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5G将改变哪些产业的发展模式?

5G 

5G网络的诞生,代表了未来十年网络发展趋势。从5G技术发展的本质探究技术应用的未来。了解从信息化社会到智能化社会过渡的过程中,5G将*先惠及哪些行业,在未来十年哪些行业将拥有更多机会?

4月3日,“数据星河”系列沙龙,邀请了中国科学院计算机网络信息中心周旭,分享《5G网络发展及行业应用》。

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以下内容为本期“数据星河”系列沙龙嘉宾周旭分享部分实录内容:

5G为万物互联而生

信息化社会正在向智能化社会过渡和发展。如今,我们对智能化四大要素有了基本的概念,即:人工智能(A)、大数据(B)、云计算(C)、物联网(I)。支撑ABCI四大要素的底层技术是网络技术。在今天,当我们谈到网络技术时,离不开移动通信技术。

移动通信技术在社会信息化过程中扮演了非常重要的角色。中国移动通信技术从2G发展至5G,也展现了高速发展的技术水平。

移动和信息技术的快速发展正在推动互联网从消费级向产业级演进。在很多行业领域都应用了物联网终端设备,随着物联网终端设备的指数级增长以及海量数据的产生正在对移动网络设施提出更高的要求。

物联网设备未来会产生海量数据,产生巨大的移动数据处理需求,比如,交通、自动驾驶、航空、智能工厂等领域都将产生巨大的数据,处理数据需要巨大的网络能力支撑。

德勤预测,预计到2030年会有1000亿设备通过移动和无线连入到网络。未来的网络不仅要满足人的需求,还要满足各行各业的需求。

5G应运而生,5G为万物互联而生。以海量物联网链接、增强移动宽带、超可靠低时延三大特征,将成为未来大数据人工智能的基础性技术保障。

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5G技术将驱动超过12万亿元规模应用

我们所了解的5G究竟是什么?它是否是像2G、3G、4G这样的升级?5G不仅仅是4G的简单升级,而是通信技术上质的飞跃。5G究竟有多强?比如,1秒钟下载完一部高清电影;10分钟传输完一家大型医院中所有的X光片。

5G是一个大规模投入的过程,包括大规模天线与毫米波传输、云化核心网与接入网、免授权频段NR-U 5G等在内的关键技术均需要基础设施的支撑。

根据德勤预测,2020年-2035年期间全球5G产业链投资额预计将达到3.6万亿美元,其中中国约占30%,与此同时,由5G技术驱动的全球行业应用将超过12万亿元的销售额。

4G改变生活,5G改变社会

从2015年开始,4G用户开始爆发式增长。如今,或将迈入5G爆发式增长的新时代。如果说4G改变生活,那么5G改变社会。

因为5G在改变人们生活方式同时也在深刻改变社会生产方式。比如,5G可以更好地体验智慧生活:戴上VR眼镜可随时随地进入虚拟空间,将*大程度上提升观影、游戏、参与大型活动赛事等体验,有望成为*受惠的和*快应用的领域。

比如,5G远程操控颅脑手术,高清画面、实时数据传输,为未来医疗模式带来重大变革。比如,自动驾驶,一辆自动驾驶的汽车包含十多种传感器,每秒产生的数据在100MB左右,通过5G网络提高数据处理速度。在未来电力行业的自动检测、农业领域的无人机检测等都将带来*大的改变。不仅是生活方式的改变,也将彻底改变未来产业的发展模式。可以说,5G的应用场景正在从智慧生活和智慧城市,逐步扩展至智慧生产,社会生产方式将发生深刻变革。

5G、射频、奥特曼,这仨有联系吗?

手机,作为移动互联网时代的标配,已经走进了我们每个人的生活。有了它,我们可以随心所欲地聊天、购物、追剧,享受美好的人生。

正因为手机如此重要,所以人们对相关技术的发展十分关注。每当有新品发布,媒体会进行长篇累牍的报道,社交网络上也会掀起热烈的讨论。

然而,人们对手机的关注,往往集中在CPU、GPU、基带、屏幕、摄像头上。有那么一个特殊的部件,对手机来说*为重要,却很少有人留意。

是哪个部件呢?没错,它就是我们今天文章的主角——射频。

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什么是射频

射频,英文名是Radio Frequency,也就是大家熟悉的RF。从字面上来说,Radio Frequency是无线电频率的意思。射频信号,则特指频率范围在300KHz~300GHz的无线电磁波。

大家都知道,手机之所以能够和基站进行通信,靠的就是互相收发无线电磁波。

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手机里专门负责收发无线电磁波的一系列电路、芯片、元器件等,被统称为射频系统,简称“射频”(下同)。

射频和基带,是手机实现通信功能的基石。如果我们把手机与外界的通信看作是一项“快递服务”,那么,基带的职责是对数据进行“打包/拆包”。而射频的职责,则是将“包裹”通过指定的无线电频段发射出去/接收下来。

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示意图:左边是基带,右边是射频

射频到底长什么样?下面这张,是某品牌手机的主电路板正反面布局图。

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(图片来自ABI Research)

图中,黄色圈出的部分,全部属于射频。可以看出,射频元件在手机构造中,占据了不小的比例。

从架构上来看,一套完整的射频系统包括射频收发器、射频前端、天线三个部分。射频前端又包括功率放大器、包络追踪器、低噪声放大器、滤波器、天线开关、天线调谐器等多个组件。

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射频的架构

射频前端各个组件的作用并不复杂。例如,放大器,就是把信号放大,让信号传得更远;滤波器,是把杂波去掉,让信号更 “纯净”;天线开关,用于控制天线的启用与关闭;天线调谐器,主要作用是“摆弄”天线,获得*好的收发效果……

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数量众多的射频组件,相互配合,分工协作,就是为了完成“临门一脚”,把基带打包好的数据,“biu~biu~biu~”地发射出去。

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如果射频设计不合理,元器件性能落后,那么,将直接影响手机的无线信号收发能力,进而影响手机的通信能力。具体表现出来,就是无线信号差,通信距离短,网络速率慢,等等。

换言之,手机的射频能力不行,就好比汽车的动力不足,就算其它功能再花哨,也无法被用户所接受。

所以,手机厂商在研发设计手机时,通常都会在射频方面下足功夫,反复推敲并进行测试验证,才敢推出*终产品。

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5G射频的挑战

如今,我们昂首迈入了5G时代。相比传统4G,5G的射频系统有变化吗?

答案是肯定的。不仅有变化,而且是巨变。

5G相比4G,在性能指标上有了大幅的提升。5G的eMBB(增强型移动宽带)场景,将手机速率提升至千兆级甚至万兆级,分别是早期LTE速率(100Mbps)的10倍/100倍。

2G/3G/4G,加上5G,加上MIMO(多天线技术),加上双卡双待,手机的天线数量和支持频段翻倍增加。4G早期只有不到20个频段组合。相比之下,5G有超过10000个频段组合,复杂性堪称恐怖。

与此同时,为了确保用户愿意升(tāo)级(qián),5G手机的厚度和重量不能增加,功耗不能增加,待机时长不能减少。

换做你是手机厂商,你会不会抓狂?

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所以说,5G手机的射频,必须重塑自我,大力出奇迹搞创新

到底该如何解决射频系统的设计难题呢?高通提出了一个宏观的思路,直接提供“完整的调制解调器及射频系统”。通俗理解,就是把基带、射频收发器、射频前端、天线模组、软件框架等,全部都做好,给厂商一套完整的方案。

也就是说,5G手机等终端元器件设计的理念,必须摒弃以往“东市买骏马,西市买鞍鞯,南市买辔头,北市买长鞭”专注于单个元件的思路,转而采用“打包设计”的一体化系统级解决方案。

例如,以前是A厂造基带,B厂造射频,C厂造天线,然后手机D厂自己捣鼓如何整合和对接。现在,改成有实力的大厂直接把基带、射频和天线等一起打包设计好,然后交给手机厂商,拿了就能快速使用。

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系统级集成,是5G基带和射频复杂度大幅提升的必然结果。

这就好比是火车。以前绿皮车的车速慢,车厢和车头可以分开设计、制造,然后拼在一起运行。但是,到了高铁时代,速度指标翻倍,如果继续分开设计、制造,车厢和车头不能深度协同,不仅速度指标难以实现,还可能出现安全问题。

所以,高铁的动车组,通常都是统一设计和制造的。

也就是说,面对前面提及的苛刻5G指标,需要站在系统级集成的角度,对基带和射频进行整体设计。这样一来,才能让两者实现完美的软硬件协同,发挥*佳性能(吞吐率、覆盖范围等)。

除了达成指标之外,整合设计也有利于缩减系统的*终尺寸,减少对手机空间的占用。对于系统功耗和散热控制来说,整合设计也有明显优势。

*后一点,也是很重要的一点,提供系统级整合方案,可以降低手机厂商的设计难度,方便他们以更快的速度推出产品,抢占市场。

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5G射频的黑科技

我们来具体看看,系统级集成的5G射频,到底有哪些有趣的黑科技。

首先,*个黑科技,就是宽带包络追踪。

前面介绍射频架构的时候,里面就有一个功率追踪器。功率追踪器是配合功率放大器使用的。

功率放大器是射频的核心元件,它就像一个喇叭,把小声音(信号)变成大声音(信号)。

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想要把喇叭吹响,肯定需要鼓足力气(电源供电)。功率追踪器的作用,就是控制吹喇叭的力度(功率)。

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传统的吹法,是APT法,也就是平均功率追踪。某一时间段内,吹的力量保持不变。

而宽带包络追踪(ET)技术,可以精确地控制力量。也就是说,基带(调制解调器)可以根据信号的变化,控制射频里的包络追踪器,进而精准控制无线信号的发射功率。

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包络追踪的虚耗电量明显小于传统平均功率追踪

(图片来自高通)

这样一来,体力(能量)大幅节约了,射频的功耗也就下降了,手机的待机时间得以增加。

精准的发射功率控制,帮助手机获得*佳的信号发射效率,从而获得更好的信道质量。在手机与基站“双向沟通”过程中,当手机获得更好的信道质量时,基站就能支持手机实现更优的上下行业务,例如支持2×2 MIMO,网速更加丝滑。此外,更好的信道质量,也为基站侧给手机分配更高阶的调制方式(例如256QAM)创造了条件,可以提升手机吞吐率,支持更快更优的数据传输业务。

高通此前发布的几代骁龙5G调制解调器及射频系统集成的宽带包络追踪器,就已经采用了上述技术。而其*新的宽带包络追踪器QET7100,与目前市场上其它厂商提供的*先进产品相比,能效提升了30%。

我们介绍的第二个黑科技,就是AI辅助信号增强技术。

这个技术是2月份刚推出的骁龙X65 5G调制解调器及射频系统中*新发布的新技术,也是行业里首次将大热的AI技术引入手机射频系统,用于增强信号。

AI辅助信号增强技术的核心,就是将AI技术引入天线调谐系统。天线调谐分为两种方式,一个是阻抗匹配,另一个是孔径调谐。

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我们先看看阻抗匹配。

所谓阻抗匹配,我们可以理解为是一种“接水管”的工作。

射频系统元件与天线之间对接,就像两根水管对接。当阻抗一致时,就是位置完美对应,这时水流*大,信号的效率*高。如果元件的阻抗发生偏移,那么水管就歪了,水流就小了,一部分水流也浪费了。

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导致阻抗变化的原因很多,例如手的触碰,还有插接数据线、安装手机壳等。即便是不同的持握手势(左手、右手、单手、双手),也会带来不同的阻抗。

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传统的阻抗匹配做法,就是在实验室对各种造成阻抗变化的原因进行测试,找到天线特征值,然后通过调制解调器控制射频元件进行阻抗调节,让接水管尽可能对准送水管。

而AI辅助信号增强技术,就是引入AI算法,对各种阻抗变化原因的天线特征值进行大数据分析和机器学习,实现对阻抗的智能调节,达到*完美的匹配效果。

说白了,就有点像在送水管和接水管之间,安装了一根对接软管,让水流尽可能不浪费。

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AI辅助信号增强,相当于射频和天线间的对接软管

孔径调谐相对来说较为简单,就是调节天线的电长度。

从辐射学的角度来说,天线的完美长度应该是波长的四分之一。现在的手机,因为全网通、双卡双待等原因,移动通信系统的工作频率是动态变化的。例如,有时候工作在2.6GHz,有时候工作在3.5GHz。

工作频率如果变化,意味着*佳波长也变化了。所以,需要对天线进行孔径调谐,调节天线的长度,拉长波峰,以此达到*佳效果。

总而言之,以阻抗匹配和孔径调谐为基础的天线调谐技术,主要作用是克服外部环境对天线信号的影响,对信号进行动态调节,改善用户体验。

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根据实际验证,凭借着AI辅助信号增强技术,系统的情境感知准确性可以提升30%,能够明显降低通话掉线率,提升速率、覆盖和续航。

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结语

5G射频系统的创新黑科技还有很多,例如多载波优化、去耦调谐、多SIM卡增强并发等。这些黑科技全部都是技术创新的成果。它们凝结了工程师们的智慧,也为5G终端的顺利推出奠定了基础。

如今的5G射频,已不再是基带的辅助,而是能够和基带平起平坐、相辅相成的重要手机组件。

随着5G网络建设的不断深入,除了手机通信之外,越来越多的5G垂直行业应用场景也开始落地开花。5G终端的形态将会变得五花八门,更大的考验将会摆在5G射频前端的面前。

届时5G射频又会玩出什么新花样?让我们拭目以待!

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