5G技术其修远兮光功耗和成本问题就够它喝一壶

2018-03-23 09:36

5G技术将如何普及，在前行的道路上还需要解决哪些难题？

5G的脚步越来越近了，但并非所有地方都有它的身影，它也不会突兀而至，最先来到人们眼前的也不是该技术的最快版本。实际可能出现的情况是，5G首先会在人口密集的大都市完成首秀，从2020年或2021年开始，在之后的十年中逐渐普及开来。

就像今天的智能手机跨越了2G、3G和4GLTE三代无线标准那样，5G也不太可能完全取代4G LTE。向后兼容性是所有这些标准的重要考量因素。5G信号的频率非常高，最高频率可达到300 GHz，而4G LTE则是2．6 GHz频段。提高带宽可以增加数据密度，所以频率的提高使得5G信号可以携带更多数据，但是更高的频率也意味着信号更容易受到树木、大楼和人体的干扰，我们自己的身体也可以阻挡毫米波信号。

“5G技术需要克服几个重大挑战：回传、寻址和频谱，”摩根士丹利执行董事James Faucette在最近的一次演讲中表示。“想要使用5G，你必须部署多出几百倍的基站。5G的运行频率比以前的无线标准高得多，当达到毫米波频段时，5G信号基本上连一个房间都覆盖不了。信号的不可预测性以及能传输多远都是很大的问题。”

图1 频谱范围

这些困难都没有阻止5G的发展，但它们肯定影响了5G技术的推广计划。5G终端的第一种实现形式可能是无线形式的固定设备，基本上是无线对传。毫米波信号穿不过窗户，所以需要一根天线。必须部署那么多的中继器和小基站，这些设备的安装地点需要支付租金，这会给运营商带来相当大的财务压力。

图2 5G技术接受度曲线

为5G做好准备

今年在韩国平昌举办的冬奥会在一定程度上揭示了5G技术的发展前景。从虚拟现实到不需要佩戴特殊3D眼镜的8K视频等所有内容都佐证了准5G技术带宽增加的效果。三星甚至为滑板运动员提供了SmartSuits，这些运动员可以使用传感器绘制身体位置并将振动信号发送到可穿戴设备上。

但是，真正能够推动5G技术需求的应用是自动驾驶汽车。

“5G代表了自动驾驶体验需要的基础技术，”联电公司市场部副总裁Steven Liu表示。“自主驾驶技术需要更多的车辆间通信（V2V）和车辆－基础设施通信（V2I，V2X），意味着汽车需要部署的雷达系统数量将不断增加，涉及到的技术包括防碰撞雷达、GPS、辨识停车信号和交警调度车辆手势的传感器等。这些系统将和现有系统相结合，包括舒适控制系统、信息娱乐系统、监测温度、轮胎压力和调节气体的动机监控子系统。用于长途运输的卡车需要负载平衡、负载转移和曲线切变系统，这些系统必须协同工作以确保货物在运输过程中不被损坏，以及集装箱在整个行驶行程中保持稳定。5G通信对这些系统能够正确执行各自操作来说是至关重要的。”

事实上，5G对于辅助驾驶和自动驾驶是如此地重要，以至于它可以改变这些汽车使用的电子设备的设计。但是，汽车电子设备最终如何进化在部分程度上取决于5G技术和零部件供应商哪一方首先做好准备。

“随着电动汽车和ADAS的问世，4G／5G可能会成为汽车通信的主流标准，”应用材料公司200mm设备产品事业部战略与技术营销总监Mike Rosa说。“随着5G技术的投入使用，汽车内的电子器件可能会减少，因为云端的存储器更多，当然云端不会处理所有事务，但是大量的处理可以在云端进行，然后通过5G链路向汽车提供服务。”

两种技术

5G技术有两种方案。一种是sub－6 GHz频段，它在4G LTE的基础上略有改进，另一种则使用了24GHz以上的频率，最终形式是毫米波技术。一般而言，随着频率的提升，数据传输速度和以更快速度传输更多数据的能力也会提高。另一方面，随着频率的提高，信号传播距离也在降低，结果就是，需要部署更多中继器和基站。这对半导体行业来说当然是一个好消息，但是这也同时意味着5G技术的推出时间要比前几代移动通信技术更长，因为需要更多的时间部署5G通信所需的更多基础设施。

“5G的频率非常高，噪音更低，并且可以催生新的应用，”格罗方德22FDX项目总监Jamie Schaeffer说。“从基站角度来说，需要一个带数据转换器的数字前端。而5G手机则需要集成前端模块，并实现低功耗。对于面部识别等应用，24 GHz－40 GHz频段下的5G技术是最好的解决方案。”

5G设备可以使用波束成形和波束追踪技术以及大规模MIMO（多输入多输出）技术将多组拆分信号拼凑在一起。

所有方案的背后都有技术权衡。随着频率的提高，用在RF滤波上的薄膜厚度变得更小，这就会产生另一个问题。

应用材料公司的Rosa说：“在2－2．5 GHz的频率下，前端RF薄膜（通常是氮化铝基薄膜）的厚度通常约为1微米。随着频率越来越高，薄膜变得越来越薄。当前的工艺很难控制8英寸和12英寸晶圆上的应力均匀性。所以增加了钪掺杂工序，但是它也有极限。最终你会发现，你需要反过来研究开发这些薄膜的方式，现在它们是通过溅射形式生成的。从短期来看，这似乎不是什么大不了的事情，但是随着时间的推移，我们需要寻找一些替代方案来沉积出更薄的薄膜来。”

即使是薄膜材料也可能发生改变。例如，现在人们普遍认为铌酸锂可能会替代氮化铝，因为它可以使机电耦合的效率加倍。现在大部分RF开关器件都是使用硅锗实现的，但是在基站中，一方面需要增加功率以将更多信号驱动到更多中继器上，另一方面还需要应对功率本身带来的电力成本，所以可能会用氮化镓取代硅锗。

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