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5G网络通信行业研究报告

发布日期:
2018-08-21
浏览量:
78435


一、 提供极致体验,5G 标准及研发加速推进 
1.1 新应用场景的需求是5G 核心驱动力 
自20 世纪80 年代以来,通信系统经过了30 多年的发展,随着4G 商用逐渐成熟,面向2020 年及未来的第五代移动通信(5G)已成为全球的研发热点。5G 并非仅来源于技术自身的更迭,金准数据大数据中心专家表示更重要的是移动互联网和物联网等业务的发展,在不同场景下对多种通信业务都产生了现实的极致体验需求。5G 移动通信系统将能解决例如高流量密度、高连接数、高移动性等各类场景下的通信需求,用户体验速率、流量密度、时延、能效和连接数是不同场景下可能的挑战性指标。5G 愿景从主要应用场景、业务需求与挑战出发,归纳出连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠四个主要技术场景。 
依据中国IMT-2020(5G)推进组的《5G 概念白皮书》,连续广域覆盖和热点高容量主要为了满足2020 年及未来的移动互联网业务需求。连续广域覆盖场景以保证用户的移动性和业务连续性为目标,为用户提供无缝的高速业务体验,随时随地为用户提供100Mbps 以上的体验速率;热点高容量场景面向局部热点区域,为用户提供极高数据传输速率,满足极高流量密度需求,达到1Gbps 的用户体验速率、数十Gbps 峰值速率和数十Tbps/ km2的流量密度。 
低功耗大连接和低时延高可靠主要面向物联网业务,低功耗大连接场景包括智慧城市、环境监测、智能农业等场景,具有数据包小、功耗低、海量连接等特点。这类场景要求网络具备超千亿连接的支持能力,满足100 万/km2连接数密度指标,还要保证终端的超低功耗和超低成本。低时延高可靠场景主要面向车联网、工业控制等垂直行业特殊应用需求,需要为用户提供毫秒级的端到端时延和接近100%的业务可靠性保证。 
1.2 网络性能八大指标提供全新极致体验 
金准数据深度学习中心专家表示为了满足应用场景的实际需求,ITU 和IMT-2020 工作组对5G 网络的关键能力指标给出了具体要求。5G 网络在八大性能指标方面相较于现有网络有大幅提升。相较于4G 网络,体验速率提升100 倍,峰值速率达到20 倍,空口时延1/20,频谱效率提升3-10 倍,连接密度10 倍。具体指标峰值速率要达到20Gbps、用户体验速率达到1Gbps、支持终端移动性达到500km/h,时延达到1 毫秒等。 
移动通信技术经历了3G 时代的三大主要标准(TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000)、4G 时代两大主要标准共存(TDD-LTE、FDD- LTE),到5G 时代有望实现通信标准的全球统一,移动通信每十年出现新一代技术,通过关键技术的引入,实现频谱效率和容量和成倍提升,推动新的业务类型不断涌现。随着4G 在全球范围内规模商用,5G 已成为全球业界的研发焦点,制定全球统一5G 标准已经成为业界共识。 
1.3 标准和研发快速推进,力争2020 年商用 
国际电信联盟ITU 管辖的ITU-R 成立WP5D 特殊小组负责5G 工作,制定网络需求和指标,评估5G 技术,2015 年10 月,ITU-R 正式确定由中国方面建议的5G 法定名称“IMT-2020”,并批准了三项有利于推进5G 研究进程的决议。国际标准组织包括3GPP 和IEEE 等对5G 标准制定进行具体推进工作,3GPP 目前在推进5G 计划标准制定方面占据主要地位,IEEE 主要提供的是基于802.11ax等无线技术接入5G 系统的方案。各国推进组负责为标准组织提供具体的技术文档和白皮书,我国5G 主要标准     机构为IMT-2020(5G)工作组,于2013 年2 月由我国工信部、发改委、科技部联合推动成立,是联合产学研、推动5G 技术研究和国家交流合作的基础工作平台,已完成发表《5G概念白皮书》、《5G 网络架构设计白皮书》等工作,并组织国内三个阶段的5G 方案研发试验工作。 
图1:3GPP 5G 标准制定时间表及中国 IMT-2020 工作组研发试验计划 
 
我国IMT-2020 工作组对5G 试验主要分为两步实施,第一步是2015-2018 年的技术研发试验阶段,由中国信息通信研究院牵头组织,运营企业、设备企业及科研机构共同参与,第二步是2018-2020年的产品研发阶段,由国内运营企业牵头组织,设备企业及科研机构共同参与实施。当前的技术研发试验阶段具体划分为三个阶段,分别为关键技术验证(2015.9-2016.9),进行单点关键技术样机性能测试;技术方案验证(2016.6-2017.9),融合多种关键技术,开展单基站性能测试;系统验证(2017.6-2018.10)进行5G 系统的组网技术性能测试和典型业务演示。 
二、 5G 移动通信系统关键技术的革新趋势 
2.1 关键技术革新主要体现在无线传输和无线网络 
金准数据大数据中心专家解释说参考东南大学移动通信国家重点实验室、工信部电信研究院和中国工程院的学者于2014 年发表在《中国科学》上的论文(尤肖虎,潘志文,高西奇等.5G 移动通信发展趋势与若干关键技术.中国科学:信息科学,2014),5G 移动通信标志性的关键技术主要体现在超高效能的无线传输技术和高密度无线网络(high density wireless network) 技术。其中基于大规模MIMO 的无线传输技术将有可能使频谱效率和功率效率在4G 的基础上再提升一个量级。超密集网络(ultra dense network, UDN) 已引起业界的广泛关注,网络协同与干扰管理将是提升高密度无线网络容量的核心关键问题。体系结构变革是新一代无线移动通信系统发展的主要方向。现有的扁平化SAE/LTE (system architecture evolution/long term evolution) 体系结构促进了移动通信系统与互联网的高度融合,高密度、智能化、可编程代表了未来移动通信演进的进一步发展趋势,而内容分发网络(CDN) 向核心网络的边缘部署,可有效减少网络访问路由的负荷,并显著改善移动互联网用户的业务体验。 
综合无线传输和无线网络上的关键技术,5G 网络技术和变革主要表现在以下方向(由于5G 标准尚未最终确定,本报告内容基于现有研究,探讨未来可能的技术趋势),包括:Massive MIMO 大规模天线阵列、超密集组网、高级编码技术、新多址技术、多载波技术、毫米波技术、自组织网络、移动边缘计算、软件定义网络和网络虚拟化(SDN/NFV)等。关键技术主要涉及无线传输和网络架构两个方面,将对相关产业造成不同程度的影响,也为积累相关技术、规模优势和优秀商业模式的企业带来新的机遇。 
2.2 大规模多输入多输出天线(Massive MIMO) 
MIMO 技术已经广泛应用于LTE、WIFI 等领域,理论上天线越多,频谱效率和传输可靠性就会越高。3D-MIMO 技术在原有的MIMO 基础上增加了垂直维度,使得波束在空间上可以三维赋型,可避免相互之间的干扰。4G 移动通信时代基站天线支持4x4 MIMO,下行峰值速率100Mbps,LTE-A 最多支持8x8 MIMO,下行峰值速率达到1Gbps。 
MIMO 技术为实现在高频段上进行移动通信提供了广阔前景,可以成倍提升无线频谱效率,增强网络覆盖和系统容量,帮助运营商最大限度利用已有站址和频谱资源。从理论角度,假设有一个20 平方厘米的天线物理平面,如果天线以0.5λ的间距排列,那么如果工作频段在3.5GHz,可以部署16根天线,而如果频段在10GHz,可以部署169 根天线,如果在20GHz,则可以部署676 根天线。 
传统MIMO 技术到5G 时代已不能满足呈指数上涨的无线数据需求,2010 年底,贝尔实验室科学家Thomas L.Marzetta 提出了大规模MIMO,也叫Massive MIMO 的概念。Massive MIMO 技术指基站天线数目庞大,而用户终端采用单天线接收的通信方式,作为目前移动通信系统一种平滑的过渡方式,通过对基站的改造,提高系统的频谱利用率。和LTE 相比,同样占用20MHz 的带宽,MassiveMIMO 的小区吞吐率可以达到1200Mbit/s,频率利用率达到了60Bit/s/Hz/小区。 
图2:瑞典德隆大学大规模天线试验系统 
 
Massive MIMO的应用场景包括中心式天线系统和分布式天线系统。中心式天线系统适用于宏蜂窝小区,中心基站使用大规模天线,微小区为大部分用户提供服务,而大规模天线基站为微小区范围以外的用户提供服务,同时对微小区进行控制调度。分布式天线系统大规模天线分布在区域联合处理(C-RAN),适用于高用户密度或者室内场景。 
当基站的天线数趋近于无穷时,信道容量应该无限大,但是在实际应用的场景中并不成立。唯一限制因素就是导频污染(Pilot Contamination),导频污染问题产生的主要原因是在上行信道估计中,相邻小区的用户发送的训练序列非正交,到基站端进行信道估计的结果并非本地用户和基站之间的信道,而是被其他小区的用户发送的训练序列污染之后的估计。目前并没有很有效的方法可以完全消除导频污染。Massive MIMO 技术的应用面临主要的挑战还包括如何使用更少的天线数而非无穷多的天线来获取更高系统容量,如何设计更复杂有效的预编码机制,如何进行大规模天线单元及阵列设计以满足低能耗的需求,以及研制适合Massive MIMO 的较高并行计算需求的数据处理芯片。 
2.3 超密集组网(Ultra Dense Network) 
超密集组网通过增加单位面积内小基站的密度,并通过在异构网络中引入超大规模低功率节点实现热点增强、消除盲点、改善网络覆盖、提高系统容量。通过超密集组网可以满足热点地区500-1000倍的流量增长需求,达到几十Tbps/km2,100 万连接/km2,1Gbps 用户体验速率。应用场景包括密集街区、密集住宅、办公室、公寓、大型集会、体育场等区域。 
异构网络(HetNet)将是应对未来数据流量陡增,满足容量增长需求的主要途径。在宏蜂窝网络层中,运营商可通过布放大量低功率的微蜂窝(Microcell)、微微蜂窝(Picocell)、毫微微蜂窝(Femtocell)等非标准六边形蜂窝接入点,形成低功率节点层,大量重用系统已有频谱资源,增强总的等效功率资源,并有针对性地按需部署、就近接入,来满足热点地区对容量的需求。对于异构网络的建设,面临的挑战主要包括:(1)需要多种产品和解决方案的支持。针对话务热点和深度覆盖盲区,通过建设室内覆盖系统、室外的微蜂窝基站来吸收话务,比如小基站。对于话务和数据热点重合的应用场景,集成Picocell+WiFi 产品有利于分流。(2)对低功率小基站进行部署需要精准的热点发现。由于微蜂窝的覆盖面积相对较小,针对热点和盲区的精确布放尤为重要,否则将大大降低小基站的覆盖效率和分流效果。(3)需要完善的网络规划和优化做保证。立体分层网络在覆盖和干扰形式上变得复杂,在频率规划、小区选择与切换机制等方面给系统带来了挑战。(4)网络需要具有SON 自组织功能,使小基站具有自规划、自配置、自优化以及自修复等能力,有效降低运维成本,提高运营效率。 
2.4 新编码技术(Rolar 码、LDPC 码) 
通信编码技术涉及信源编码和信道编码两类,信源编码是对输入信息进行编码,优化信息和压缩信息并且转化为符合标准的数据包,作用一是设法减少码元数目和降低码元速率,即数据压缩,作用二是将信源的模拟信号转化为数字信号以实现模拟信号的数字化传输。信源编码在现代通信应用中常见的包括Huffman 编码、算术编码、L-Z 编码等。信道编码也叫差错控制编码,是在发送端对原数据添加冗余信息,再在接收端根据这种相关性的冗余信息来检测和纠正传输过程中产生的差错。 
图3:通信信号传输模型 
 
1948 年,香农发表《通信的数学理论》,根据香农定理,要想在一个带宽确定而存在噪声的信道里可靠地传送信号实现路径包括加大信噪比或者在信号编码中加入附加纠错码。差错控制编码方案历史上出现了Hamming 码、Golay 码、卷积码、Turbo 码、LDPC 码等,Turbo 码与LDPC 码具有逼近香农极限的性能,能很好满足3G、4G 通信的需求,但由于两者各有优缺点,满足全部5G 应用并不现实。Polar 码是2007 年由土耳其比尔肯大学教授E.Arikan 基于信道极化理论提出的一种线性信道编码方法,能达到香农极限,并且具有较低的编译码复杂度,但由于出现较晚,在实际场景中没有Turbo 码和LDPC 码应用广泛,产业链也较为不成熟。2016 年11 月,3GPP RAN1 87 次会议确定了5G eMBB(增强移动宽带)场景下的信道编码方案:数据通道为LDPC 码,控制通道为Polar极化码。 
目前在各信道编码方案的推动厂商方面,Turbo 码主要推动方为爱立信、Orange 等欧洲厂商,LDPC码主要为高通、诺基亚、Intel、三星,而Polar 码主要推动与支持厂商大多为中国厂商,包括华为、中兴、烽火、大唐、中国移动、中国电信、中国联通、宏碁、海能达、联想等。由于主推动厂商在编码方案的硬件与软件实现方面前期投入了大量研发,具备先行优势,一旦进入通信标准,将十分有益于主推动厂商在专利许可、产品性能方面占据先导优势,相关支持厂商也能因此获益。 
信道编码方案涉及到主要通信产品为基带处理单元,在基带处理单元中编码器和译码器是主要组成部分,编码译码占据了基带芯片近70%的资源和功耗。我们认为在信道编码方案中有前期研发投入积累的厂商,不仅能够提高自身产品的性能,扩大市场份额,也能够利用专利授权获取收益。从2015年LTE 市场的基带芯片生产商和消费商来看,高通仍然占据市场份额第一的位置,为68.8%,联发科位列第二位,为13.8%,华为海思市场份额位列第五,仅为3.3%,展讯位列第七,为2.0%。中国厂商在基带芯片市场的占有率与高通的差距仍然很大。在基带芯片市场的追赶不仅依靠制造工艺,更需要核心通信标准专利方面的积累。我国厂商主推的Polar 码信道编码方案进入5G 标准是我国第一次在核心通信标准上实现突破,其意义不仅对于主推动厂商华为形成利好,整个通信产业链上的支持厂商包括芯片、软件、设备、终端、测试、运营商等都将受益。 
2.5非正交多址接入技术(NOMA) 
在无线通信系统中,多用户同时通过同一个基站和其他用户进行通信,必须对不同用户和基站发出的信号赋予不同特征,这些特征使基站从众多手机发射的信号中,区分出是哪一个用户的手机发出来的信号,各用户的手机能在基站发出的信号中,识别出哪一个是发给自己的信号。对这些特征进行定义区分的方式就需使用多址技术寻址。移动通信多址技术分为频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)、空分多址(SDMA)等。 
3G移动通信时代采用的是直接序列码分多址(DS-CDMA)技术,手机接收端使用Rake接收器,必须使用快速功率控制(TPC)来解决非正交特性带来的手机和小区之间的远近问题。4G网络采用的是正交频分多址(OFDM)技术,不但可以克服多径干扰,而且和MIMO技术配合,极大提高了数据速率,TPC被舍弃,采用自适应编码(AMC)来实现链路自适应。NOMA技术仍使用3G时代非正交多用户复用原理,并融合在现在的OFDM技术之中,NOMA在时域、频域、码域之外增加了一个功率域维度,目的是为了利用每个用户不同的路径损耗来实现多用户复用。 
运用NOMA 多址技术,接收端需要加装一个持续干扰消除(SIC),通过SIC 加上信道编码,就可以实现在接收端区分出不同用户的信号。NOMA 技术的优势在于能够利用不同路径损耗差异来对多路信号叠加,提高信号增益,不仅能让同一小区内的所有移动设备获得最大可接入带宽,还可以解决大规模连接带来的网络挑战。另外,NOMA 无需知道每个信道的状态信息(CSI),进而便于在高速移动场景下获得更好性能。 
2.6基于滤波器组的多载波技术(FBMC) 
OFDM在频谱效率、对抗多径衰落、低实现复杂度方面具备优势,但是也存在很多不足之处。比如需要插入循环前缀以对抗多径衰落,对载波频偏敏感性高,方波的基带波形载波旁瓣较大使得相邻载波之间的干扰比较严重。基于滤波器组的多载波(FBMC)被认为是解决以上问题的有效手段。 
滤波器组技术起源于20世纪70年代,在FBMC技术中,发送端通过合成滤波器组来实现多载波调制,接收端通过分析滤波器组来实现多载波解调。合成滤波器组和分析滤波器组由一组并行的成员滤波器构成,各个成员滤波器都是由原型滤波器经载波调制而得到的调制滤波器。由于在FBMC技术中多载波性能取决于原型滤波器的设计和调制滤波器的设计,而为了满足特定频率响应特性要求,硬件实现的复杂度高,对于FBMC技术来说,发展符合5G要求的滤波器组快速实现算法是一项重要的方向和趋势。 
2.7 高频段毫米波相关技术 
受6GHz 以下频段资源有限,以及5G 超高速率和大容量通信对大带宽频段资源需求的双重影响,5G 移动通信需要开发未利用的频段资源,6GHz 以上高频段资源是比较理想的选择。5G 无线技术由5G 高频段新空口和低频段新空口两部分组成,低频空口应用于广域覆盖、热点覆盖、低功耗大连接、低时延高可靠场景,高频段新空口联合低频空口将重点用于热点覆盖场景。美国联邦通信委员会(FCC)已于2015 年10 月发布了拟议规范公告,针对28GHz、37GHz、39 GHz、64-71GHz 频带提出了全新且灵活的服务规则。日本NTT 也已提议将3.5 GHz、4.5 GHz 和28 GHz频段作为5G 服务的潜在备选频段。我国开展的5G 技术研发试验阶段确定的是3.4-3.6GHz,在技术研发试验第三阶段开始将会确定考虑增加低频频段,同时引入6-100 GHz 的高频段。在高频通信这一重点技术领域,各大厂商都在进行研发试验测试,在我国5G 试验中,爱立信完成15 GHz、华为完成73 GHz、中兴完成了15 GHz 的高频段测试。 
毫米波应用于移动通信系统存在三个主要的障碍。一是相较于传统的3GHz 以下的频带,在毫米波频段的信号路径衰减相对较高;二是毫米波频段的电磁波易于在视线范围内传播,这容易导致无线链路容易被移动的物体或者人阻挡;三是毫米波频段的信号在穿过建筑物的时候,穿透衰减相对比较严重,容易发生室外无线接入系统在室内用户使用时产生阻断的现象。 
尽管存在这些障碍,毫米波通信仍存在很多的优点。在毫米波的频段有大量的可用频谱,比如在60GHz 频段,有9GHz 的未授权频谱可以使用。毫米波通信的其他优点还包括更小的天线尺寸和更小的波长,这将允许在一平方厘米的平面上可以放置10 个天线单元,这种特性可以使在相对小的区域完成很高的波束赋型增益。结合智能相控阵天线,可以充分利用无线信道的空间自由度,进而进一步提高系统容量,并且随着移动终端的移动,波束赋形的权重可以自适应的调整,从而使天线的波束始终指向基站。 
2.8 自组织网络(SON) 
金准数据大数据中心专家表示,传统移动通信网络中,网络部署和运维基本依靠人工方式来完成,给运营商带来巨大运行成本。由NGMN(next generation mobile network)联盟中的运营商主导,联合主要的设备制造商提出了自组织网络Self-Organising Network(SON)的概念。SON 的思路是在网络中引入自组织能力,包括自配置、自优化、自愈合等,实现网络规划、部署、维护、优化和排障等各个环节的自动进行,最大限度地减少人工干预。 
由于5G 网络采用了复杂的无线传输技术和无线网络架构,网络管理远比现有网络复杂,SON 将成为5G 的一项重要技术。例如在小基站数量快速增加的情况下,邻区干扰、用户移动的平滑性、无线资源调配等这些问题都需要小基站自己完成设置和优化。5G 采用大规模MIMO 无线传输技术使得空间自由度大幅增加,带来天线选择、协作节点优化、波束选择等方面的灵活性,这些都是SON技术重要的应用方向。 
2.9 移动边缘计算(MEC)与SDN/NFV 技术 
由欧洲电信标准协会ETSI 提出的移动边缘计算(Mobile Edge Computing,MEC)是基于5G 演进的架构,将移动接入网与互联网业务深度融合的一种技术。MEC 可改善用户体验,节省带宽资源,并通过将计算能力下沉到移动边缘节点,提供第三方应用集成,为移动边缘入口的服务创新提供可能。 
2016 年11 月30 日首届边缘计算产业峰会上,我国边缘计算产业联盟宣布成立。该联盟由华为技术、中国科学院沈阳自动化研究所、中国信息通信研究院、英特尔、ARM 和软通动力6 家单位联合发起。而在德国慕尼黑召开的第二届全球移动边缘计算大会上,凭借室内外联合精准定位的移动大数据服务商用部署,华为和中国移动荣获最具潜力MEC 商用大奖,标志着基于Small Cell 的MEC 创新应用生态进一步走向成熟。MEC 目前在资源下沉的位置方面可以下沉到基站、可以下沉到P-GW,也可以将CDN 下沉成为MEC 服务器。MEC 设备也将对包括网络功能虚拟化(Network Function Virtualization,NFV)和软件定义网络(Software Defined Network,SDN)等技术功能进行广泛应用。 
根据SDN 产业联盟于2015 年4 月发表的《SDN 产业发展白皮书》,现有的网络架构由于缺乏管理运维方面的设计,在部署一个全局业务策略时需要逐一配置每台设备,任一新技术的引入都严重依赖现网设备,需要多个设备同步更新,随着设备支持的功能和业务越来越多,实现复杂度显著增加,制约网络演进发展。2006 年SDN 技术诞生于美国GENI 项目资助的斯坦福大学Clean Slate 课题,侧重于L4 以下流量的控制调度,而NFV 适用于L2-L7 的任何业务的虚拟化实现。通过SDN 与NFV的结合,利用业务编排进行统一调度可构成完整的软件定义网络的解决方案。SDN 技术方案打破网络的封闭架构,增强网络的灵活配置和可编程能力,采用与传统网络截然不同的控制架构,将网络控制平面和转发平面分离,采用集中控制替代原有分布式控制,并通过开放和可编程接口实现软件定义。 
SDN 典型的网络架构包括转发层、控制层和应用层。新型的架构使转发和控制分离,硬件组件趋于通用化,而且便于不同厂商设备的互通。集中的控制平面可以实现海量网络设备的集中管理,通过控制平面可以方便地对网络设备实施各种策略,提供开放的北向接口允许上层应用直接访问所需的网络资源和服务,加速网络创新。 
图4:SDN 网络分层架构 
 
目前SDN 技术已经应用在IDC 网络中,谷歌的数据中心WAN 网使用SDN 技术,效率优化提升到95%。2014 年4 月,北京电信和华为合作推出全球首个运营商SDN 商用部署,将SDN 技术成功应用于IDC 网络。但对于运营商广域网市场,目前SDN 短期全面替代存量网络还不太现实。中国三大运营商对SDN/NFV 的规划包括:中国移动计划以数据中心引入SDN 优先,其次再考虑传输网和IP 承载网,NFV 从VoLTE、物联网专网和固定接入三大方向入手。中国电信的规划也是先从数据中心进入SDN 开始有序开展,逐步推进到终端和接入侧。中国联通计划2017-2018 年完成SDN/NFV产品孵化和部署,2019 年以后拓展多领域的应用。总的来说,SDN/NFV 的引入将大大增强运营商对于网络的控制力,为新兴的通信设备厂商进入相对封闭的设备市场提供了更多的机会,并且打破了原有的网络设备供需关系,未来网络运营商可以自己联合器件供应商研发网络设备,也将会可能与设备商形成更紧密的合作关系。 
三、 细分行业与新兴行业投资机遇 
3.1 细分行业—滤波器与陶瓷基座需求增长 
在4G 时代,由于LTE 是一种新兴技术,其网络部署是个逐步推进的过程,意味着相当长的一段时期内全球运营商都将面临LTE 网络与现有多网并存这一共性问题。因此,为满足业务连续性以及国际漫游需求,多模多频段终端将是市场过渡阶段一种必然选择。 
对于运营商而言,不但要求其终端在原有多模的基础上增加支持新网络制式及相应工作频段,还要增加可以确保用户实现国际漫游的工作频段。不同于2G/3G 时代,目前全球分配的LTE 频谱众多且相对离散,为更好地支持国际漫游,终端需要支持较多的频段。以中国移动为例,4G TD-LTE 引入后,为满足自身的运营需求,终端至少需要支持TD-LTE,TD-SCDMA,GSM 三种模式和八个频段来确保业务的连续性。为提升用户的国际漫游体验,终端还要支持FDD LTE 模式,结合全球FDD LTE部署现状,目前终端至少需支持Band1/7/17(或13)3 个频段才能实现通过FDD LTE 漫游到日本、欧洲、美国的部分地区,而且随着FDD LTE 在全球部署规模的逐步扩大,终端还要增加新的FDD LTE频段才能实现全球漫游。考虑到WCDMA 的全球部署范围广、成熟度高且漫游能力强,为提升终端的国际漫游能力,还将鼓励终端支持WCDMA 模式及相应的工作频段。 
无线通信模块由芯片平台、射频前端和天线3 大部分构成。其中,芯片平台包括基带芯片、射频芯片以及电源管理芯片等,射频前端包括SAW(Surface Acoustic Wave,声表面波)滤波器、双工器(Duplexer)、低通滤波器(Low Pass Filter,LPF)、功放(Power Amplifier)、开关(Switch)等器件。基带芯片负责物理层算法及高层协议的处理,涉及多模互操作实现;射频芯片负责射频信号和基带信号之间的相互转换;SAW 滤波器负责TDD 系统接收通道的射频信号滤波;双工器负责FDD系统的双工切换以及接收/发送通道的射频信号滤波;功放负责发射通道的射频信号放大;开关负责接收通道和发射通道之间的相互转换;天线负责射频信号和电磁信号之间的互相转换。 
图5:我国SAW滤波器产量(万只) 
 
为了抑制外界干扰信号对终端接收信号灵敏度的影响,同时抑制发射通路射频信号的带外干扰,通常需要在TDD 系统射频前端的接收通道和发射通道上分别配置SAW 滤波器和低通滤波器,而对于FDD 系统,则需要配置双工器来解决射频前端接收通道和发射通道的滤波问题。由于滤波器件数量是随着频段数量增加而线性递增的,且LTE 系统采用的又是接收分集,所以在LTE 上增加支持新的频段会比在TD-SCDMA(或GSM)上增加支持相同数量的频段对终端滤波器件数量影响更为明显。现有的TD-SCDMA/GSM 终端支持6 个频段需要12 个射频前端滤波器件,而TD-LTE/TDSCDMA/GSM 终端支持8 个频段则需要18 个射频前端滤波器件,较前者多支持2 个频段却多增加了6 个滤波器件。同时,TD-LTE/FDD LTE/TD-SCDMA/GSM 终端若支持11 个频段则需要24 个射频前端滤波器件。 
频谱资源是一种非常珍贵的资源,由2G 到4G,使用的频段变多,且频带宽了,可以提供的容量增大了,用户可以享受更高的网络速度。以手机为例,手机每增加一个频段,大约需要增加2 个滤波器(接收和发送),1 个功率放大器和1 个天线开关。2015 年全球手机出货量达到19.4 亿部,比14 年增加了0.6 亿部。智能手机方面,2015 年全球智能手机出货量为14.3 亿部。IDC 认为在2019年之前,全球智能手机市场将保持7.9%的年化增长速度,最终在2019 年达到19 亿部的单年出货量。同时IDC 预计2016 年中国智能手机市场的同比增长率将近10%,中国市场未来仍有望实现更大的增幅。我国2014 年手机出货量为4.52 亿部,同比下降22%,但随着4G 在2014 年正式商用,2015 年4G 手机出货量的膨胀带动国内手机出货量的增加。2015 年我国手机出货量为5.18 亿部,同比增长了15%,增长率由负转正。 
图6:全球手机出货量(亿部) 
 
图7:国内手机出货量(亿部) 
 
4G 手机出货量呈井喷之势:2014 年是4G 正式商用的第一年,也是国内手机向4G 转型的重要一年。数据显示,15 年国内4G 手机出货量达到4.4 亿部,接近14 年全年国内手机出货量的总和。4G手机出货量占比也由14年的37.87%迅速提升到15 年的84.98%。截止16 年前五月占比达到91.59%。 
图8:2G、3G、4G手机出货量占比 
 
从2G 到5G 的应用意味着频段的增加,单个终端的滤波器需求也将从几个增加到上百个,滤波器这个细分行业将从中受益。声表面波器件是一种新型的模拟信号处理器件,在抑制电子信息设备高次谐波、镜像信息、发射漏泄信号以及各类寄生杂波干扰等方面起到良好的作用,可以实现任意所需精度的幅频和相频特性的滤波,这是其它滤波器难以完成的。通信频谱资源日益紧张,频段分配越来越复杂,共站共址情况日益增加,保护频段不断变窄,市场对滤波器性能的要求也越来越严格。 
2012 年至2016 年5 月,国内手机累计出货量达到22.23 亿部,其中2G、3G、4G 手机分别为5.05、9.15 和8.02 亿部,占比分别为23%,41%和36%。未来随着人们对于手机传输速度及质量要求的提高,2G 和3G 手机将会逐步被4G 手机所取代,而全网通手机将成为基本配置。从2G 到4G 的应用意味着频段的增加,滤波器这个细分行业将从中受益。 
图9:2G/3G手机升级为4G手机(亿部) 
 
金准数据大数据中心专家表示,目前我国市场上新上市的机型大部分为4G手机,所支持的频段都在9-25个之间。假设平均一部手机仅支持十五个频段,则每个手机手机用30个滤波器。根据IDC的数据,16-19年国内手机年均出货量在5亿部以上,而4G手机占比达90%以上,因此未来国内每年新增滤波器需求在135亿只以上,滤波器单价在0.1-1美元不等,假设每只滤波器仅仅0.1美元计算,则国内滤波器每年新增市场规模约为13.5亿美元,市场容量较大。 
HTCC陶瓷是High-temperature co-fired ceramics的缩写,意思为高温共烧陶瓷。HTCC陶瓷基座就是高温共烧陶瓷基座,是将钨、钼、钼、锰等高熔点金属发热电阻浆料按照发热电路设计的要求印刷于92~96%的氧化铝流延陶瓷生坯上,4~8%的烧结助剂,然后多层叠合,在1500~1600℃下高温下共烧成一体,从而具有耐腐蚀、耐高温、寿命长、高效节能、温度均匀、导热性能良好、热补偿速度快等优点,而且不含铅、镉、汞、六价铬、多溴联苯、多溴二苯醚等有害物质,符合环保要求。 
随着滤波器市场的爆发,滤波器基座作为配套使用的部件也将迎来爆发。过去滤波器通常使用成本较低的金属基座,但由于导热性能和对高频器件的适应性等因素,金属基座并不能完全满足滤波器等射频器件的要求。随着封装技术和新材料的发展,滤波器越来越多地使用陶瓷基座,陶瓷基座不论在导热性能、高频特性还是稳定性上都更胜一筹。 
随着各种电子器件集成时代的到来,电子整机对电路小型化、高密度、多功能性、高可靠性、高速度及大功率化提出了更高的要求,因为共烧多层陶瓷基板能够满足电子整机对电路的诸多要求,所以在近几年获得了广泛的应用。共烧多层陶瓷基板可分为高温共烧多层陶瓷(HTCC)基板和低温共烧多层陶瓷(LTCC)基板两种。高温共烧陶瓷与低温共烧陶瓷相比具有机械强度高、布线密度高、化学性能稳定和散热系数高等优点,在热稳定性要求更高、高温挥发性气体要求更小、密封性要求更高的发热及封装领域,得到了更为广泛的应用。 
图10:HTCC陶瓷基座特点 
 
HTCC 陶瓷基座的出现,使得滤波器基座的性能得到了很大的提升。因烧成温度高,HTCC 不能采用金、银、铜等低熔点金属材料,必须采用钨、钼、锰等难熔金属材料。高温共烧陶瓷中较为重要的是以氧化铝、莫来石、氮化铝为主要成分的陶瓷。HTCC 工艺流程主要有混料、流延、打孔、填孔、叠片、等静压、排胶烧结等主要工序。HTCC 陶瓷具有比LTCC 陶瓷更高的热导率,而且化学性能更稳定,但成本要高于LTCC 陶瓷。 
随着SAW 滤波器等滤波器件在智能手机中的用量增加,HTCC 陶瓷基座将作为一对一的配套器件,其需求也将随着移动通信技术的发展而增加。随着5G 网络预期在2020 年左右投入商用,滤波器的用量将会大规模增长,陶瓷基座在滤波器领域会获得有力的增长点。 
3.2 新兴行业—促进车联网行业加速成长 
车联网是指按照约定的通信协议和数据交互标准,在车与车(V2V)、车与路(V2R)、车与人(V2M)、车与互联网(V2I)之间,进行无线通讯和信息交换的大系统网络,能够实现智能化交通管理、智能动态信息服务和车辆智能化控制,是物联网技术在交通系统领域的典型应用。汽车业发展的整体趋势是汽车将不仅仅是一个需要人力来控制的交通工具,未来的汽车应该是人类生活的一个场景,并实现完全的智能驾驶,成为整个物联网络中的连接设备的一部分。在这个趋势中,汽车的进化在两个路径上演进。一是在信息处理上,汽车需要实现对其他车辆、对公共设施、对人、对互联网的信息交换,另一个是在运行控制上,需要完成单车的智能化驾驶,解放人力,让车辆自己完成在全部条件下的全部任务。当两条路径的技术均成熟且实现商用普及后,车联网络完全智能化,利用智能网联汽车系统,人类在地面的空间移动将实现运输效率的最大化和运输资源的最充分利用,解放生产力,带来巨大的经济效益。 
在信息处理路径上,以Tesla 为代表的汽车厂商通过毫米波雷达、摄像头和传感器来实现对驾驶环境的识别,易受技术和设备的精确度和稳定性的影响。Tesla 自动驾驶事故的发生即是由于车载摄像头错把拖挂车的白色侧面识别为蓝天而引发。 
金准数据大数据中心专家表示我们认为车联网技术的突破和应用将是汽车进化在信息处理这一条路径上的标志性事件。车联网将从根本上解决车辆与外界的信息交换问题,也将彻底避免依靠传感器等探测技术进行驾驶环境识别出现失误这一类事故的发生。车联网整个产业链条的构成至少应该在三个层面上形成价值联系。第一个层面是基础设施层,包括芯片模组、车载设备、终端解决方案、通信设备与运营、通信服务等,为车联网的运作提供基础条件;第二个层面是服务平台层,利用数据实现安全服务和其他扩展功能;第三个层面包括其他衍生应用层面,例如与服务平台层合作为车载提供精准营销、内容分发、保险金融等相关服务。TSP 服务平台(Telematics Service Provider)位于产业链的核心位置,连接了车载终端、通讯运营、整车厂商、内容服务提供商和用户等多个环节,整合资源为用户提供服务。TSP 通过车载终端收集车辆和用户的实时数据,并整合公共设施管理机构的平台数据。车载终端设备一部分是由整车厂前装,另一部分是由经销商或其他渠道后装。TSP 还连接到通信运营商为用户接入互联网,并自建数据中心、呼叫中心等设施为用户提供紧急呼叫、自动碰撞报警、车辆救援、导航等服务,还可以为内容应用提供商(CP)提供接口,给用户提供娱乐资讯、精准营销等其他应用服务。 
我国汽车保有量2015 年达到1.72 亿辆,参照发达国家汽车保有量的增速水平,假设至2020 年保有量增速以近10%的增速增长,预测2020 年我国汽车保有量将达到2.83 亿辆。分别以保守预计19%、乐观预计24%的智能网联汽车渗透率来估算,2020 年保守预计网联汽车的数量将达到5652 万辆。车联网市场进入成熟阶段后,Gartner 预计产业链各环节的营收占比为:终端传感器及芯片厂商占比10%,通信模块设备厂商占比20%,通信运营服务占比10%,平台服务商占比20%,垂直行业应用解决方案商占比40%。我们以2020 年每辆车载硬件终端1500 元的产品价格来估算,硬件市场有近850 亿元的市场规模。假设2020 年车载终端的车联网功能并未达到成熟的程度,仅令单个用户的ARPU 值达到2000 元,服务市场规模约为1100 亿元,保守预计2020 年我国车联网市场总体市场规模2000 亿元,CAGR 达到50.39%。 
埃森哲的市场调研显示,中国消费者愿意为车联网额外支付的费用最高可达新车价格的16%。如果参照这一数据,并参考成熟阶段的产业各环节营收占比推算,远期我国车联网整体市场规模有望达到1 万亿元以上。 
图11:2016-2020年我国汽车保有量及增速预测 
 
金准数据大数据中心专家说我国车联网市场发展起于2009 年,以车厂主导的车载信息终端(Telematics)产品的发布为标志性事件而正式启动。从2009 年丰田G-Book 和通用Onstar 的上市至今,在Telematics 市场已经形成了车厂主导的自家品牌的前装产品、车载电子或应用服务商提供的后装产品等市场。2015 年我国Telematics 前装市场累计出货约200 万台,后装产品累计出货约1400 万台,总计约1600 万台,占当年汽车保有量的9%,渗透率还很低。由于车联网服务平台的网络外部性决定了网络的价值取决于连接到网络的用户的数量,我国汽车市场以占全球汽车保有量的14.9%的巨大基数,一旦在车联网时代形成统一的网络平台,市场潜力将十分巨大。 
综合行业发展阶段的多项特征,我们判断我国车联网行业尚处幼稚期末期,正临近进入成长期的关键节点,主要原因有以下三点。一是,目前的车辆对驾驶条件的感知主要利用雷达、摄像头和传感器,车联网络在V2V、V2M、V2I、V2R 等条件下的通信标准协议及商用推广尚不明朗,Telematics产品上的操作系统也有多家平台参与。二是以车联网成熟阶段用户可以享受到的服务来说,目前的Telematics 产品功能非常单薄,后装产品大多提供的仅仅是导航、信息娱乐功能,前装产品能更多地提供紧急救援、防盗追踪、车况诊断等服务,与车联网时代可以实现的盲区预警、碰撞预警、车道偏离预警、交通路况实时导航、自适应巡航、车载娱乐和丰富的行业应用等功能相比还相去甚远。 
三是,前装市场由各家车厂主导发展各自独立品牌的TSP,后装市场参与者众多,进入壁垒较低。而随着车联网的推进,市场还将陆续迎来公共设施管理机构、通信运营商、行业应用厂商等多方潜在进入者的参与,较为明晰的市场结构也并未形成。 

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