5G是第五代通信技術，是4G之后的延伸，是對現有的無線通信技術的演進。其最大的變化在于5G技術是一套技術標準，其服務的對象從過去的人與人通信，增加了人與物、物與物的通信。根據歷史經驗，我國移動通信的每十年會推出下一代網絡協議。隨著用戶需求的持續增長，未來10年移動通信網絡將會面對：1000倍的數據容量增長，10至100倍的無線設備連接，10到100倍的用戶速率需求，10倍長的電池續航時間需求等等，4G網絡無法滿足這些需求，所以5G技術應運而生。需求增加的最主要驅動力有兩個：移動互聯網和物聯網。根據ITU給出的計劃，5G技術有望在2020年開始商用。
面對5G在傳輸速率和系統容量等方面的性能挑戰，天線數量需要進一步增加，利用空分多址(SDMA)技術，可以在同一時頻資源上服務多個用戶，進一步提高頻譜效率。硬件上，大規模天線陣列由多個天線子陣列組成，子陣列的每根天線單獨擁有移相器、功率放大器、低噪放大器等模塊。軟件層面則需要復雜的算法來管理和動態地適應與編碼和解碼用于多個并行信道的數據流，通常被實現為一個FPGA。大規模天線陣列將帶來天線的升級及數量需求，同時射頻模塊(移相器、功率放大器、低噪放大器等)的需求將爆發，此外數據的增加將利好功能更加強大的綜合處理模塊如FPGA等等。
可以說5G的出現，將會推動半導體產業和終端往一個新的方向發展，創造一波新的價值，我們不妨來詳細了解一下。
什么是5G？
5G是第五代通信技術，是4G之后的延伸，是對現有的無線通信技術的演進。其最大的變化在于5G技術是一套技術標準，其服務的對象從過去的人與人通信，增加了人與物、物與物的通信。
回顧移動通信的發展歷程，每一代移動通信系統都可以通過標志性能力指標和核心關鍵技術來定義，其中，1G采用頻分多址(FDMA)，只能提供模擬語音業務；2G主要采用時分多址(TDMA)，可提供數字語音和低速數據業務；3G以碼分多址(CDMA)為技術特征，用戶峰值速率達到2Mbps至數十Mbps，可以支持多媒體數據業務；4G以正交頻分多址(OFDMA)技術為核心，用戶峰值速率可達100Mbps至1Gbps，能夠支持各種移動寬帶數據業務。
移動通信標準的發展歷程
5G更強調用戶體驗速率，將達到Gbps量級。5G關鍵能力比以前幾代移動通信更加豐富，用戶體驗速率、連接數密度、端到端時延、峰值速率和移動性等都將成為5G的關鍵性能指標。
然而，與以往只強調峰值速率的情況不同，業界普遍認為用戶體驗速率是5G最重要的性能指標，它真正體現了用戶可獲得的真實數據速率，也是與用戶感受最密切的性能指標。基于5G要場景的技術需求，5G用戶體驗速率應達到Gbps量級。
面對多樣化場景的極端差異化性能需求，5G很難像以往一樣以某種單一技術為基礎形成針對所有場景的解決方案。
此外，當前無線技術創新也呈現多元化發展趨勢，除了新型多址技術之外，大規模天線陣列、超密集組網、全頻譜接入、新型網絡架構等也被認為是5G主要技術方向，均能夠在5G主要技術場景中發揮關鍵作用。
綜合5G關鍵能力與核心技術，5G概念可由“標志性能力指標”和“一組關鍵技術”來共同定義。其中，標志性能力指標為“Gbps用戶體驗速率”，一組關鍵技術包括大規模天線陣列、超密集組網、新型多址、全頻譜接入和新型網絡架構。
5G推進組定義的5G概念
目前5G技術已經確定了8大關鍵能力指標：峰值速率達到20Gbps、用戶體驗數據率達到100Mbps、頻譜效率比IMT-A提升3倍、移動性達500公里/時、時延達到1毫秒、連接密度每平方公里達到10Tbps、能效比IMT-A提升100倍、流量密度每平方米達到10Mbps。
ITU定義的5G關鍵能力
中國5G之花概念
我國提出的5G之花概念形象的描述了5G的關鍵指標，其提出的9項關鍵能力指標中除成本效率一項外，其他8項均與ITU的官方指標相匹配。
5G的關鍵性能挑戰及實現
從具體網絡功能要求上來說，IMT-2020(5G)推進組定義了5G的四個主要的應用場景：連續廣覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接和低時延高可靠，而這些功能的實現都給供應商帶來了很大的挑戰。
5G主要場景與關鍵性能挑戰
5G技術創新主要來源于無線技術和網絡技術兩方面。其需求來自于以上的關鍵性能挑戰。我們可以將關鍵性能分為以下三個部分：
5G關鍵性能分類
為了實現更高網絡容量，無線傳輸增加傳輸速率大體上有兩種方法，其一是增加頻譜利用率，其二是增加頻譜帶寬。
提高頻譜利用率的主要的技術方式有增加基站和天線的數量，對應5G中的關鍵技術為大規模天線陣列(MassiveMIMO)和超密集組網(UDN)；而提高頻譜帶寬則需要拓展5G使用頻譜的范圍，由于目前4G主要集中在2GHz以下的頻譜，未來5G將使用26GHz，甚至6-100GHz的全頻譜接入，來獲取更大的頻譜帶寬。
而對于關鍵任務要求上，尤其是毫秒級的時延要求，對于網絡架構提出了極大的挑戰，5G技術中將提出新型的多址技術以節省調度開銷，同時基于軟件定義網絡(SDN)和網絡功能虛擬化(NFV)的新型網絡架構將實現更加靈活的網絡調度。
1、大規模天線陣列(MassiveMIMO)：提高頻譜效率，未來需要更多的天線及射頻模塊在現有多天線基礎上通過增加天線數可支持數十個獨立的空間數據流，以此來增加并行傳輸用戶數目，這將數倍提升多用戶系統的頻譜效率，對滿足5G系統容量與速率需求起到重要的支撐作用。大規模天線陣列應用于5G需解決信道測量與反饋、參考信號設計、天線陣列設計、低成本實現等關鍵問題。
美國萊斯大學Argos大規模天線陣列原型機樣圖
大規模天線技術(MIMO)已經在4G系統中得以廣泛應用。面對5G在傳輸速率和系統容量等方面的性能挑戰，天線數目的進一步增加仍將是MIMO技術繼續演進的重要方向。
根據概率統計學原理，當基站側天線數遠大于用戶天線數時，基站到各個用戶的信道將趨于正交，在這種情況下，用戶間干擾將趨于消失。巨大的陣列增益將能夠有效提升每個用戶的信噪比，從而利用空分多址(SDMA)技術，可以在同一時頻資源上服務多個用戶。
空分多址技術(SDMA)是大規模天線陣列技術應用的重要支撐，其基礎技術原理來自于波束賦形(Beamforming)，大規模天線陣列通過調整天線陣列中每個陣元的加權系數產生具有指向性的波束，從而帶來明顯的信號方向性增益，并與SDMA之間產生精密的聯系。
空分多址提高頻譜效率
大規模天線的優勢可以歸結為以下幾點：
第一：提升網絡容量。波束賦形的定向功能可極大提升頻譜效率，從而大幅度提高網絡容量。
第二：減少單位硬件成本。波束賦形的信號疊加增益功能使得每根天線只需以小功率發射信號，從而避免使用昂貴的大動態范圍功率放大器，減少了硬件成本。
第三：低延時通信。大數定律造就的平坦衰落信道使得低延時通信成為可能。傳統通信系統為了對抗信道的深度衰落，需要使用信道編碼和交織器，將由深度衰落引起的連續突發錯誤分散到各個不同的時間段上，而這種揉雜過程導致接收機需完整接受所有數據才能獲得信息，造成時延。在大規模天線下，得益于大數定理而產生的衰落消失，信道變得良好，對抗深度衰弱的過程可以大大簡化，因此時延也可以大幅降低。
第四：與毫米波技術形成互補。毫米波擁有豐富的帶寬，但是衰減強烈，而波束賦形則正好可以解決這一問題。
波束賦形示例
大規模天線的研發和使用同樣面臨巨大的挑戰，從研究層面而言，物理層研究會面臨下表中的多個難點。而從實際部署層面而言，硬件成本是最主要的阻礙。首先隨著發射天線數目的增多，天線陣列的占用面積將大幅增加，天線群及其對應的高性能處理器、轉換器的成本也都遠高于傳統基站天線，使得大規模部署存在成本問題；其次實際的使用中，為了平衡成本和效果，可能會采用一些低成本硬件單元替代，在木桶原理的作用下小幅降低成本可能會導致性能急劇下降，從而達不到預期效果。
大規模天線陣列物理層研究難點
相比于SISO或分集天線系統，大規模多天線系統屬于硬件、軟件密集型的。大規模多天線系統由多個天線子陣列組成，每個子陣列共享數模轉換、混頻器等元件，而子陣列的每根天線單獨擁有移相器、功率放大器、低噪放大器等模塊。所以隨著天線數的增加，硬件的部署成本會快速增加。
不過與此同時，多天線的增益效應使得系統的容錯能力提升，每個單元的模塊(如數模轉換、功率放大器等)的功能可以進一步減弱。軟件層面則需要復雜的算法來管理和動態地適應與編碼和解碼用于多個并行信道的數據流，這就需要一個相對強大的處理器，通常被實現為一個FPGA。
利用混合波束賦形技術的天線系統架構圖
整體而言，未來MIMO將對天線帶來升級需求，同時射頻模塊(移相器、功率放大器、低噪放大器等)的需求將爆發，此外數據的增加將利好功能更加強大的綜合處理模塊，如FPGA。
2、超密集組網(UDN)：解決熱點網絡容量問題，帶來小基站千億市場容量
未來移動數據業務飛速發展，熱點地區的用戶體驗一直是當前網絡架構中存在的問題。由于低頻段頻譜資源稀缺，僅僅依靠提升頻譜效率無法滿足移動數據流量增長的需求。超密集組網通過增加基站部署密度，可實現頻率復用效率的巨大提升，但考慮到頻率干擾、站址資源和部署成本，超密集組網可在局部熱點區域實現百倍量級的容量提升，其主要應用場景將在辦公室、住宅區、密集街區、校園、大型集會、體育場和地鐵等熱點地區。
超密集組網可以帶來可觀的容量增長，但是在實際部署中，站址的獲取和成本是超密集小區需要解決的首要問題。而隨著小區部署密度的增加，除了站址和成本的問題之外，超密集組網將面臨許多新的技術挑戰，如干擾、移動性、傳輸資源等。對于超密集組網而言，小區虛擬化技術、接入和回傳聯合設計、干擾管理和抑制是三個最重要的關鍵技術。
超密集組網示例
由于超密集組網對基站和微基站的需求加大，以及在重點場景下基站選址將面臨更大的挑戰，未來將利好具備較好成本控制能力及基站選址能力的廠商。
基站性能及成本對比
2020年全球小基站市場每年將超過6億美金，國內小基站市場容量最終有望達到千億級別。根據SmallCellForum預測，全球小基站市場空間有望在2020年超過6億美元。截止至2016年半年報，中國移動，中國聯通，中國電信披露今年要達到的的4G基站數分別為140萬個、68萬個、85萬個。考慮聯通中報披露了與電信共享的6萬個基站，假設年內共享基站達到10萬個，則中國當前存量基站市場大約為283萬個。假設未來小基站的數量能達到目前基站數量的10倍以上，即未來小基站市場需求達到2830萬個，假設小基站平均價格為5000元/個，則未來小基站市場容量將達到千億級別。
3、全頻譜接入：擴大頻譜寬度，未來利好射頻器件廠商，但頻譜暫未分配
相對于提高頻譜利用率，增加頻譜帶寬的方法顯得更簡單直接。在頻譜利用率不變的情況下，可用帶寬翻倍可實現數據傳輸速率也翻倍。通過有效利用各類移動通信頻譜(包含高低頻段、授權與非授權頻譜、對稱與非對稱頻譜、連續與非連續頻譜等)資源可以提升數據傳輸速率和系統容量。但問題是，現在常用的6GHz以下的頻段由于其較好的信道傳播特性，目前已經非常擁擠，6~100GHz高頻段具有更加豐富的空閑頻譜資源，可作為5G的輔助頻段，然而30GHz~100GHz頻率之間屬于毫米波的范疇，這就需要使用到毫米波技術。
頻譜使用情況
到2020年我國5G頻譜缺口近1GHz，低頻段為首選，高頻將成為補充。目前4G-LTE頻段最高頻率的載波在2GHz上下，可用頻譜帶寬只有100MHz。因此，如果使用毫米波頻段，頻譜帶寬能達到1GHz-10GHz，傳輸速率也可得到巨大提升。
我國5G推進組已完成2020年我國移動通信頻譜需求預測，屆時移動通信頻譜需求總量為1350～1810MHz，我國已為IMT規劃的687MHz頻譜資源均屬于5G可用頻譜資源，因此還需要新增663～1123MHz頻譜。我國無線電管理“十三五”規劃中明確為IMT-2020(5G)儲備不低于500MHz的頻譜資源。
在未來要支持毫米波通信，移動系統和基站必須配備更新更快的應用處理器、基帶以及射頻器件。
事實上，5G標準對射頻影響較大，需要一系列新的射頻芯片技術來支持，例如支持相控天線的毫米波技術。毫米波技術最早應用在航空軍工領域，如今汽車雷達、60GHzWi-Fi都已經采用，將來5G也必然會采用。4G手機里面的數字部分包括應用處理器和調制解調器，射頻前端則包括功率放大器(PA)、射頻信號源和模擬開關。功率放大器用于放大手機里的射頻信號，通常采用砷化鎵(GaAs)材料的異質結型晶體管(HBT)技術制造。
未來的5G手機也要有應用處理器和調制解調器。不過與4G系統不同，5G手機還需要相控陣天線。
此外，由于毫米波的頻率非常高，線路的阻抗對毫米波的影響很大，所以器件的布局和布線變得異常重要。與4G手機一樣，5G手機也需要功率放大器，毫米波應用中，功率放大器將是系統功耗的決定性因素。
除此之外，毫米波相比于傳統6GHz以下頻段還有一個特點就是天線的物理尺寸可以比較小。這是因為天線的物理尺寸正比于波段的波長，而毫米波波段的波長遠小于傳統6GHz以下頻段，相應的天線尺寸也比較小。因此可以方便地在移動設備上配備毫米波的天線陣列，從而實現大規模天線技術。
4、新型多址技術：降低信令開銷，縮短時延
通過發送信號在空/時/頻/碼域的疊加傳輸來實現多種場景下系統頻譜效率和接入能力的顯著提升。此外，新型多址技術可實現免調度傳輸，將顯著降低信令開銷，縮短接入時延，節省終端功耗。目前業界提出的技術方案主要包括基于多維調制和稀疏碼擴頻的稀疏碼分多址(SCMA)技術，基于復數多元碼及增強疊加編碼的多用戶共享接入(MUSA)技術，基于非正交特征圖樣的圖樣分割多址(PDMA)技術以及基于功率疊加的非正交多址(NOMA)技術。
此外，基于濾波的正交頻分復用(F-OFDM)、濾波器組多載波(FBMC)、全雙工、靈活雙工、終端直通(D2D)、多元低密度奇偶檢驗(Q-aryLDPC)碼、網絡編碼、極化碼等也被認為是5G重要的潛在無線關鍵技術。
5、5G網絡關鍵技術：NFV和SDN，網絡能力開放或利好第三方服務提供商
未來5G網絡架構將包括接入云、控制云和轉發云三個域：接入云支持多種無線制式的接入，融合集中式和分布式兩種無線接入網架構，適應各種類型的回傳鏈路，實現更靈活的組網部署和更高效的無線資源管理。
5G的網絡控制功能和數據轉發功能將解耦，形成集中統一的控制云和靈活高效的轉發云。控制云實現局部和全局的會話控制、移動性管理和服務質量保證，并構建面向業務的網絡能力開放接口，從而滿足業務的差異化需求并提升業務的部署效率。轉發云基于通用的硬件平臺，在控制云高效的網絡控制和資源調度下，實現海量業務數據流的高可靠、低時延、均負載的高效傳輸。
5G的網絡架構圖
基于“三朵云”的新型5G網絡架構是移動網絡未來的發展方向。未來的5G網絡與4G相比，網絡架構將向更加扁平化的方向發展，控制和轉發將進一步分離，網絡可以根據業務的需求靈活動態地進行組網，從而使網絡的整體效率得到進一步提升。5G網絡服務具備更貼近用戶需求、定制化能力進一步提升、網絡與業務深度融合以及服務更友好等特征，其中代表性的網絡服務能力包括、網絡切片、移動邊緣計算、按需重構的移動網絡、以用戶為中心的無線接入網絡和網絡能力開放。
基于NFV/SDN技術實現網絡切片以及網絡能力開放
其中，網絡能力開放將不僅帶來用戶的體驗優化，還將帶來新型的商業模式探索。5G網絡能力開放框架旨在實現面向第三方的網絡友好化和網絡管道智能化，優化網絡資源配置和流量管理。4G網絡采用“不同功能、各自開放”的架構，能力開放平臺需要維護多種協議接口，網絡結構復雜，部署難度大；5G網絡控制功能邏輯集中并中心部署。
能力開放平臺間統一接口，可實現第三方對網絡功能如移動性、會話、QoS和計費等功能的統一調用。而這一切都需要虛擬化的基礎設施平臺支撐。實現5G新型基礎設施平臺的基礎是網絡功能虛擬化(NFV)和軟件定義網絡(SDN)技術。
傳統網絡架構(左)SDN+NFV下的網絡架構(右)
SDN/NFV技術融合將提升5G進一步組大網的能力：NFV技術實現底層物理資源虛擬化，SDN技術實現虛擬機的邏輯連接，進而配置端到端業務鏈，實現靈活組網。
NFV使網元功能與物理實體解耦，通過采用通用硬件取代專用硬件，可以方便快捷地把網元功能部署在網絡中任意位置，同時通過對通用硬件資源實現按需分配和動態延伸，以達到最優的資源利用率的目的。NFV可以滿足運營商在網絡靈活性、架設成本、可擴展性和安全性方面的需求。
首先，NFV的特性使其可以讓網絡和服務預配置更加靈活。而這又可以讓運營商和服務供應商快速地調整服務規模以便應對客戶的不同需求。這些服務在任何符合行業標準的服務器硬件上，通過軟件應用來提供，而最重要的一點就是安全網關。
與購買硬件設備不同，服務供應商可以輕松地采用與設備相關的功能，然后將其以服務器虛擬機的形式示例。
由于網絡功能是在軟件總部署的，所以可以將這些功能移動到網絡的各個位置，而不需要安裝新的設備。這意味著運營商和服務供應商不需要部署很多硬件設備，而可用虛擬機來部署廉價，高容量服務器基礎設施。
最重要的是，虛擬化消除了網絡功能和硬件之間的依賴性，運營商只需設一個地區代表就可以了，而不用專門搭建一個基礎設施來提供支持。
隨著眾多廠商推出了商用級SDN、NFV解決方案，新型網絡架構正逐步落地，據SNS預計，到2020年，SDN和NFV將為服務提供商(包含有線和無線)節省320億美元的資本支出。
SDN技術實現控制功能和轉發功能的分離。
其核心技術OpenFlow一方面將網絡控制面板從數據面中分離出來，另一方面開放可編程接口，從而實現網絡流量的靈活控制及網絡功能的“軟件定義”，有利于通過網絡控制平臺從全局視角來感知和調度網絡資源，實現網絡連接的可編程化。
SDN典型架構包含三層及兩個接口：
控制層：控制器集中管理網絡中所有設備，虛擬整個網絡為資源池，根據用戶不同的需求以及全局網絡拓撲，靈活動態的分配資源。SDN控制器具有網絡的全局視圖，負責管理整個網絡：對下層，通過標準的協議與基礎網絡進行通信；對上層，通過開放接口向應用層提供對網絡資源的控制能力。
物理層：物理層是硬件設備層，專注于單純的數據、業務物理轉發，關注的是與控制層的安全通信，其處理性能一定要高，以實現高速數據轉發。
應用層：應用層通過控制層提供的編程接口對底層設備進行編程，把網絡的控制權開放給用戶，基于上開發各種業務應用，實現豐富多彩的業務創新。
南向接口：是物理設備與控制器信號傳輸的通道，相關的設備狀態、數據流表項和控制指令都需要經由SDN的南向接口傳達，實現對設備管控。
北向接口：是通過控制器向上層業務應用開放的接口，目的是使得業務應用能夠便利地調用底層的網絡資源和能力，其直接為業務應用服務的，其設計需要密切聯系業務應用需求，具有多樣化的特征。
SDN的三層架構
5G背后的半導體商機
新一代移動通訊5G也助力半導體產業從PC、智慧型手機、平板裝置出貨量下滑的窘境中脫困。為順利搶占物聯網與5G移動通訊商機，半導體相關廠商包括晶圓制造/代工、封裝與EDA業者，都紛紛展現其最新技術，如IBM領先推出7奈米芯片；臺積電也宣示透過最新鰭式場效電晶體(FinFET)與物聯網大資料分析技術，期可在物聯網市場扮演重要角色。
不僅如此，在臺灣及中國大陸通訊與手機處理器芯片市場占有一席之地的聯發科(MediaTek)，也針對即將到來的5G市場，以及發展越發火熱的物聯網應用市場，端出新策略。
資策會產業情報研究所(MIC)產業顧問兼主任張奇表示，2016年的臺灣市場景氣將較2015年來得好，對半導體產業來說是正面消息。MIC預測的2016年10大趨勢中，所提出的「5G加速風」，即是闡述2016年5G的技術發展，將較2015年來的積極，且可為半導體產業帶來更多機會。
MIC看好臺灣半導體產業成長率將在2016年回穩，預估整體產值將達到臺幣22，135億元，較2015年成長2.4%，表現將相對優于全球(來源：MIC)
張奇進一步指出，根據統計，每人每月使用的移動數據量已達10GB，這也是為何4G才剛開始普及，5G技術隨即起跑的原因。5G通訊技術的加速發展可分為兩個方面，一為市場端的驅動力，亦即使用者的行為改變，營運商須提供隨時隨地的連線和支援大量數據傳輸的能力；低延遲、低功耗的創新物聯網服務，以及導入開放式平臺與虛擬化功能提升營運商系統效率，都是市場端驅動5G技術發展的原因。
至于產業端的驅動力則包括2020年傳輸距離可傳輸數公里遠的窄頻物聯網、6GHz的5G技術與小型基地臺雙向連網技術…等標準即將推出，可為物聯網或新一代感測與移動裝置開創更多新應用，再加上各區域標準組織都在爭取5G技術主導權，在在皆為促使5G發展更快的助力。
在物聯網方面，事實上，物聯網與5G技術的發展可以說是相輔相成。龐大的物聯網裝置需要更高速的移動網路支援，才得以實現；而也因物聯網應用服務需要進一步提升效率與品質，導致5G技術的加速前進。
不僅如此，近幾年「紅翻天」的物聯網應用概念，已成為半導體、資通訊…等產業界的新「救贖」。因此若相關產品業者發展方向都積極與物聯網進一步產生連結，半導體產業亦是如此。為因應物聯網應用少量多樣、感測器需求大增、低功耗等要求，半導體業者也積極發展新的相關產品。
研究顯示，2016年半導體產業將面臨轉型及調整，物聯網扮演整合關鍵角色。2016年半導體將要面對物聯網帶來的產品特色與生產周期影響，半導體廠商除須提供具備差異化的產品，提高市場競爭力外，更需借自身的差異化轉型以應對下一波的浪潮。換句話說，物聯網將改變產品的生產周期，更將使部份廠商的產品價值因使用情境的不同而受到壓縮，不過卻也衍生出新的價值區塊可讓廠商有新的填補空間，涵蓋新策略和生產工具等，因此轉型與調整將是未來幾年半導體業的首要課題。
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本文標題：通讀5G 半導體產業有新商機
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