5G毫米波與Sub-6GH之爭，中美為何選擇不同路線？
全球5G網(wǎng)絡(luò)頻段主要分為Sub-6GHz和毫米波（mmWave）兩大范圍。中國目前主要發(fā)展的是基于Sub-6GHz頻段的5G網(wǎng)絡(luò)，而美國則主推的5G毫米波網(wǎng)絡(luò)。此前網(wǎng)上有觀點(diǎn)認(rèn)為，這是中美兩國在5G技術(shù)路線選擇上的對抗。另有觀點(diǎn)認(rèn)為，美國的5G毫米波技術(shù)注定失敗，中國已放棄5G毫米波。但是事實(shí)上并非如此。
芯智訊在此前文章《Sub-6GHz網(wǎng)絡(luò)全面鋪開，中國為什么還要發(fā)展5G毫米波？》當(dāng)中有詳細(xì)介紹Sub-6GHz和毫米波這兩種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，并指出這兩者并不是競爭關(guān)系，而是互補(bǔ)關(guān)系，同時(shí)也介紹了中國在5G毫米波技術(shù)上的部署。
5G毫米波頻段擁有從24GHz到100GHz范圍的超大帶寬，使得其具有更高的上下行速率、更低時(shí)延和靈活彈性空口配置等獨(dú)特的優(yōu)勢，可以有效滿足未來無線通信對于系統(tǒng)容量、傳輸速率和差異化應(yīng)用等需求。但是，5G毫米波也有著一些劣勢，比如毫米波的信號大氣中傳播容易受氧氣吸收、空氣濕度、雨雪霧天氣的影響，信號易衰減，同時(shí)毫米波信號的穿透力差，易受物體阻擋，而這些因素也進(jìn)一步導(dǎo)致了毫米波信號覆蓋范圍小等問題。
相比5G毫米波，sub-6GHz雖然在高速率、低時(shí)延、海量連接等特性上要比5G毫米波頻段弱，但是其在信號衰減、穿透力、覆蓋范圍等方面要更具優(yōu)勢。這也意味著，要想實(shí)現(xiàn)同樣廣泛的5G信號覆蓋范圍的情況下，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(jié)來說，可以sub-6GHz頻段來可以實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的傳輸距離，實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)的更廣的覆蓋，而5G毫米波頻則適合對于高上下行速率、低時(shí)延、海量連接場等特性要求較高的景下的需求。
那么為何中國會選擇優(yōu)先部署Sub-6GHz網(wǎng)絡(luò)，而美國則選擇了部署毫米波網(wǎng)絡(luò)呢？對于這個(gè)問題，我們需要從中國與美國不同的國情以及產(chǎn)業(yè)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(nèi)蒙、新疆等少數(shù)省份屬于地廣人稀之外，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。并且，美國的人口主要聚集在東西海岸及南部的少數(shù)州（主要是加利福尼亞州、德克薩斯州、佛羅里達(dá)州、紐約州和賓夕法尼亞州），廣大的中部地區(qū)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(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)大范圍覆蓋，能夠讓更多的用戶都能更快用上5G網(wǎng)絡(luò)，有了更多的5G用戶的支持，則可以加速推動5G技術(shù)的應(yīng)用，顯然這也更為符合經(jīng)濟(jì)效益。如果美國也先選擇Sub-6GHz頻段來做大范圍的覆蓋，即便是能夠與中國一樣的進(jìn)行大規(guī)模的5G組網(wǎng)投入，那么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劃算的。
即使是原有的4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋上，美國的運(yùn)營商也主要是覆蓋人口密集的區(qū)域，在人口稀疏的地區(qū)4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋也較差。
因此，在5G的發(fā)展上，美國運(yùn)營商選擇優(yōu)先發(fā)展毫米波頻段，對美國主要城市的重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行覆蓋也不難理解。而且通過毫米波能夠充分發(fā)揮5G特性，可實(shí)現(xiàn)單位基站支持更大數(shù)量的用戶的高速率需求的接入。
光纖網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施差異
正是由于美國地廣人稀，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(yuǎn)低于中國。研究數(shù)據(jù)顯示，2019年，中國的光纖滲透率已高達(dá)86%（根據(jù)工信部最新數(shù)據(jù)顯示，中國光纖接入用戶占比已達(dá)到92%），美國僅為25%。而中國完善的光纖網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施，則有利于Sub-6GHz網(wǎng)絡(luò)的部署。
目前部署Sub-6GHz網(wǎng)絡(luò)，大量的Sub-6GHz基站與核心網(wǎng)之間就需要大量的光纖連接，對于原本光纖網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施就不完善美國運(yùn)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(shè)一條光纖網(wǎng)絡(luò)，需要與所有的在這條線路上的土地所有者進(jìn)行商談并達(dá)成協(xié)議，獲得線路所經(jīng)過位置的使用權(quán)。這也將會帶來很大的建設(shè)成本上升，與部署時(shí)間的增加。（看過電影《蜂鳥計(jì)劃》的應(yīng)該不難理解）
國資主導(dǎo)vs.私企主導(dǎo)
中國的5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)實(shí)際上是由國資主導(dǎo)的，主要負(fù)責(zé)投資建設(shè)的也是中國國有的四大運(yùn)營商，其背后也都是由國家在提供資金與政策支持，這也是一項(xiàng)“政治任務(wù)”。在巨大的資金投入和政策加持之下，中國的5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)速度極快。截至今年一季度，中國已經(jīng)建成了超過81.9萬座5G基站。
而相比之下，美國三大運(yùn)營商AT＆T、Verizon、T-Mobile（已并購Sprint）都是私營企業(yè)，需要考慮投入產(chǎn)出，即便是有一定的政府補(bǔ)貼，也不可能像中國這樣的進(jìn)行大規(guī)模投入。資料顯示，截至2020年底，美國建設(shè)的5G基站數(shù)量僅有不到5萬個(gè)。根據(jù)之前T-Mobile公布的5G網(wǎng)絡(luò)基站建設(shè)規(guī)劃速度，其新增5G基站速度也僅有每月1000個(gè)。
頻譜資源差異
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(wèi)星企業(yè)的手中。這也使得美國的運(yùn)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(fèi)向四大運(yùn)營商分配5G頻譜，而對于美國運(yùn)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(lián)邦通信委員會)就宣布，它從用于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(biāo)中領(lǐng)先，贏得了4940個(gè)許可證，緊隨其后的是AT&T(3267個(gè)許可證)、Dish Network(2651個(gè)許可證)和T-Mobile(2384個(gè)許可證)。
可以作為補(bǔ)充的LTE網(wǎng)絡(luò)
早在2016年2月，高通就發(fā)布了驍龍X16 LTE調(diào)制解調(diào)器，這是全球首個(gè)千兆級LTE調(diào)制解調(diào)器，可以達(dá)到高達(dá)1Gbps的下行速度。2017年2月，高通又推出了驍龍X20基帶，進(jìn)一步將下行速率提升到了1.2Gbps。2017年9月，華為發(fā)布了麒麟970，其搭載的巴龍基帶芯片支持1.2Gbps的最大下行速率，使得麒麟970成為了首款商用的支持1.2Gbps下行速率的手機(jī)芯片。
2018年2月，高通又發(fā)布了支持最高達(dá)2Gbps的下載速度的第三代千兆級LTE基帶芯片驍龍X24。2018年8月底，華為發(fā)布了麒麟980處理器，首次集成了峰值下載速率高達(dá)1.4Gbps LET Cat.21的基帶芯片。
在這些千兆級LTE芯片陸續(xù)推出的同時(shí)，全球千兆級LTE網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)也拉開了帷幕。2017年，全球第一張千兆LTE網(wǎng)絡(luò)在澳大利亞商用。隨后，從美國、加拿大、澳大利亞、日本、韓國、中國等全球25個(gè)國家、43家運(yùn)營商鋪開千兆級LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)或?qū)嶒?yàn)。比如美國Verizon的LTE-U, Sprint的HPDE，AT&T的 LTE-A網(wǎng)絡(luò)(LTE-Advanced)以及T-Mobile的600MHz頻譜LTE網(wǎng)絡(luò)，都支持千兆級LTE。
但是隨著2019年5G網(wǎng)絡(luò)元年的開啟，包括中國在內(nèi)不少國家跳過了千兆級LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，直接開啟了5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。
不過，從實(shí)際體驗(yàn)來看，千兆級LTE網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)能夠提供媲美Sub-6GHz 5G網(wǎng)絡(luò)的體驗(yàn)。這也是為什么在2018年底，美國運(yùn)營商AT&T直接將其千兆級LTE網(wǎng)絡(luò)LTE-A (LTE-Advanced)直接重命名為“5G E”。當(dāng)然AT&T的這番騷操作在當(dāng)時(shí)也引發(fā)了外界的質(zhì)疑。
另外，從此前一些媒體基于國內(nèi)Sub-6GHz的5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)際測試來看，實(shí)際的下行速率平均大都還是在1Gbps以下，某些運(yùn)營商的5G網(wǎng)絡(luò)在有些場景下還低于100Mbps。
△圖片來源：5G產(chǎn)業(yè)圈
毫米波器件成熟度差異
毫米波是屬于高頻波段，對于相應(yīng)的5G基帶芯片、射頻器件及工藝有著更高的要求。而相對于美國來說，中國在中高頻器件這塊此前一直處于落后的地位。
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(yīng)5G基帶芯片的只有華為、紫光展銳和聯(lián)發(fā)科，其中擁有支持毫米波的5G基帶也只有華為和聯(lián)發(fā)科，而能夠供應(yīng)部分5G射頻器件的廠也只有飛驤科技等少數(shù)廠商。
同時(shí)，在制造工藝這塊，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(nèi)在氮化鎵工藝制造這塊也是比較落后。因此中國選擇優(yōu)先發(fā)展sub-6GHz網(wǎng)絡(luò)，也是符合國內(nèi)5G產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要的。
5G毫米波技術(shù)持續(xù)演進(jìn)
目前5G毫米波技術(shù)仍在持續(xù)演進(jìn)，正在逐步克服5G毫米波技術(shù)面臨的缺點(diǎn)。
比如，在信號范圍方面，可以利用空間分集技術(shù)、增加中繼節(jié)點(diǎn)以及其他增程技術(shù)來說提高5G毫米波信號覆蓋范圍。
今年6月，諾基亞、高通技術(shù)公司和Uscellular就宣布，三方在商用網(wǎng)絡(luò)下（基于28GHz（n261）頻段），利用增程5G毫米波解決方案，在超過10千米的通信距離實(shí)現(xiàn)了毫米波覆蓋的世界紀(jì)錄：10千米的通信距離，平均下行速度約為1Gbps，上行速度接近57Mbps；在通信距離超過11.14千米處還實(shí)現(xiàn)了748Mbps的下行速率、56.78Mbps的上行速率。此項(xiàng)里程碑為在美國在農(nóng)村等更廣泛地區(qū)提供具有超大容量和低時(shí)延的增程5G毫米波網(wǎng)絡(luò)服務(wù)鋪平了道路。
另外，5G毫米波網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)自回傳，無需借助于光纖網(wǎng)絡(luò)與核心網(wǎng)的連接。
目前基于Sub-6GHz的5G網(wǎng)絡(luò)，依然是需要依賴于傳統(tǒng)的光纖回傳方案，即每個(gè)5G基站與核心網(wǎng)之間都需要通過光纖連接，而這也極大的提升了部署成本。
而基于5G毫米波技術(shù)的IAB基站(Integrated Access and Backhaul，集成接入和回傳一體化基站)可以通過無線的形式，借助其他5G毫米波基站作為中繼節(jié)點(diǎn)，通過多跳功能，最終以無線傳輸?shù)男问交貍鞯胶诵木W(wǎng)，這將極大的節(jié)省光纖的部署成本。而這也使得5G毫米波IAB基站能夠支持更具成本效益的密集部署。
5G毫米波網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)自回傳，無需光纖網(wǎng)絡(luò)，就可現(xiàn)實(shí)5G毫米波IAB基站與核心網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，這對于美國運(yùn)營商來說，無疑將可節(jié)省非常大的資金投入（不需要去買土地使用權(quán)，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(xiàng)概念驗(yàn)證試驗(yàn)，使用新的集成接入回程技術(shù)來部署Verizon的5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，IAB基站通過使用毫米波頻譜上的無線鏈路連接，而無需部署光纖。
小結(jié)：
正如我們在上一篇文章當(dāng)中所強(qiáng)調(diào)的，5G毫米波與Sub-6GHz技術(shù)并不是競爭關(guān)系，而是互補(bǔ)的關(guān)系。中國選擇優(yōu)先部署sub-6GHz、美國選擇優(yōu)先部署毫米波來組建5G網(wǎng)絡(luò)，更多的是根據(jù)自身的實(shí)際情況和需求來做的選擇，并不能單純的理解為兩國在5G技術(shù)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(shè)Sub-6GHz網(wǎng)絡(luò)建設(shè)已經(jīng)趨于完善的同時(shí)，對于5G毫米波的研究和早期部署也已經(jīng)開始。今年4月30日，工信部發(fā)布了《5G應(yīng)用“揚(yáng)帆”行動計(jì)劃（2021-2023年）》征求意見稿，提出將“適時(shí)發(fā)布5G毫米波頻率規(guī)劃，探索5G毫米波頻率使用許可實(shí)行招標(biāo)制度”。
同樣，美國方面也在為Sub-6GHz網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)做準(zhǔn)備。在去年，美國FCC投票通過了一項(xiàng)計(jì)劃，即美國政府用97億美元買回衛(wèi)星公司使用的3.7GHz-4.2GHz頻譜，重新對電信公司拍賣，用于基于sub-6GHz頻段的5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。
另外，隨著動態(tài)頻譜共享(DSS)技術(shù)的應(yīng)用，使得網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商可以在兩種不同的技術(shù)（如4G和5G）之間動態(tài)地共享頻譜，允許運(yùn)營商將部分現(xiàn)有的4G LTE頻譜動態(tài)分配給5G。運(yùn)營商只需通過軟件升級，即可以將當(dāng)前的4G信號塔轉(zhuǎn)換成4G/5G混合信號塔。這也使得美國一些頻譜資源有限的運(yùn)營商，比如AT&T和Verizon更愿意通過此種方式來實(shí)現(xiàn)Sub-6GHz 5G網(wǎng)絡(luò)的部署。
作者：芯智訊-浪客劍
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