G终端Sub-6 GHz频段测试。然而5G终端将支持毫米波频段并引入多天线技术，传导连接测试会难以满足其测试需求，基于OTA的测试方法（如多探头暗室法、混响室法和两步法等）将成为5G终端测试的主流方法[6]。

相对于LTE而言，5G拥有更高的频率、更宽的带宽、更多的发射及接收天线、更加复杂的波束赋形工作模式，OTA测试面临的挑战包括更大的微波暗室、更大的路径损耗、更复杂的测试系统以及更长的测试时间等。另外，射频端口取消后，在终端研发测试过程中如何对终端的基带协议、算法等进行验证也是待解决的问题。

4 运营商引入5G终端策略建议

上文已对5G终端产业链现状及终端关键挑战进行了讨论，下面将结合讨论并根据以下问题思路提出运营商引入5G终端的策略建议：首先，满足业务需求的终端是什么形态，芯片将达到怎样的技术指标？其次，如何针对终端实现的关键问题联合产业各方讨论方案并推进产业落实？如何验证终端使规划终端顺利“落地”？

4.1 终端形态与芯片预测

5G终端的形态根据三大应用场景的差异将呈现多样化趋势。其中，eMBB场景下的5G终端类型包括CPE、手机、AR/VR、笔记本电脑、平板、无人机等；uRLLC场景下的5G终端类型包括智能监控设备（交通）、车载终端、机器人、医疗设备、工业制造及检测设备等；mMTC场景下的5G终端类型包括水电气表终端、物流跟踪器、家居智能电器、智能可穿戴设备、智能检测设备（农、林、城市）等。具体如图3所示。

结合表1运营商规划与图3三大场景的终端形态，预测首批5G终端产品的业务形态趋向于AR/VR、CPE、手机、平板电脑等；而从主流芯片厂商规划来看，5G初期终端产品形态eMBB场景下主要以CPE与手机为主。根据标准的完成计划与主流芯片厂商的研发进展，预计2018年底有5G单模CPE出现；2019年中有5G拼片方案手机终端出现，支持全模与双卡方案；2020年将出现SOC的5G终端，支持全模。

目前国内外芯片厂商均已启动对标准5G芯片的研发与试验，结合标准时间计划与芯片厂商的芯片规划情况，对5G终端的预测具体如表2所示：

表2 5G基带芯片预测

预计5G初期终端基带芯片主要支持eMBB场景下的相关技术功能，少数厂商芯片会支持uRLLC场景下的一些技术功能。5G初期mMTC场景预计将延用4G物联网终端芯片，待R16中进行讨论规划。

由于5G终端产品规划与运营商的运营背景以及运营区域的具体需求有较大的关系，因此运营商引入5G终端时需明确5G的价值归宿，根据自身运营背景与业务需求，结合拟部署的网络架构和整个产业链成熟度（标准进展、芯片研发时间、射频前端、天线等）因素综合规划5G终端的演进方案。

4.2 全模全频终端挑战策略建议

图3 5G终端的形态呈现多样化趋势示意图

从上文的终端挑战分析可知，终端实现全模全频方案存在诸如射频前端、天线、双连接自干扰等问题。针对以上问题，运营商需明确网络架构与关键技术需求，同时联合产业链上下游提前讨论问题解决方案。首先，运营商在进行5G频段部署规划和关键技术引入时，既要平衡性能与终端成本间的关系，也应充分考虑拟部署频段对应的射频前端与天线的产业规模；其次，在确定采用NSA架构部署网络前，应根据拟部署的频段研究是否存在终端自干扰问题以及分析问题的严重性和解决方案的有效性。

4.3 终端测评策略建议

运营商可联合终端产业主流芯片与终端厂商研究制定5G终端功能需求及技术方案，与芯片厂商合作开发标准的5G终端原型机，并搭建实验室与外场试验平台对之进行验证。

根据上文对OTA测试挑战的分析，运营商可针对Sub-6 GHz和毫米波频段，联合主流仪表厂商合作研究基于OTA的终端空口关键技术测评方案，并与其合作研发符合自身业务需求的5G终端测试仪表，共同打造OTA终端测评实验室，解决5G终端的测评问题，使自身具备对原型机及后续预商用、商用终端的测评能力，为符合自身业务需求的5G终端产业化提供保障。

5 结束语

由于运营商对5G终端的规划仍存在较多不确定因素，因此在推进5G终端产业发展过程中需建立较完备的工作思路，如为什么做？做成什么样？怎样做？做到什么程度？运营商在5G不同阶段引入终端时需要较好地回答以上问题。本文根据5G终端产业的发展现状和终端产业化所面临的挑战，对5G终端形态与芯片技术指标进行预测，提出并分析了终端在关键技术实现上可能存在的技术挑战，结合预测与挑战提出运营商引入5G终端的若干策略建议。运营商应建立合理的5G终端工作思路，既要从自身需求出发，主动积极推进5G终端的产业化进程，也要与5G产业整体发展方向保持一致，避免被产业边缘化，从而更好地引领5G终端产业健康向前发展。

[1] ITU-R M 2083-0. IMT vision, framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond[S]. 2015.

[2] 3GPP TS 22.261 V16.0.0. Service requirements for the 5G system (Release 15)[S].

[3] 3GPP TS 23.501 V16.0.0. System Architecture for the 5G System (Release 15)[S].

[4] 3GPP TS 33.501 V16.0.0. Security architecture and procedures for 5G System (Release 15)[S].

[5] 3GPP RP-172115. TSG RAN Meeting #77[S]. 2017.

[6] 漆一宏. 面向5G的无线通信终端空中接口性能测试[J].安全与电磁兼容, 2017(1).

[7] 魏慧. 兵马未动粮草先行：思博伦为5G测试做好准备[J]. 通信世界, 2016(18): 43.

[8] 苏晓凤. 敢为行业先，是德科技加快5G开发与测试速度[J]. 世界电子元器件, 2015(3): 41-42.

[9] 是德科技推出首款5G协议研发工具包 为下一代移动设备的原型设计提供支持[J]. 电子测量与仪器学报,2017(5): 779.

[10] 程琳琳. 星河亮点马楠 多产品线为5G测试提供多种解决方案[J]. 通信世界, 2017(16): 23.

[11] 张平,陶运铮,张治. 5G若干关键技术评述[J]. 通信学报, 2016,37(7): 15-29.★