大話5G，從基建到應(yīng)用再到大數(shù)據(jù)洪流

“啊……5G，你比 4G 多 1G！”

如果用岳云鵬《五環(huán)之歌》的方式述說 5G，感覺復(fù)雜的事情變得簡(jiǎn)單了。然而，每一代通信技術(shù)變革又何曾簡(jiǎn)單過呢？

正如 Qorvo 亞太區(qū)市場(chǎng)高級(jí)經(jīng)理 Lawrence Tao（陶鎮(zhèn)）所言：“從 2G 到 3G，3G 到 4G，以及從 4G 到 5G，對(duì)普通大眾而言，這僅僅是簡(jiǎn)單的數(shù)字增加，實(shí)際上這涉及到了調(diào)制方式根本性的改變?！?/p>

千面 5G

雖然中國(guó) 5G 元年（2019 年）已經(jīng)過去，但我們不得不承認(rèn)一個(gè)事情，那就是各行各業(yè)對(duì)于 5G 的認(rèn)知有著不小的偏差。認(rèn)可 5G 的人看到的是其身上諸多的優(yōu)點(diǎn)，他們都信奉“4G 改變生活，5G 改變社會(huì)”這個(gè)觀點(diǎn)。

說到 5G 的優(yōu)點(diǎn)，愿景層面當(dāng)然就是 5G 應(yīng)用的三大場(chǎng)景：eMBB(增強(qiáng)移動(dòng)寬帶)、URLLC(低時(shí)延高可靠)以及 mMTC(海量大連接)。

在三大應(yīng)用場(chǎng)景背后，實(shí)際上彰顯的是 5G 在網(wǎng)絡(luò)性能方面的優(yōu)勢(shì)。作為移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中的第五代網(wǎng)絡(luò)，在超高速率方面，5G 速率最高可以達(dá)到 4G 的 100 倍，實(shí)現(xiàn) 10Gb/ 秒的峰值速率；在超低時(shí)延方面，5G 的空口時(shí)延可以低到 1 毫秒，僅相當(dāng)于 4G 的十分之一，遠(yuǎn)高于人體的應(yīng)激反應(yīng)；在超大連接方面，5G 每平方公里可以有 100 萬的連接數(shù)，與 4G 相比用戶容量可以大大增加。

而不認(rèn)可 5G 的人他們也有自己的論點(diǎn)，那就是“5G 無用論”。深究背后的原因你會(huì)發(fā)現(xiàn)，認(rèn)可 5G 的人看到的是 5G 未來的價(jià)值，而不認(rèn)可 5G 的人看到的是 5G 當(dāng)下的“乏力”。

對(duì)于不認(rèn)可 5G 的人而言。To C 端 4G 已經(jīng)能夠支撐當(dāng)前所有的手機(jī)應(yīng)用，沒有任何一款 APP 只能在 5G 網(wǎng)絡(luò)下運(yùn)行，在 4G 網(wǎng)絡(luò)下就玩不轉(zhuǎn)的。To B 端在工業(yè)場(chǎng)景中千兆光纖穩(wěn)定的不行，換 5G 的興致也不高。

目前，5G 還是一個(gè)千人千面的技術(shù)，但想想任何事物有了一個(gè) 5G 模組就可以接入一張無處不在、無縫連接的無線網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)匯集到相同的核心網(wǎng)，這確實(shí)將是人類歷史上的一次壯舉。

5G 升級(jí)，射頻器件的一次大考

在討論 5G 的現(xiàn)在和未來時(shí)，基礎(chǔ)建設(shè)以及設(shè)備普及是必須要探討的環(huán)節(jié)，在這個(gè)過程中，射頻器件的作用不容忽視。

陶鎮(zhèn)分享了功率放大器和天線陣列需要面臨的挑戰(zhàn)。首先是 5G 通信要求有 256- QAM，未來甚至是 1024-QAM，而現(xiàn)在的 4G 則是 64-QAM。

QAM 是 Quadrature Amplitude Modulation 的縮寫，是一種在兩個(gè)正交載波上進(jìn)行幅度調(diào)制的調(diào)制方式，代表著設(shè)備在連接時(shí)的數(shù)據(jù)吞吐。

QAM 發(fā)射信號(hào)集可以用星座圖來進(jìn)行表示，由于數(shù)字通信中數(shù)據(jù)常采用二進(jìn)制，因此星座點(diǎn)的個(gè)數(shù)一般是 2 的冪，常見的 QAM 形式有 16-QAM、64-QAM、256-QAM 等。2 的冪越大，同一個(gè)符號(hào)攜帶的信息就越多，因此傳輸?shù)男畔⒘烤驮酱蟆?br /> ?
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4-QAM、16-QAM、64-QAM 星座圖

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大家已經(jīng)知道 256- QAM 會(huì)比 64-QAM 有更高的數(shù)據(jù)傳輸量，而 5G 通信要求有 256- QAM，未來甚至是 1024-QAM。這樣的要求給射頻器件提出了新的難題，再加上頻譜增加和頻譜兼容，要實(shí)現(xiàn) 5G 通信，射頻器件的壓力可想而知。

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陶鎮(zhèn)認(rèn)為，這是從通信基本原理的角度去解釋 5G，對(duì)功率放大器有很大的影響。他表示：“調(diào)制方式越復(fù)雜，意味著它對(duì)線性化設(shè)計(jì)的要求越高。從整個(gè)系統(tǒng)鏈路級(jí)的角度來看，功率放大器是最后一級(jí)，最主要是用來放大信號(hào)的。但除此之外，功率放大器還要保證信號(hào)不失真，因此線性指標(biāo)是功率放大器設(shè)計(jì)的最重要指標(biāo)之一?！?/p>

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也就是說，5G 所要求的 256- QAM 能夠傳輸更多的信息，功率放大器既要對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行放大，同時(shí)還要不失真，設(shè)計(jì)上的困難是顯而易見的?！皩?duì)功率放大器而言，效率和線性度是成反比的。當(dāng)你效率做的很高時(shí)，線性度就會(huì)變差；而當(dāng)你提高了線性度，那么效率可能會(huì)下降。但 256- QAM 對(duì)于 5G 時(shí)代的功率放大器而言是硬性指標(biāo)，3GPP 的規(guī)范和運(yùn)營(yíng)商的入網(wǎng)測(cè)試同樣是硬性指標(biāo)，為了完成這些指標(biāo)，某些性能可能會(huì)妥協(xié)，比如效率上的妥協(xié)?！?陶鎮(zhèn)講到。

其次是天線陣列，大規(guī)模天線技術(shù)（Large Scale Antenna System，或稱為 Massive MIMO）是實(shí)現(xiàn) 5G 的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

想要了解 Massive MIMO 技術(shù)，首先需要搞清楚什么是波束成形。波束成形是天線技術(shù)與數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的結(jié)合，目的用于定向信號(hào)傳輸或接收。從基站方面看，這種利用數(shù)字信號(hào)處理產(chǎn)生的疊加效果就如同完成了基站端虛擬天線方向圖的構(gòu)造。有了波束成形技術(shù)，發(fā)射能量可以匯集到用戶所在位置，而不向其他方向擴(kuò)散，并且基站可以通過監(jiān)測(cè)用戶的信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，使最佳發(fā)射方向跟隨用戶的移動(dòng)，保證在任何時(shí)候手機(jī)接收點(diǎn)的電磁波信號(hào)都處于疊加狀態(tài)。

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大規(guī)模天線陣列正是基于多用戶波束成形的原理，在基站端布置幾百根天線，對(duì)幾十個(gè)目標(biāo)接收機(jī)調(diào)制各自的波束，通過空間信號(hào)隔離，在同一頻率資源上同時(shí)傳輸幾十條信號(hào)。

massive MIMO 給射頻器件帶來很多難題。首先，采用 3D 陣列部署天線波束對(duì)齊問題就是一大挑戰(zhàn)；其次，大量使用模擬元器件必然會(huì)帶來非理想失真；第三，massive MIMO 一直以來都存在的導(dǎo)頻污染……陶鎮(zhèn)談到了 massive MIMO 的復(fù)雜性，“massive MIMO 意味著每個(gè)天線都有一個(gè)鏈路通道，比如 64T64R 就意味著整個(gè)天線陣列需要有 64 個(gè)完整的射頻前端鏈路，也就是基站里每個(gè)鏈路都要有放大器、濾波器、變頻器、匹配電路，以及接觸鏈的第三方。從這個(gè)角度講，5G 基站使用射頻器件要比 4G 基站多很多。”

增量用戶是重中之重

5G 基建正在鋪天蓋地進(jìn)行的同時(shí)，5G 應(yīng)用也在循序漸進(jìn)。移遠(yuǎn)通信 5G 產(chǎn)品總監(jiān)吳冰認(rèn)為，目前我們說的 5G 以 eMBB 和 uRLLC 為主，側(cè)重于高帶寬、低延時(shí)、高性能。有關(guān) mMTC 是另一個(gè)演進(jìn)方向，側(cè)重于低功耗、大連接，多用于窄帶接入。

5G 元年之后，筆者非常同意吳冰的觀點(diǎn)，是否上 5G 還是按需來定，而不是因?yàn)?5G 來了就搭載。在他看來，5G 這種循序漸進(jìn)式的發(fā)展也反應(yīng)在 5G 自身的頻譜迭代上。目前，全球大部分國(guó)家部署 5G 都選擇了 FR1 頻段，頻率范圍是 450MHz 到 6GHz，集中于 3GHz-4GHz 頻段，業(yè)者更愿意將其稱為 Sub-6 頻段。只有個(gè)別的國(guó)家選擇了 FR2 頻段，頻率范圍是 30-300GHz，業(yè)界將其稱為毫米波頻段。

在性能對(duì)比上，毫米波頻段速度快、容量大、無延遲，但有一個(gè)顯著的缺點(diǎn)是覆蓋受限，技術(shù)難度高，因此基建成本會(huì)非常高，給運(yùn)營(yíng)商很大的壓力。

“我認(rèn)為 5G Sub-6 的性能已經(jīng)滿足了大部分場(chǎng)景對(duì)高帶寬、低延時(shí)的需求，能在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)滿足大部分應(yīng)用的需求，跨度至少十年以上?！?吳冰在 5G 頻譜選擇上有非常明確的觀點(diǎn)。

他對(duì)此進(jìn)一步講到：“大家可以留意三大運(yùn)營(yíng)商的規(guī)劃，到 2025 年一直都是大力建設(shè)階段。毫米波和 Sub-6 應(yīng)用場(chǎng)景替代性比較低，毫米波更多的是補(bǔ)盲、熱點(diǎn)和特殊應(yīng)用覆蓋。至于成本，更快更高更強(qiáng)就意味著成本會(huì)更高，關(guān)鍵是模組性能帶來的提升是不是能夠給客戶帶來價(jià)值，所以我們一直說 5G 更適合行業(yè)應(yīng)用。”

而在發(fā)力點(diǎn)上，吳冰認(rèn)為 5G 從業(yè)者應(yīng)該重視增量用戶?！?G 從業(yè)者更應(yīng)該對(duì)市場(chǎng)敏感，更關(guān)注趨勢(shì)。5G 的客戶來源有兩部分，一部分是原來的 4G、4G+存量升級(jí)用戶，另一部分是傳統(tǒng)的單機(jī)、有線網(wǎng)絡(luò)增量用戶。這些增量用戶是未來 5G 各行業(yè)應(yīng)用落地的重中之重?！?他講到。

DRAM 和 NAND 仍將是 5G 時(shí)代的“常青樹”

5G 最大的魅力在于它對(duì)于數(shù)據(jù)產(chǎn)生、傳輸和處理方式的改變，因此作為全球領(lǐng)先的存儲(chǔ)產(chǎn)品制造商，美光將 5G 時(shí)代定義為存儲(chǔ)的黃金時(shí)代。美光科技移動(dòng)產(chǎn)品事業(yè)部市場(chǎng)副總裁 Christopher Moore 指出：“當(dāng)今與日俱增的數(shù)據(jù)量使我們的內(nèi)存和存儲(chǔ)產(chǎn)品進(jìn)入黃金時(shí)代。需求從未如此旺盛?！?/p>

5G 元年之后，隨著數(shù)據(jù)體量、種類和形式的爆發(fā)增長(zhǎng)，物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用將井噴式涌現(xiàn)，這些數(shù)據(jù)如何存儲(chǔ)確實(shí)是一個(gè)問題。

Christopher Moore 認(rèn)為，5G 最關(guān)鍵的特性是大大縮短延遲?！皩?duì)于路徑上的每個(gè)計(jì)算、通信和內(nèi)存 / 存儲(chǔ)設(shè)備而言，滿足這種端到端的延遲需求是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。延遲需要提升一個(gè)數(shù)量級(jí)。以前是 1 秒，現(xiàn)在是 1 毫秒（ms）。以前是 1 毫秒，現(xiàn)在是 1 微秒（μs）?！?/p>

Christopher Moore 補(bǔ)充道，5G 網(wǎng)絡(luò)的部署是智能邊緣的關(guān)鍵使能因素——在不斷增長(zhǎng)的互聯(lián)系統(tǒng)和設(shè)備中，被分析和匯總數(shù)據(jù)需要靠近捕獲數(shù)據(jù)的地方。由于在低時(shí)延下有更多的數(shù)據(jù)帶寬可供更多的設(shè)備使用，所以在智能設(shè)備之間、基礎(chǔ)設(shè)施與智能設(shè)備之間可以進(jìn)行更多的自主協(xié)調(diào)。1 毫秒的時(shí)延很重要，因?yàn)檫@可以實(shí)現(xiàn)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的實(shí)時(shí)控制，從而消除了操作遠(yuǎn)程設(shè)備時(shí)的“視頻卡頓”。

更大的數(shù)據(jù)規(guī)模，更低的延遲要求，5G 所賦能的各個(gè)應(yīng)用都給存儲(chǔ)產(chǎn)品提出了更高的要求。我們從采訪中獲悉，美光正在研究?jī)?nèi)存和存儲(chǔ)領(lǐng)域的所有新技術(shù)應(yīng)對(duì)這一新挑戰(zhàn)，目標(biāo)是通過在系統(tǒng)、操作系統(tǒng)和應(yīng)用級(jí)別上引入與行業(yè)拐點(diǎn)相匹配的新技術(shù)。但 Christopher Moore 表示：“我們的研究（如下圖所示）表明，DRAM 最適合低延遲易失性應(yīng)用。NAND 最適合密集形高性能存儲(chǔ)，尤其是業(yè)界在同時(shí)投資 TLC 和 QLC 的情況下。通過創(chuàng)新研發(fā)和大量的資本投資，未來十年，DRAM 和 NAND 將繼續(xù)在層次結(jié)構(gòu)的‘頂部’和‘底部’發(fā)揮作用。3DXPoint 技術(shù)跨入了非易失性能領(lǐng)域，從而在內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)中開辟了新的一層。業(yè)界正在（使用稱為 PMEM.IO 的東西）編寫新的操作系統(tǒng)，以利用這一層，新的應(yīng)用程序也正在編寫，以便直接與該層（稱為 DAX）進(jìn)行對(duì)話。這些新的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序?qū)?yōu)化他們?cè)?DRAM、NAND 和 3DXPoint 技術(shù)中的數(shù)據(jù)放置，滿足 5G 帶來的新應(yīng)用需求?！?/p>

美光對(duì)各種存儲(chǔ)技術(shù)的研究和對(duì)比

在 5G 推進(jìn)的過程中，新興存儲(chǔ)技術(shù)確實(shí)時(shí)常出現(xiàn)，不過 Christopher Moore 認(rèn)為新技術(shù)的應(yīng)用還需要時(shí)間去驗(yàn)證?！熬托屡d技術(shù)而言，RRAM 是一種有趣的具有較低延遲的塊存儲(chǔ)技術(shù)，其高密度帶來的經(jīng)濟(jì)性是否會(huì)促進(jìn)大面積的市場(chǎng)部署還有待觀察。STTRAM 是另一種新技術(shù)，但與 DRAM 相比，其延遲和能耗略高，可擦寫次數(shù)較低，并且在密度方面存在實(shí)施挑戰(zhàn)。STTRAM 具有易于與邏輯半導(dǎo)體工藝集成的優(yōu)勢(shì)。Logic+STTRAM 在業(yè)界的應(yīng)用也還有待觀察。新興內(nèi)存技術(shù)的研究和創(chuàng)新是令人興奮的，但是要趕超 DRAM 和 NAND 還需要一段時(shí)間?！彼麑?duì)此講到。

好或不好，5G 都已迎面而來

根據(jù)行業(yè)數(shù)據(jù)顯示，從 2020 年到 2035 年，5G 將為全球年度 GDP 創(chuàng)造凈值貢獻(xiàn)達(dá) 2.1 萬億美元，這個(gè)數(shù)字相當(dāng)于印度目前的 GDP——印度目前是全球第七大經(jīng)濟(jì)體。

面對(duì)這種權(quán)威的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，聰明的人是不會(huì)用自己的“紅燈思維”去質(zhì)疑 5G 的潛力的，就像今天回看當(dāng)年質(zhì)疑 4G 的那群人一樣。用大眾感覺最強(qiáng)烈的智能手機(jī)來看，TechCrunch 調(diào)查報(bào)告預(yù)計(jì)，全球 5G 手機(jī)出貨量將于 2023 年到達(dá)約 8 億部，超越 4G 手機(jī)。

5G 到底有沒有用？且看，且用，且評(píng)。
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