2024年5G毫米波商业应用的全新突破白皮书 提升网络性能降低运营成本 开启新的发展局面

2024年6月|如有变更，恕不另行通知IV III毫米波频段：5G行业必将迈出的下一步 15G毫米波已投入使用 2固定无线接入是首个5G毫米波用例 3 7利用硅晶IC创新应对市场挑战 85G毫米波已具备商业可行性 11 17 19白皮书：5G毫米波商业应用的全新突破2024年6月|如有变更，恕不另行通知1底改变，令人耳目一新。”Anokiwave愿景-2014年。1毫米波频段：5G行业必将迈出的下一步业界一致认为，毫米波技术对于发挥5G的全部潜力至关重要。根据爱立信于2022年11月发布、2023年6月更新的《移动报告》2，未来5年全球无线数据流量预计将以每年25%的速度增长。在5G的各个细分市场中，固定无线接入(FWA)预计将以31%的年增长率领先。无线数据需求的这种指数级增长已导致许多国家和地区的sub-1GHz频段（也称为低频段）资源迅速耗尽。最近中频段（频率介于1GHz到6GHz）的推出，让通信行业的无线拥堵情况得到暂时的缓解。区的sub-6GHz频段（低频段和中频段）资源将在未来3-5年内耗尽3。随着社会日益摆脱有线束缚，人们对无线网络的依赖不断加深，这进一步加重了无线数据网络的负担。年轻一代追求“无界移动”，下一波“剪线”浪潮愈演愈烈。鉴于这些大趋势，无线行业向高频段频段（毫5G毫米波的全球部署已是大势所趋。充分发挥5G的潜力至关重要，采用5G毫米波技术的企业将拥有竞争优势4。白皮书：5G毫米波商业应用的全新突破2024年6月|如有变更，恕不另行通知25G毫米波已投入使用Qorvo致力于降低总阵列。Qorvo的5G“WiFiforInfrastructure™（基础设施Wi-Fi）。毫米波网络的使用对于业界并不是一个新概念。事实上，5G毫米波始于2016年。2018年，Verizon在美国四个城市推出了商业用例，即“5G家庭”固定无线接入(FWA)服务。2019年，AT&T在商用5G网络设备上实现了移动端5G浏览体验，并计划在19个城市推出5G服务。与此同时，T-Mobile宣布与原始设备制造商(OEM)达成了价值数十亿美元的协议，用于为部署做准备。5G早期的大部分此类活动是由Anokiwave（现已并入Qorvo）的ICQorvo致力于降低总阵列。Qorvo的5G“WiFiforInfrastructure™（基础设施Wi-Fi）。在美国，目前有数亿部毫米波手机在数十万个活跃的5G毫米波基站支持下使用。随着毫米波有源天线的商业化进入快车道，业界高度重视降低成本。为此，业界正积极探索各种途径，包括优化传统批量生产曲线，研发“下一代”产品以满足网络层面的商业需求，利用规模经济性来实现与Wi-Fi相近的成本，从而充分释放5G毫米波的潜力。AT&T推出毫米波服务AT&T推出毫米波服务(5G+)(26GHz)Verizon推出FWA网络(5GTF)Verizon实现美国60个城市的覆盖支持毫米波技术的支持毫米波技术的iPhone123GPP版本3GPP版本15冻结3GPP开始发布Verizon在3GPP开始发布Verizon在图1：5G毫米波始于2016年3GPP首次发布5G毫米波要求。目前，仅在美国就有数亿部毫米波手机在数十万个5G毫米波基站支持下使用。白皮书：5G毫米波商业应用的全新突破2024年6月|如有变更，恕不另行通知3由于FWA数据使用量的强劲增长，毫米波已成为满足家庭宽由于FWA数据使用量的强劲增长，毫米波已成为满足家庭宽带市场需求的首选频段之一。这也是毫米波技术最早、最成功的用例之一，让运营商可以把网络覆盖到之前无法覆盖的地区。前面提到的爱立信移动报告进一步显示，在多个细分市场中，FWA对数如今，视频会议、游戏、视讯串流、智能家居等数据密集型应用层出不穷，家庭宽带市场也随之蓬勃发展。有鉴于此，FWA正聚焦于家庭宽带连接市场。爱立信《固定无线手册》2023版6指出，到2028年，全球FWA连接数将达到3亿，其中2.4亿将通过5G承载。以2022年的1亿FWA连接数为基础计算，至2028年的复合年均增长率(CAGR)达31%左右。FWAFWA连接数全球移动网络数据流量（EB/月）FWA连接数（百万）5GFWA连接数4G和其他技术FWA连接数数据来源：爱立信《固定无线接入手册》2023版图2：不断增长的数据需求将推动固定无线接入(FWA)市场的发展，毫米波成为首选频段之一白皮书：5G毫米波商业应用的全新突破2024年6月|如有变更，恕不另行通知4前面提到的爱立信《固定无线手册》介绍了别具匠心的FWA商业用例开发方法。如图3所示，FWA系统的潜在市场是那些没有或只有一个固定宽带(FBB)提供商的市场，有望涵盖广阔地域范围，包括密集城市（每平方公里800至1600户）、城市（每平方公里400至800户）、郊区（每平方公里120至400户）和乡村（每平方公里10至120户）等。 数据来源：爱立信MWC毫米波峰会|2022.09.28图3：为了开发FWA商业用例，首先要确定潜在市场针对上述各个地区，初期都需利用以中频运作的现有基础设施来部署FWA，以达到现有FBB性能。随着用户使用量的增加，毫米波技术有助于大幅提高可服务的用户数量和整体的流量负载，从而满足所有用户的FBB数据速率要求。此外，添加毫米波资源可以应对家庭数据速率不断增长的需求，并且吸引更多用户。如图4所示，毫米波FWA技术可在非高峰时段提供接近光纤的数据速率，而在高峰时段也能保证最低可用白皮书：5G毫米波商业应用的全新突破2024年6月|如有变更，恕不另行通知5在与有线和光纤通信服务提供商(CSP)的竞争中，用户实际体验到的数据速率对于市场渗透至关重要。如果FWA的速率达不到预期，即使成本再低，用户也不会放弃现有系统。这些数据速率代表了密集城区、市区5%高速率家庭5%低速率家庭服务流量负载[Mbps/站点]1,200Mbps/站点1,200Mbps/站点数据来源：爱立信科技评论|2022.11.10图4：在现有基础设施中添加毫米波可以100Mbps的数据速率和高峰时约30Mbps的数据速率，这是推动FWA市场渗透的关键指标。面对市场对毫米波频段的强劲需求，业界必须克服大规模部署5GFWA系统的种种挑战。第一代gNodeB（基站）和CPE（客户端装置）的成本仍然较高，而且目前CPE的性能表现尚不能为终端用户提供最佳数据率。此外，5G毫米波调制解调器芯片市场缺乏多样性，这些都阻碍了CPE生态系统进一步发展。5G5G毫米波的商业模式建立在这样一个假设基础上：存在一种高功率、高性能的CPE设备，它能实现“接近光纤”的高数据速率。但现实是，当今的生态系统中还没有这种设备。硅基IC技术的持续创新不可或缺，它将帮助服务提供商降低运营支出(OPEX)和资本支出(CAPEX)成本，从而实现毫米波白皮书：5G毫米波商业应用的全新突破2024年6月|如有变更，恕不另行通知6印度政府率先采用毫米波FWA技术，认为这是最经济的方式，可以帮助印度在“消除数字鸿沟”方面超越其他国家，避免部署昂贵的最后一百米光纤。根据GSMA最近的估计，不部署最后一百米光纤可以节省大约10亿美元。印度的电信巨头RelianceJio计划利用其在2022年频段拍卖中购得的26GHz频段，推出建设名为“Airfiber”的FWA网络。毫米波图5：毫米波技术为繁忙的sub-6GHz频段增加容量，实现速度更快、拥塞更少的连接白皮书：5G毫米波商业应用的全新突破2024年6月|如有变更，恕不另行通知7虽然毫米波技术大有可为，但要实现5G毫米波的广泛应用，行业还需要更进一步。一方面，要充分利用已有的成果；另一方面，要持续创新，提升性能，将成本降至与Wi-Fi相当的水平，最终实现毫米波网络鉴于半导体产业的发展历程，毫米波设备的成本降低目标一定会实现，人们所认为的不足之处也会得到解决，毫米波技术将像Wi-Fi一样普及。成本是制约5G毫米波增长的一个重要因素。如果要预测能够让新兴FWA毫米波CPE大规模普及的价格区间，那么Wi-Fi路由器是最佳参考。目前，5G毫米波CPE鉴于半导体产业的发展历程，毫米波设备的成本降低目标一定会实现，人们所认为的不足之处也会得到解决，毫米波技术将像Wi-Fi一样普及。硅晶行业之所以能取得成功，关键在于通过不断提高集成度来降低成本。因此，如今5G设备中的毫米波前端采用硅晶技术并不令人意外。这种技术有望在降低成本方面发挥引领作用。Anokiwave（现已并入Qorvo）是硅晶毫米波芯片的重要供应商，过去6年来推出了四代硅晶毫米波波束成形IC(BFIC)，成功将成本降低了90%。更令人惊喜的是，在行业分析师的评估中，这些产品在所有KPI上都实现了高达四倍由于毫米波前端的成本和能耗占了基站和CPE设备成本和能耗的绝大部分，因此上述节省对资本支出(CAPEX)和运营支出(OPEX)的影响巨大。这篇题为“扭转5G毫米波能耗曲线”的博客文章，其中展示了可在真实大都市中实现的能源节约幅度。在未来十年，即使毫米波基站数量按预期速度增长，采用我们新一代波束成形器IC(BFIC)的无线电单元(RU)也能大幅降低能耗。白皮书：5G毫米波商业应用的全新突破2024年6月|如有变更，恕不另行通知8在降低成本的同时，业界还必须应对和解决毫米波商业化所面临的技术1.较短的覆盖距离和较高的路径损耗导致蜂窝基站的规模较小。毫米波商业化进程中毫米波商业化进程中的许多技术挑战都通过IC创新得到解决。Qorvo的最新IC将系统中5G基站和CPE之间的信号水平提升了几个数量级，支持实现更高的用户容量、更大的覆盖范围和更高的服务质量，并降低蜂窝服务提供商的资本支出要求。2.建筑物、树木和其他障碍物会造成信号阻塞。3.毫米波设备成本高，而且部署包含更多节点的密集网络也会增加4.更新现有基础设施以支持5G毫米波基站设备所涉及的成本。5.监管问题，例如在城市地区出现数据拥塞之前及时向MNO分配毫这些障碍和挑战对于无线行业来说并不新鲜。每次通信行业升级换代，从低频段向中频段再向毫米波频段演进时，都会上演类似的故事。然而，受持续增长的数据需求驱动，这种演进过程并不均衡，各国的发展利用硅晶IC创新应对市场挑战白皮书：5G毫米波商业应用的全新突破2024年6月|如有变更，恕不另行通知9为了促进毫米波生态系统的发展，必须综合解决市场、系统和无线电等毫米波无线电与sub-6GHz无线电系统在多个米波传输的信号随距离的衰减速度比sub-6GHz信号快得多。其次，由于半导体的基本物理特性，放大器输出功率、噪声系数、线性度和直流电源等性能指标在毫米波频率下更难实现。在sub-6GHz频率下，半导体和天线系统在过去几十年中不断发展，形成了成熟的生态系统。这使得无线技术能够以低成本的方式实现，为无线服务提供商和通信服务供应商的FWA应用提供了非常明确的商业价值。白皮书：5G毫米波商业应用的全新突破2024年6月|如有变更，恕不另行通知10能量。通过改变每个元件处的相位和振幅，可以将能量引导到不同的方随着毫米波相控阵天线逐渐进入商业应用阶段，Anokiwave（现已并入Qorvo）率先开发出了验证第一代5G现，同时具备大容量、低成本、可扩展的优势。它既可用于具有大量IC和天线元件的基站，也可用于具有较少IC和天线元件并且成本更低的CPE应用。Anokiwave（现已并入Qorvo）采用低成本硅基工艺，高度集成了包括数Anokiwave（现已并入Qorvo）发明的四路BFIC架构使得相控阵天备大容量、低成本、可扩展的优白皮书：5G毫米波商业应用的全新突破2024年6月|如有变更，恕不另行通知115G毫米波已具备商业可行性采用现有毫米波设备部署5G网络在商业上存在诸多难题，导致许多人认为它不是满足海量数据需求的凭借最新的IC技术，Qorvo正在改变这种看法。要想打造一个能真正投入商用的采用现有毫米波设备部署5G网络在商业上存在诸多难题，导致许多人认为它不是满足海量数据需求的凭借最新的IC技术，Qorvo正在改变这种看法。基于已发布和实际部署的多代毫米波硅晶IC解决方案，新推出的第四代QorvoIC为5G毫米波的大规模商业和技术应用奠定了坚实基础。Qorvo的产品重新定义了各个层面的创新，将功能、特性和商业价值有机结合，为5G用例提供强大支持。Qorvo的新型IC系列提供更高的线性功率水平、更低的误差矢量幅度(EVM)和更低的噪声系数，并具有Zero-Cal®、温度补偿、更高的集成度Zero-Cal®特性和温度补偿技术与适当的阵列馈送网络PCB布局相结合，可以显著减少或消除阵列级校准需求，从而降低无线电成本和资本我们最新的IC提供更高的线性功率和更佳的噪声系数性能，使系统架构中5G基站和CPE之间的信号水平提升了一个数量级。在毫米波设备中使用这些IC后，通信服务提供商能够以更少的无线电设备实现更高的用户容量（更高的数据速率）、更广的覆盖范围（更少的基站）和更好的白皮书：5G毫米波商业应用的全新突破2024年6月|如有变更，恕不另行通知12宽带业务允许硬件制造商可以开发单一无线电SKU，然后在生产中针对世界不同地区和不同工作频段进行扩展。这种方式可以加快产品上市速度，集中生产更少的无线电型号，扩大产量，从而在多个市场实现规模经济，进一步减少资本支出。图7显示了新IC特性与左侧所示的以往市场挑战的对应关系。这表明，最新的波束成形器已经成功克服了挑战，为5G毫米波网络的未来发展和商业生态系统的构建铺平了道路。图7：高性能IC消除了5G毫米波的商业和技术障碍，使5G毫米波具备商业可行性白皮书：5G毫米波商业应用的全新突破2024年6月|如有变更，恕不另行通知13为了帮助了解Qorvo的IC技术对5G生态系统的影响，我们对当前可用无线电（基站和CPE设备）与采用QorvoIC技术的新型改进无线电进行了比较。该比较表明了Qorvo的IC技术对通信服务提供商业务案例的影响。基站功率(EIRP)基站Rx灵敏度(EIS)CPE功率(EIRP)CPERx灵敏度(EIS)上行链路预算提高18dB下行链路预算提高10dBQorvo赋能的解决方案Qorvo图8显示了一个Qorvo赋能的CPE阵列示例，它支持48dBmEIRP和-113dB接收灵敏度，而图9显示了该阵列的实测天线方向图。利用Zero-Cal®（如图10所示）等特性和温度补偿技术（如图11所示）等图8：得益于Qorvo的IC技术，CPE大小阵列的EIRP提升12dBm，灵敏度提升4dB利用利用Qorvo技术构建的CPE支持48dBm的EIRP水平和-113dBm的接收灵敏度水平。与现有设备相比，EIRP提升了12dBm，灵敏度提升了4dB。高性能CPE设备现已能够融入当今生态系统中，可以稳定连接到5G毫米波网络，实现“接近光白皮书：5G毫米波商业应用的全新突破2024年6月|如有变更，恕不另行通知14相对增益(dB相对增益(dB)相对增益(dB)-30度-20度-10度0度10度20度30度方位角（度）-30度-20度-10度0度10度20度30度图9：经过验证的天线性能：Qorvo引以为豪的一点是提供能够成功应用于毫米波有源天线的IC相对增益(dB)相对增益(dB)相对增益(dB)相对增益(dB)方位角（度）方位角（度）QorvoZero-Cal®技术确保：图10：测量结果表明，应用Zero-Cal®后，性能接近理想状态，旁瓣电平提升5dB，无需其他校准白皮书：5G毫米波商业应用的全新突破2024年6月|如有变更，恕不另行通知15全系统Tx全系统Tx信号链增益(dB)5GNR波形在-25至95°C环境温度范围内，全信号链性能在±0.5dB窗口内波动温度(°C)图11：在整个温度和频率范围内，整个毫米波信号链（BFIC、IF上/下变频器和LO合成器）保持在+0.5dB增益窗口内，无需用户反馈或特殊的控制机制这些改进带来的系统性能提升是颠覆性的。利用新型IC性能并对整个毫米波基站进行建模，我们可以向网络运营商和OEM展示性能和经济性方面的巨大提升。基本基站模型的详细信息参见附录A。采用Qorvo赋能的设备后，性能显著提升。链路预算计算结果表明，上行链路（从CPE到5G基站塔）提升了18dB，下行链路（从5G基站塔到CPE）提升了10dB。我们可以利用简单的传播物理规则来使投资回报率(ROI)最大化：“通过提高发射EIRP或降低接收灵敏度(EIS)，毫米波链路预算每增加6dB，覆盖面积就会扩大4倍”。这将使网络性白皮书：5G毫米波商业应用的全新突破2024年6月|如有变更，恕不另行通知16每个基站覆盖的面积扩大4倍以上对于给定的数据速率，用户数增加3倍以上毫米波覆盖每平方公里成本降低70%以上更快的投资回报和更短的投资回收期，迅速实现正现金流这些成果将彻底改变市场格局，5G毫米波终于不仅在技术上可行，而且>3X>3X用户数用户数用户数每个基站的覆盖范围更广成本降低毫米波覆盖每平方公里在给定的数据传输速率下，用户数量更多更大面积>4X面积覆盖范围图12：CPE和基站设备中使用的QorvoIC重新定义了5G毫米波的经济性白皮书：5G毫米波商业应用的全新突破2024年6月|如有变更，恕不另行通知17早在3GPP标准正式制定之前，Anokiwave（现已并入Qorvo）就开始为5G开发首款毫米波IC。我们预见到了这个市场的到来，并积极投资于相控阵天线使用的毫米波硅晶IC。尽管这一举动当时被人认为是“异想天开”，但我们坚信这一市场非常重要，因此坚持不懈地投入研发。这体现了我们的远见卓识，以及在技术架构和关键性能指标方面做出的选择，目的是打造一个既能满足当前市场需求，又能持续适应未来发展早在2014年，Anokiwave的首席系统工程师就在2014年5月8日发表的一篇文章7中预测了毫米波在5G通信中的应用：“随着人们对更高行业正迎来一个全新的发展阶段。低成本的毫米波相控阵天线解决方我们提出了这些想法，并在2015年发表于《微波杂志》8的一篇文章中进行了介绍，讨论了可用于商业应用的紧凑型、低成本阵列技术，这对于推动5G基础设施的建设至关重要。2016年，在毫米波被纳入3GPP标准之前，这项早期工作所产生的集成电路技术就已推向市场。自首款IC推出以来，我们年复一年地持续创新，推动了5G毫米波技术每个阶段的演进。如今，凭借最新的波束成形器IC，我们真正推动5G毫米波的商业应用从小规模实验迈向大规模部署。最重要的是，我们的技术让5G毫米波Anokiwave（现已并入Qorvo）提供商用波束成形器IC已有20多年的经验，对商用毫米波相控阵天线方面有着其他公司所不具备的丰富经验和深刻理解。这种独特的优势体现在IC的诸多特性上，使得5G毫米波技术的大规白皮书：5G毫米波商业应用的全新突破2024年6月|如有变更，恕不另行通知18(26GHz)FCC批准28/39GHz5G移动无线电Verizon在美国首版3GPP5GFR2标准第15版Xilinx和Keysight在MWC上演示FR-2O-RU第三代IC全面投产第三代IC在2019年MWC和CPE提供商建立伙伴关系第四代IC基准%PAE和AnokiwaveCPE架构定义ICIC正在开发5000万以上的第二代5G产品设计启动，聚焦28和39GHz频段AT&T推出采用AnokiwaveAnokiwave为韩国奥运会提供无线支持首款5G第一代IC支持毫米波技术的iPhone12AT&T推出毫米波服务(5G+)Verizon推出FWA网络(5GTF)(26GHz)Anokiwave开始研发28GHzBFIC首款5G商用硅晶IC发布Verizon实现美国60个城市的覆盖Anokiwave定义可重构4T4R天线Anokiwave推出n2603GPP开始发布3GPP图13：Anokiwave（现已并入Qorvo）多年前就预见到了5G毫米波市场的巨大潜力。白皮书：5G毫米波商业应用的全新突破2024年6月|如有变更，恕不另行通知19毫米波市场的崛起，是我们职业生涯中难得一遇的盛事。对于许多人来说，毫米波技术的可行性是一个与成本、专业知识和技术专长相关的问题，涉及从波形和频段到天线功率、灵敏度、相控阵天线的生产和可制造性等各个方面。Anokiwave（现已并入Qorvo）一直深谙这些技术问题，并认识到，降低无线电成本是使5G毫米波网络具备商业可行性的得益于硅晶集成的魔力，毫米波无线电产品的BOM成本和部署成本大幅降低，因而5G毫米波的商业应用水到渠成。Anokiwave（现已并入Qorvo）作为毫米波行业的先驱，过去6年来凭借四代硅晶IC创新，成功将毫米波前端成本降低了90%，为实现5G毫米波的大规模商用和技作为行业先锋，我们在FCC将毫米波频段分配给5G之前就做出了正确的决定，推出了四路BFIC架构。该架构已在5G毫米波生态系统中得到了广泛采用。由于预见到5G毫米波网络商业化将会面临成本挑战，我们再度走在行业前沿，选择支持高集成度和众多功能的硅晶CMOS来实现毫米波前端，以降低无线电成本。我们的早期IC已经运营中的系统，充分证明了5G毫米波网络在技术上的可行性。时至今日，随着多个商用毫米波网络