5G毫米波與Sub-6GH之爭,中美為何選擇不同路線?

語言: CN / TW / HK

全球5G網路頻段主要分為Sub-6GHz和毫米波(mmWave)兩大範圍。中國目前主要發展的是基於Sub-6GHz頻段的5G網路,而美國則主推的5G毫米波網路。此前網上有觀點認為,這是中美兩國在5G技術路線選擇上的對抗。另有觀點認為,美國的5G毫米波技術註定失敗,中國已放棄5G毫米波。但是事實上並非如此。

芯智訊在此前文章《 Sub-6GHz網路全面鋪開,中國為什麼還要發展5G毫米波? 》當中有詳細介紹Sub-6GHz和毫米波這兩種技術的優缺點,並指出這兩者並不是競爭關係,而是互補關係,同時也介紹了中國在5G毫米波技術上的部署。

5G毫米波頻段擁有從24GHz到100GHz範圍的超大頻寬,使得其具有更高的上下行速率、更低時延和靈活彈性空口配置等獨特的優勢,可以有效滿足未來無線通訊對於系統容量、傳輸速率和差異化應用等需求。但是,5G毫米波也有著一些劣勢,比如毫米波的訊號大氣中傳播容易受氧氣吸收、空氣溼度、雨雪霧天氣的影響,訊號易衰減,同時毫米波訊號的穿透力差,易受物體阻擋,而這些因素也進一步導致了毫米波訊號覆蓋範圍小等問題。

相比5G毫米波,sub-6GHz雖然在高速率、低時延、海量連線等特性上要比5G毫米波頻段弱,但是其在訊號衰減、穿透力、覆蓋範圍等方面要更具優勢。這也意味著,要想實現同樣廣泛的5G訊號覆蓋範圍的情況下,sub-6GHz的5G基站部署密度要更低,所需的基站成本也可以更低。

簡單總結來說,可以sub-6GHz頻段來可以實現更遠的傳輸距離,實現5G網路的更廣的覆蓋,而5G毫米波頻則適合對於高上下行速率、低時延、海量連線場等特性要求較高的景下的需求。

那麼為何中國會選擇優先部署Sub-6GHz網路,而美國則選擇了部署毫米波網路呢?對於這個問題,我們需要從中國與美國不同的國情以及產業差異性上來分析。

人口密度差異帶來的成本效益差異

中國雖然擁有960萬平方公里的國土,但是卻擁有14億人口,除了西藏、內蒙、新疆等少數省份屬於地廣人稀之外,其他的省份的人口密度都不低。而美國國土面積為937萬平方公里,人口只有約3.33億人,人口密度只有中國的不到1/4。並且,美國的人口主要聚集在東西海岸及南部的少數州(主要是加利福尼亞州、德克薩斯州、佛羅里達州、紐約州和賓夕法尼亞州),廣大的中部地區更可謂是地廣人稀。

在此背景之下,中國選擇Sub-6GHz頻段能夠更快的推動5G網路實現大範圍覆蓋,能夠讓更多的使用者都能更快用上5G網路,有了更多的5G使用者的支援,則可以加速推動5G技術的應用,顯然這也更為符合經濟效益。如果美國也先選擇Sub-6GHz頻段來做大範圍的覆蓋,即便是能夠與中國一樣的進行大規模的5G組網投入,那麼其所能夠覆蓋的人群也只有不到中國的1/4,顯然這筆賬對他們來說是不划算的。

即使是原有的4G網路覆蓋上,美國的運營商也主要是覆蓋人口密集的區域,在人口稀疏的地區4G網路覆蓋也較差。

因此,在5G的發展上,美國運營商選擇優先發展毫米波頻段,對美國主要城市的重點區域進行覆蓋也不難理解。而且通過毫米波能夠充分發揮5G特性,可實現單位基站支援更大數量的使用者的高速率需求的接入。

光纖網路基礎設施差異

正是由於美國地廣人稀,再加上一些歷史和美國國情的原因,美國的光纖部署程度遠低於中國。研究資料顯示,2019年,中國的光纖滲透率已高達86%(根據工信部最新資料顯示,中國光纖接入使用者佔比已達到92%),美國僅為25%。而中國完善的光纖網路等基礎設施,則有利於Sub-6GHz網路的部署。

目前部署Sub-6GHz網路,大量的Sub-6GHz基站與核心網之間就需要大量的光纖連線,對於原本光纖網路基礎設施就不完善美國運營商來說,這將是一筆巨大的投入。再加上美國的土地是私有制的,這也意味著在地下鋪設一條光纖網路,需要與所有的在這條線路上的土地所有者進行商談並達成協議,獲得線路所經過位置的使用權。這也將會帶來很大的建設成本上升,與部署時間的增加。(看過電影《蜂鳥計劃》的應該不難理解)

國資主導vs.私企主導

中國的5G網路建設實際上是由國資主導的,主要負責投資建設的也是中國國有的四大運營商,企背後也都是由國家在背後提供資金與政策支援,這也是一項“政治任務”。在巨大的資金投入和政策加持之下,中國的5G網路建設速度極快。截至今年一季度,中國已經建成了超過81.9萬座5G基站。

而相比之下,美國三大運營商AT&T、Verizon、T-Mobile(已併購Sprint)都是私營企業,需要考慮投入產出,即便是有一定的政府補貼,也不可能像中國這樣的進行大規模投入。資料顯示,截至2020年底,美國建設的5G基站數量僅有不到5萬個。根據之前T-Mobile公佈的5G網路基站建設規劃速度,其新增5G基站速度也僅有每月1000個。

頻譜資源差異

第四,美國目前sub-6GHz以下的頻譜大部分掌握在美國政府、軍方及衛星企業的手中。這也使得美國的運營商難以獲得sub-6GHz以下的頻譜,只能將選擇將目光投向頻譜資源更為寬裕的毫米波頻段。

另外,中國政府是免費向四大運營商分配5G頻譜,而對於美國運營商來說,即使是頻譜資源相對豐富的毫米波頻段,也都是需要斥巨資向政府購買。

去年FCC(美國聯邦通訊委員會)就宣佈,它從用於5G的37GHz、39GHz和47GHz頻譜的拍賣中獲得了4,474,530,303美元收入。Verizon在該競標中領先,贏得了4940個許可證,緊隨其後的是AT&T(3267個許可證)、Dish Network(2651個許可證)和T-Mobile(2384個許可證)。

可以作為補充的LET網路

早在2016年2月,高通就釋出了驍龍X16 LTE調變解調器,這是全球首個千兆級LTE調變解調器,可以達到高達1Gbps的下行速度。2017年2月,高通又推出了驍龍X20基帶,進一步將下行速率提升到了1.2Gbps。2017年9月,華為釋出了麒麟970,其搭載的巴龍基帶晶片支援1.2Gbps的最大下行速率,使得麒麟970成為了首款商用的支援1.2Gbps下行速率的手機晶片。

2018年2月,高通又釋出了支援最高達2Gbps的下載速度的第三代千兆級LTE基帶晶片驍龍X24。2018年8月底,華為釋出了麒麟980處理器,首次集成了峰值下載速率高達1.4Gbps LET Cat.21的基帶晶片。

在這些千兆級LTE晶片陸續推出的同時,全球千兆級LTE網路的建設也拉開了帷幕。2017年,全球第一張千兆LTE網路在澳大利亞商用。隨後,從美國、加拿大、澳大利亞、日本、韓國、中國等全球25個國家、43家運營商鋪開千兆級LTE網路建設或實驗。比如美國Verizon的LTE-U, Sprint的HPDE,AT&T的 LTE-A網路(LTE-Advanced)以及T-Mobile的600MHz頻譜LTE網路,都支援千兆級LTE。

但是隨著2019年5G網路元年的開啟,包括中國在內不少國家跳過了千兆級LTE網路建設,直接開啟了5G網路的建設。

不過,從實際體驗來看,千兆級LTE網路已經能夠提供媲美Sub-6GHz 5G網路的體驗。這也是為什麼在2018年底,美國運營商AT&T直接將其千兆級LTE網路LTE-A (LTE-Advanced)直接重新命名為“5G E”。當然AT&T的這番騷操作在當時也引發了外界的質疑。

另外,從此前一些媒體基於國內Sub-6GHz的5G網路實際測試來看,實際的下行速率平均大都還是在1Gbps以下,某些運營商的5G網路在有些場景下還低於100Mbps。

△圖片來源:5G產業圈

毫米波器件成熟度差異

毫米波是屬於高頻波段,對於相應的5G基帶晶片、射頻器件及工藝有著更高的要求。而相對於美國來說,中國在中高頻器件這塊此前一直處於落後的地位。

比如在5G射頻前端器件這塊,目前主要也是被Skywork、Qorvo、Broadcomm(Avago)、muRata和高通的RF360所掌控。

目前中國大陸加上中國臺灣,能夠供應5G基帶晶片的只有華為、紫光展銳和聯發科,其中擁有支援毫米波的5G基帶也只有華為和聯發科,而能夠供應部分5G射頻器件的廠也只有飛驤科技等少數廠商。

同時,在製造工藝這塊,目前主流的射頻器件都以砷化鎵(GaAs)為主,而毫米波則要用到氮化鎵(GaN),目前國內在氮化鎵工藝製造這塊也是比較落後。因此中國選擇優先發展sub-6GHz網路,也是符合國內5G產業發展需要的。

5G毫米波技術持續演進

目前5G毫米波技術仍在持續演進,正在逐步克服5G毫米波技術面臨的缺點。

比如,在訊號範圍方面,可以利用空間分集技術、增加 中繼節點 以及其他增程技術來說提高5G毫米波訊號覆蓋範圍。

今年6月,諾基亞、高通技術公司和Uscellular就宣佈,三方在商用網路下(基於28GHz(n261)頻段),利用增程5G毫米波解決方案,在超過10千米的通訊距離實現了毫米波覆蓋的世界紀錄:10千米的通訊距離,平均下行速度約為1Gbps,上行速度接近57Mbps;在通訊距離超過11.14千米處還實現了748Mbps的下行速率、56.78Mbps的上行速率。此項里程碑為在美國在農村等更廣泛地區提供具有超大容量和低時延的增程5G毫米波網路服務鋪平了道路。

另外,5G毫米波網路可以實現自回傳,無需藉助於光纖網路與核心網的連線。

目前基於Sub-6GHz的5G網路,依然是需要依賴於傳統的光纖回傳方案,即每個5G基站與核心網之間都需要通過光纖連線,而這也極大的提升了部署成本。

而基於5G毫米波技術的IAB基站(Integrated Access and Backhaul,整合接入和回傳一體化基站)可以通過無線的形式,藉助其他5G毫米波基站作為中繼節點,通過多跳功能,最終以無線傳輸的形式回傳到核心網,這將極大的節省光纖的部署成本。而這也使得5G毫米波IAB基站能夠支援更具成本效益的密集部署。

5G毫米波網路可以實現自回傳,無需光纖網路,就可現實5G毫米波IAB基站與核心網之間的資料傳輸,這對於美國運營商來說,無疑將可節省非常大的資金投入(不需要去買土地使用權,也不用去做更多的光纖部署了)。

去年7月,Verizon就和愛立信完成了一項概念驗證試驗,使用新的整合接入回程技術來部署Verizon的5G網路服務,IAB基站通過使用毫米波頻譜上的無線鏈路連線,而無需部署光纖。

小結:

正如我們在上一篇文章當中所強調的,5G毫米波與Sub-6GHz技術並不是競爭關係,而是互補的關係。中國選擇優先部署sub-6GHz、美國選擇優先部署毫米波來組建5G網路,更多的是根據自身的實際情況和需求來做的選擇,並不能單純的理解為兩國在5G技術路線上的對抗,或者某些國家在選擇上的錯誤。

目前,中國在建設Sub-6GHz網路建設已經趨於完善的同時,對於5G毫米波的研究和早期部署也已經開始。 今年4月30日,工信部發布了《5G應用“揚帆”行動計劃(2021-2023年)》徵求意見稿,提出將“適時釋出5G毫米波頻率規劃,探索5G毫米波頻率使用許可實行招標制度”。

同樣,美國方面也在為Sub-6GHz網路的建設做準備。在去年,美國FCC投票通過了一項計劃,即美國政府用97億美元買回衛星公司使用的3.7GHz-4.2GHz頻譜,重新對電信公司拍賣,用於基於sub-6GHz頻段的5G網路建設。

另外,隨著動態頻譜共享(DSS)技術的應用,使得網路運營商可以在兩種不同的技術(如4G和5G)之間動態地共享頻譜,允許運營商將部分現有的4G LTE頻譜動態分配給5G。運營商只需通過軟體升級,即可以將當前的4G訊號塔轉換成4G/5G混合訊號塔。這也使得美國一些頻譜資源有限的運營商,比如AT&T和Verizon更願意通過此種方式來實現Sub-6GHz 5G網路的部署。

作者:芯智訊-浪客劍

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