摘要:全球5G网络频段主要分为Sub-6GHz和毫米波(mmWave)两大范围。中国目前主要发展的是基于Sub-6GHz频段的5G网络,而美国则主推的5G毫米波网络。此前网上有观点认为,这是中美两国在5G技术路线选择上的对抗。另有观点认为,美国的5G毫米波技术注定失败,中国已放弃5G毫米波。但是事实上并非如此。

5G毫米波与Sub-6GH之争,中美为何选择不同技术路线?-芯智讯

全球5G网络频段主要分为Sub-6GHz和毫米波(mmWave)两大范围。中国目前主要发展的是基于Sub-6GHz频段的5G网络,而美国则主推的5G毫米波网络。此前网上有观点认为,这是中美两国在5G技术路线选择上的对抗。另有观点认为,美国的5G毫米波技术注定失败,中国已放弃5G毫米波。但是事实上并非如此。

芯智讯在此前文章《Sub-6GHz网络全面铺开,中国为什么还要发展5G毫米波?》当中有详细介绍Sub-6GHz和毫米波这两种技术的优缺点,并指出这两者并不是竞争关系,而是互补关系,同时也介绍了中国在5G毫米波技术上的部署。

5G毫米波与Sub-6GH之争,中美为何选择不同技术路线?-芯智讯

5G毫米波频段拥有从24GHz到100GHz范围的超大带宽,使得其具有更高的上下行速率、更低时延和灵活弹性空口配置等独特的优势,可以有效满足未来无线通信对于系统容量、传输速率和差异化应用等需求。但是,5G毫米波也有着一些劣势,比如毫米波的信号大气中传播容易受氧气吸收、空气湿度、雨雪雾天气的影响,信号易衰减,同时毫米波信号的穿透力差,易受物体阻挡,而这些因素也进一步导致了毫米波信号覆盖范围小等问题。

相比5G毫米波,sub-6GHz虽然在高速率、低时延、海量连接等特性上要比5G毫米波频段弱,但是其在信号衰减、穿透力、覆盖范围等方面要更具优势。这也意味着,要想实现同样广泛的5G信号覆盖范围的情况下,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。

简单总结来说,可以sub-6GHz频段来可以实现更远的传输距离,实现5G网络的更广的覆盖,而5G毫米波频则适合对于高上下行速率、低时延、海量连接场等特性要求较高的景下的需求。

那么为何中国会选择优先部署Sub-6GHz网络,而美国则选择了部署毫米波网络呢?对于这个问题,我们需要从中国与美国不同的国情以及产业差异性上来分析。

人口密度差异带来的成本效益差异

中国虽然拥有960万平方公里的国土,但是却拥有14亿人口,除了西藏、内蒙、新疆等少数省份属于地广人稀之外,其他的省份的人口密度都不低。而美国国土面积为937万平方公里,人口只有约3.33亿人,人口密度只有中国的不到1/4。并且,美国的人口主要聚集在东西海岸及南部的少数州(主要是加利福尼亚州、德克萨斯州、佛罗里达州、纽约州和宾夕法尼亚州),广大的中部地区更可谓是地广人稀。

在此背景之下,中国选择Sub-6GHz频段能够更快的推动5G网络实现大范围覆盖,能够让更多的用户都能更快用上5G网络,有了更多的5G用户的支持,则可以加速推动5G技术的应用,显然这也更为符合经济效益。如果美国也先选择Sub-6GHz频段来做大范围的覆盖,即便是能够与中国一样的进行大规模的5G组网投入,那么其所能够覆盖的人群也只有不到中国的1/4,显然这笔账对他们来说是不划算的。

即使是原有的4G网络覆盖上,美国的运营商也主要是覆盖人口密集的区域,在人口稀疏的地区4G网络覆盖也较差。

因此,在5G的发展上,美国运营商选择优先发展毫米波频段,对美国主要城市的重点区域进行覆盖也不难理解。而且通过毫米波能够充分发挥5G特性,可实现单位基站支持更大数量的用户的高速率需求的接入。

光纤网络基础设施差异

正是由于美国地广人稀,再加上一些历史和美国国情的原因,美国的光纤部署程度远低于中国。研究数据显示,2019年,中国的光纤渗透率已高达86%(根据工信部最新数据显示,中国光纤接入用户占比已达到92%),美国仅为25%。而中国完善的光纤网络等基础设施,则有利于Sub-6GHz网络的部署。

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目前部署Sub-6GHz网络,大量的Sub-6GHz基站与核心网之间就需要大量的光纤连接,对于原本光纤网络基础设施就不完善美国运营商来说,这将是一笔巨大的投入。再加上美国的土地是私有制的,这也意味着在地下铺设一条光纤网络,需要与所有的在这条线路上的土地所有者进行商谈并达成协议,获得线路所经过位置的使用权。这也将会带来很大的建设成本上升,与部署时间的增加。(看过电影《蜂鸟计划》的应该不难理解)

国资主导vs.私企主导

中国的5G网络建设实际上是由国资主导的,主要由中国国有的四大运营商投资建设,其背后也都是由国家提供资金与政策支持,这也是一项“政治任务”。在巨大的资金投入和政策加持之下,中国的5G网络建设速度极快。截至今年一季度,中国已经建成了超过81.9万座5G基站。

而相比之下,美国三大运营商AT&T、Verizon、T-Mobile(已并购Sprint)都是私营企业,需要考虑投入产出,即便是有一定的政府补贴,也不可能像中国这样的进行大规模投入。资料显示,截至2020年底,美国建设的5G基站数量仅有不到5万个。根据之前T-Mobile公布的5G网络基站建设规划速度,其新增5G基站速度也仅有每月1000个。

频谱资源差异

美国目前sub-6GHz以下的频谱大部分掌握在美国政府、军方及卫星企业的手中。这也使得美国的运营商难以获得sub-6GHz以下的频谱,只能将选择将目光投向频谱资源更为宽裕的毫米波频段。

另外,中国政府是免费向四大运营商分配5G频谱,而对于美国运营商来说,即使是频谱资源相对丰富的毫米波频段,也都是需要斥巨资向政府购买。

去年FCC(美国联邦通信委员会)就宣布,它从用于5G的37GHz、39GHz和47GHz频谱的拍卖中获得了4,474,530,303美元收入。Verizon在该竞标中领先,赢得了4940个许可证,紧随其后的是AT&T(3267个许可证)、Dish Network(2651个许可证)和T-Mobile(2384个许可证)。

可以作为补充的LTE网络

早在2016年2月,高通就发布了骁龙X16 LTE调制解调器,这是全球首个千兆级LTE调制解调器,可以达到高达1Gbps的下行速度。2017年2月,高通又推出了骁龙X20基带,进一步将下行速率提升到了1.2Gbps。2017年9月,华为发布了麒麟970,其搭载的巴龙基带芯片支持1.2Gbps的最大下行速率,使得麒麟970成为了首款商用的支持1.2Gbps下行速率的手机芯片。

2018年2月,高通又发布了支持最高达2Gbps的下载速度的第三代千兆级LTE基带芯片骁龙X24。2018年8月底,华为发布了麒麟980处理器,首次集成了峰值下载速率高达1.4Gbps LET Cat.21的基带芯片。

在这些千兆级LTE芯片陆续推出的同时,全球千兆级LTE网络的建设也拉开了帷幕。2017年,全球第一张千兆LTE网络在澳大利亚商用。随后,从美国、加拿大、澳大利亚、日本、韩国、中国等全球25个国家、43家运营商铺开千兆级LTE网络建设或实验。比如美国Verizon的LTE-U, Sprint的HPDE,AT&T的 LTE-A网络(LTE-Advanced)以及T-Mobile的600MHz频谱LTE网络,都支持千兆级LTE。

但是随着2019年5G网络元年的开启,包括中国在内不少国家跳过了千兆级LTE网络建设,直接开启了5G网络的建设。

不过,从实际体验来看,千兆级LTE网络已经能够提供媲美Sub-6GHz 5G网络的体验。这也是为什么在2018年底,美国运营商AT&T直接将其千兆级LTE网络LTE-A (LTE-Advanced)直接重命名为“5G E”。当然AT&T的这番骚操作在当时也引发了外界的质疑。

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另外,从此前一些媒体基于国内Sub-6GHz的5G网络实际测试来看,实际的下行速率平均大都还是在1Gbps以下,某些运营商的5G网络在有些场景下还低于100Mbps。

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△图片来源:5G产业圈

毫米波器件成熟度差异

毫米波是属于高频波段,对于相应的5G基带芯片、射频器件及工艺有着更高的要求。而相对于美国来说,中国在中高频器件这块此前一直处于落后的地位。

比如在5G射频前端器件这块,目前主要也是被Skywork、Qorvo、Broadcomm(Avago)、muRata和高通的RF360所掌控。

目前中国大陆加上中国台湾,能够供应5G基带芯片的只有华为、紫光展锐和联发科,其中拥有支持毫米波的5G基带也只有华为和联发科,而能够供应部分5G射频器件的厂也只有飞骧科技等少数厂商。

同时,在制造工艺这块,目前主流的射频器件都以砷化镓(GaAs)为主,而毫米波则要用到氮化镓(GaN),目前国内在氮化镓工艺制造这块也是比较落后。因此中国选择优先发展sub-6GHz网络,也是符合国内5G产业发展需要的。

5G毫米波技术持续演进

目前5G毫米波技术仍在持续演进,正在逐步克服5G毫米波技术面临的缺点。

比如,在信号范围方面,可以利用空间分集技术、增加中继节点以及其他增程技术来说提高5G毫米波信号覆盖范围。

今年6月,诺基亚、高通技术公司和Uscellular就宣布,三方在商用网络下(基于28GHz(n261)频段),利用增程5G毫米波解决方案,在超过10千米的通信距离实现了毫米波覆盖的世界纪录:10千米的通信距离,平均下行速度约为1Gbps,上行速度接近57Mbps;在通信距离超过11.14千米处还实现了748Mbps的下行速率、56.78Mbps的上行速率。此项里程碑为在美国在农村等更广泛地区提供具有超大容量和低时延的增程5G毫米波网络服务铺平了道路。

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另外,5G毫米波网络可以实现自回传,无需借助于光纤网络与核心网的连接。

目前基于Sub-6GHz的5G网络,依然是需要依赖于传统的光纤回传方案,即每个5G基站与核心网之间都需要通过光纤连接,而这也极大的提升了部署成本。

而基于5G毫米波技术的IAB基站(Integrated Access and Backhaul,集成接入和回传一体化基站)可以通过无线的形式,借助其他5G毫米波基站作为中继节点,通过多跳功能,最终以无线传输的形式回传到核心网,这将极大的节省光纤的部署成本。而这也使得5G毫米波IAB基站能够支持更具成本效益的密集部署。

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5G毫米波网络可以实现自回传,无需光纤网络,就可现实5G毫米波IAB基站与核心网之间的数据传输,这对于美国运营商来说,无疑将可节省非常大的资金投入(不需要去买土地使用权,也不用去做更多的光纤部署了)。

去年7月,Verizon就和爱立信完成了一项概念验证试验,使用新的集成接入回程技术来部署Verizon的5G网络服务,IAB基站通过使用毫米波频谱上的无线链路连接,而无需部署光纤。

小结:

正如我们在上一篇文章当中所强调的,5G毫米波与Sub-6GHz技术并不是竞争关系,而是互补的关系。中国选择优先部署sub-6GHz、美国选择优先部署毫米波来组建5G网络,更多的是根据自身的实际情况和需求来做的选择,并不能单纯的理解为两国在5G技术路线上的对抗,或者某些国家在选择上的错误。

目前,中国在建设Sub-6GHz网络建设已经趋于完善的同时,对于5G毫米波的研究和早期部署也已经开始。今年4月30日,工信部发布了《5G应用“扬帆”行动计划(2021-2023年)》征求意见稿,提出将“适时发布5G毫米波频率规划,探索5G毫米波频率使用许可实行招标制度”。

同样,美国方面也在为Sub-6GHz网络的建设做准备。在去年,美国FCC投票通过了一项计划,即美国政府用97亿美元买回卫星公司使用的3.7GHz-4.2GHz频谱,重新对电信公司拍卖,用于基于sub-6GHz频段的5G网络建设。

另外,随着动态频谱共享(DSS)技术的应用,使得网络运营商可以在两种不同的技术(如4G和5G)之间动态地共享频谱,允许运营商将部分现有的4G LTE频谱动态分配给5G。运营商只需通过软件升级,即可以将当前的4G信号塔转换成4G/5G混合信号塔。这也使得美国一些频谱资源有限的运营商,比如AT&T和Verizon更愿意通过此种方式来实现Sub-6GHz 5G网络的部署。

作者:芯智讯-浪客剑