5G毫米波在国内FWA市场应用分析

摘要：5G标准发布后，国外很多电信运营商率先推出了基于毫米波的5G家庭宽带业务。本文5G毫米波的技术实现原理和产业链情况，并结合国内家庭宽带业务市场，提出了基于5G毫米波的FWA市场应用分析。

0 前言
2018年6月15日，全球标准化组织3GPP批准了5G NR独立组网（SA）的冻结，加上2018年12月完成的非独立组网（NR）标准，意味着5G已经完成第一阶段全功能标准化工作，进入了全产业向商用全面冲刺新阶段。 5G规范中定义的eMBB（大流量高宽带业务），mMTC（大规模海量连接），URLLC（低时延、高可靠连接的业务）三大应用场景中，eMBB是所有电信运营商的首选，2018年12月20日，AT&T宣布启动基于5G毫米波的5G商用业务，在北美12个城市为用户提供高速上网业务；同时，Verzion和韩国电信运营商也同步响应，表示毫米波应用将会纳入未来5G商业化的计划中。一时之间，国内部分用户也对5G毫米波产生了极大的兴趣。

1 5G毫米波技术分析
毫米波指的是5G技术使用的空口频段，在3GPP标准中明确定义了5G新空口技术主要使用两类段频：FR1（频率范围1）和FR2（频率范围2）。FR1频段的频率范围450MHz-6GHz，又叫sub 6GHz频段；FR2频段的频率范围为24.25GHz—52.6GHz，也称为5G毫米波频段（mmWave）。 其中，6GHz以下频段的特点是：低频段穿透力强，覆盖范围广，产业链相对成熟，是全球主流运营商5G的首发频段。5G低端频谱有2个来源，一是对现有频谱的重耕，如2G/3G/4G时代正在使用的700MHz，800MHz，900MHz，1.8GHz，2.1GHz等原有频段；第二种是新增频谱：如3300-4200MHz,以及5GHz 频段WLAN非授权频谱的应用（LAA）等，年初国内已经将3400-3600MHz频段分配给了中国联通/中国电信作为5G试商用频段，中国移动获得了2515MHz-2675MHz、4800MHz-4900MHz频段的共260MHz带宽的5G试验频率资源，其中2515-2575MHz、2635-2675MHz和4800-4900MHz频段为新增频段，2575-2635MHz频段为重耕中国移动现有的TD-LTE（4G）频段。 而对于6GHz以上的频段，考虑到高频段的衰减特性，主要是希望能够满足热点区域极高的用户体验速率和系统容量需求，现阶段国际产业链及运营商当前重点是24.5~27.5GHz、31.8~33.4GHz及37~43.5GHz。

图1 5G毫米波频段 为了达到5G宣传的百倍4G速率的带宽能力，考虑到sub-6G频段的稀缺性，只有指望毫米波，毫米波频段资源丰富，是未来通信技术发展的重要方向。全球主要国家和地区均对毫米波频谱资源做了战略规划，其中美国于2018年11月15日开始进行28 GHz的频谱拍卖，并计划在2018年底之前进行24 GHz的频谱拍卖。 目前对毫米波的规划总量达到13GHz，包含了27.5~28.35 GHz,37~40 GHz的毫米波频段；韩国于2019年6月完成了5G频谱拍卖，除了完成3. 5GHz的拍卖外也完成全球首个28 GHz频段的频谱拍卖。其中SK电信获得了28.1~28.9 GHz频段，KT获得了26.5~27.3 GHz频段，LG Uplus 获得了27.3Gz-28.1GHz频段。 我国工信部批复了24.75~27.5 GHz及37~42.5 GHz为我国毫米波的主力试验研发频段。我国工信部还在5G第二阶段试验开展了高频系统测试，各个设备商都参与其中，主要测试频段集中在26 GHz频段。

图2 全球毫米波频段使用情况 从技术角度来看，毫米波使用的频段比较干净，能够同时使用1 GHz以上的频段作为空口传输，传输质量高，可支持的带宽容量巨大；同时波束很窄，抗干扰性能强; 适合密集部署，频谱授权费用极低，部分地区甚至免费，有利于电信运营商部署商业化业务。但是，由于频谱太高，路径损耗大，不适合远程通信，受空气和雨水影响较大，易受阻挡，绕射能力差，NLOS（非视距）受限，因此业界主要观点都认为5G毫米波将主要应用于近距离传输，以其大带宽特性满足热点高容量和室内覆盖需求，如固定无线接入（最后1 km），热点地区的扩容等场景。 从工艺来看，由于频段高、带宽大、路损大、器件口径小等特性，5G毫米波于对射频前端器件的工艺和材料、终端的功耗和散热、毫米波终端测试、成本都有着相当大的挑战。在技术实现上，毫米波对芯片及终端带来的挑战主要来自于基带及射频（含天线）两部分。 对于基带来说，其难点主要源于毫米波的超高带宽设计需求，其对硬件处理能力、功耗及电源管理提出了更高的要求；同时毫米波更多的难点在于终端的射频及天线，包括射频器件工艺的选择、射频器件及天线的高度集成化、高频阵列天线的设计及功耗提升等；对射频前端器件的工艺和材料要求较高，成本较高，国内高频器件发展仍处于初步阶段，目前距离5G毫米波大规模商用仍需一定时间及技术积累，用于民用移动通信还需考虑规模化量产和低成本等问题。

表1 5G器件工艺要求 由于工艺、成本和技术实现上的难点，国内的毫米波产业链还刚刚起步，国际上主要是高通和三星正在积极布局，高通于2018年7月23日宣布推出全球首款面向智能手机和其他移动终端的全集成5G NR毫米波射频模组，名称为QTM052毫米波天线模组。高通目前sub6G和毫米波射频模组分为2套系统来做。三星推出了针对5G固定无线接入（FWA）的端到端商用解决方案，并成为了Verizon的FWA设备提供商。

2 毫米波在国内应用场景分析
以上分析可以看出，5G毫米波的主要应用场景还是在特定区域的家庭宽带补充和热点区域容量覆盖。 a）固定无线接入：家庭宽带占据运营商收入体系的重要份额，是全业务竞争的重要资源，也是获取用户生活场景中大量短距离连接的重要入口。光纤部署的最后1 km是宽带竞争的主战场，5G FWA将提供一种新型无线宽带接入方式。北美的两大电信运营商AT&T和Verizon都把5G毫米波优先用在了家庭宽带领域。 b）热点高流量区域容量覆盖：在4G时代，随着视频直播等业务的发展，移动流量业务激增，热点地区的扩容已经成为运营商迫切的需求；5G时代将面临海量连接和超高速率的需求，毫米波技术将是热点地区扩容的重要发展方向。 虽然北美电信运营商推出了5G home等基于5G毫米波的家庭宽带业务，但是国内情况和北美的情况差距较大，首先从居住环境上，北美绝大多数家庭住宅区域是以house为主，人口密度低，可视距离内干扰物少，同时管道施工成本高、时间长，最后北美很多区域还是以cable和铜线接入为主，缺少光纤覆盖基础；而国内情况确实截然相反，以高人口密度的高塔楼房为主，单位面积内的用户人群是北美的数十倍，同时钢筋水泥环境，3.5 GHz为主的5G sub-6G频段的室内覆盖都是一个大问题，更不要提毫米波了；最后，国内绝大多数已经步入了光纤时代，截至2019年6月，宽带接入端口数达到8.3亿个，覆盖全国96%以上的行政村，光纤端口占比提升至86.3%，因此国内的5G毫米波家庭宽带市场面临着巨大的挑战。 a）建设成本对比：FTTH的建设成本主要包含了接入网OLT部署、ODN铺设和光猫采购成本；而5G毫米波的FWA由于无法和sub-6G无线网共用，因此需要新加毫米波基站及配套电源、传输等设备，以及用户家中的毫米波CPE，初步估计两者的建设成本对比如表2所示。

表2 建设成本对比

b）带宽对比：虽然5G号称是4G速度的百倍，按照FDD LTE平均容量计算，约为300 Mbps，基本预估5G毫米波的单站点速率可能达到30 Gbps，如果按照单小区的覆盖用户为300户，考虑到并发效率为20%，基本可保障速率最高可达500 Mbps，但是由于无线干扰、覆盖等问题，面向用户的签约速率可能只有300 Mbps为主；但是现阶段国内三大电信运营商的家庭宽带基本上以百兆起步，部分一二线城市普遍达到了200Mbps，按照国家和工信部要求，未来1~2年，部分城市已经提出了全面千兆的口号，因此在带宽上，5G FWA相比FTTH差距巨大。 c）资费对比：众所周知，由于无线频谱的稀缺性，无线宽带的计价模式都是以流量为主，甚至有达到流量上限后自动降速的策略，虽然现阶段还无法准备得知5G时代的流量套餐价格，但是以4G时代不限量套餐作为参考，基本上是在100元左右；而查看三大电信运营商的家庭宽带资费，大多数ARPU值在45元左右，且基本上是100Mbps不限流量，因此5G FWA的资费相比FTTH也无任何优势。 d）运维难度对比：5G FWA由于没有ODN资源限制，其业务使用体验可以保障，且后期故障点少、维护成本非常小；但是，由于中国政府规定，固定宽带的签约速率必须是可以重复测量并且测速不能小于签约速率的90%，因此对于本质上市无线接入的5G FWA来说，如何保障所有用户的接入速率将是重大难题之一。 而对于日韩电信运营商推动的5G毫米波的产业互联网应用，在特定场景下提供大容量覆盖和融合场景应用，5G FWA却有一定的优势。 a）快速部署且成本较低：通过在火车站、体育馆等部署多个5G毫米波CPE，将无线信号转化成Wi-Fi信号，为高密度人群提供高速宽带接入服务，将可能是未来5G FWA的重要部署场景之一；对于这些高密度人群的特定区域，考虑到场馆已经建成，新入和扩容成本高，在场馆周围部署5G FWA基站，场馆内部部署5G FWA CPE，能够快速实现扩容能力。 b）5G特性能够带来创新业务：虽然5G FWA是以高带宽为主，但是不可否认5G FWA也能够具备5G的mMTC、uRLLC等特性，可以根据用户需要，将其中2点甚至3点组合到一起带来创新业务，如NTT DOCOMO就考虑用5G FWA支持车联网业务，即考虑的是eMBB+uRLLC。 c）特定业务分流将是趋势之一：5G时代8K、VR/AR等新视频业务将是流量大户，虽然3.5 GHz是后期5G部署重点，但是考虑到只有100 MHz频宽，其系统总容量将无法承担特定区域的热点事件，如演唱会高清甚至VR直播等，因此使用5G FWA能够为主系统提升更大的容量。

3 结束语
随着5G标准的发布，系统厂商、电信运营商、芯片厂商等产业链所有参与者都在为5G规模商用努力，5G毫米波作为5G的一部分，自然也是产业界重点关注领域之一，国外的部分电信运营商也做了很多的尝试。本文分析了5G毫米波的技术背景和前期产业链情况，同时分析了国内家庭宽带领域现状，对比了传统的FTTH和FWA的优劣势，最后建议5G FWA初期应该重点发展企业客户。

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▎作者简介：

丁海，工程师，硕士，主要从事家庭网关技术研究工作；徐佳琪，工程师，硕士，主要从事网关设备技术研究工作。