Massive MIMO让5G成本更高？大规模商用时问题迎刃而解

　　2018年是5G部署关键性的一年，今年6月份3GPP组织正式发布第一版5G标准（R15行动通信技术标准），预示着5G商用化已经提上日程，并且正在加快速度向人们走来。当前中国工信部已经确立了5G中频频段为3.3-3.6GHz、4.8-5GHz，但国际主流频段为28GHz，同时由于中低频段资源有限，因此大部分5G网络未来将部署在高频频段，及毫米波频段，而5G的一项关键性技术——大规模天线技术（Massive MIMO）的出现，或许可以解决5G当前所面临的问题，例如高企的建设成本。

　　Massive MIMO是5G普及的关键

　　近年来，随着5G标准的逐步确定，5G的部署已有序展开。5G相关频谱的分配即将尘埃落定，5G的商用化已经进入倒计时。相比于4G，5G的一大特点便是频率更高，速度更快，能承载的信息量也更多，于此相对应的是波长更短，信号传输衰减加剧，穿透性减弱等问题。

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　　当前我国5G频段主要在6GHz以下进行开放，这也是为了让中国4G设备得到充分的利用，继而顺利过渡到5G，但未来高频率5G才会体现其技术真正实力。而高频5G会产生毫米波，虽然毫米波能带来诸多便利，但正如3GPP关于5G的标准解释中写到，随着移动通信使用的无线电波频率的提高，路径损耗也随之加大。

　　那么要如何来解决这个问题呢？由于国家对天线功率有上限限制，因此无法随意增加天线发射功率；同时也无法改变发射天线与接收天线的距离，因为用户随时都可能改变位置；当然也无法无限的提高发射天线与接收天线的增益，因为这受限于天线材料的物理规律。因此唯一可行的解决办法就是增加发射天线和接收天线的数量，设计多天线阵列。

　　假设使用天线尺寸相对无线波长为固定的（通常为1/4波长至1/10波长），那么载波频率提高将意味着天线越来越小，这意味着在同样的空间中可以塞入更多的高频段天线。基于此，可以通过增加天线数量来弥补路径损耗，同时也不会增加天线阵列的尺寸，Massive MIMO技术也就此诞生。

　　

　　“Massive MIMO和毫米波是5G两个关键的技术，Massive MIMO通过大规模的提高基站端和用户端的天线数量来提高系统整体的吞吐效率；毫米波通信则选择毫米波频段，比如28G，38GHz，60GHz等频段进行通信。”美国国家仪器射频和软件定义无线电技术市场工程师屠方泽在接受《华强电子》记者采访时表示，“通过毫米波高频的通信有两个明显优势，首先毫米波频段内可利用的频率资源较多，系统带宽通常超高800MHz，从而可以显著提高吞吐量，其次天线长度通常和波长相关，毫米波频段的天线较短，从而在更小的尺寸内可以实现Massive MIMO系统。”

　　就职于某国际光学半导体公司的一高管向记者透露：“基于5G的发展和需求，Massive MIMO无线解决方案一直被认为是5G的关键技术之一，是唯一可以十倍或以上提升系统容量的无线技术。针对Massive MIMO无线解决方案，从之前的原型机到今后的实验网乃至大规模商用部署，低成本、高集成、高效率成为Massive MIMO无线解决方案的几个重要趋势。"

　　

　　不止对高频段5G有很好的效果，对于目前6GHz以下，Massive MIMO也作用明显。是德科技（中国）有限公司华南区总经理Franklin So表示：“根据运营商的测试结果，6GHz 以下的Massive MIMO基站应对增强覆盖、提升容量方面有显著的作用。装备毫米波技术的基站普遍采用通过Massive MIMO 天线的波束赋形技术，以克服电磁波传播路损的损耗，实现天线和基站小型化和商用化。Massive MIMO 技术是5G的标志性技术，Massive MIMO技术会随着运营商部署场景的逐渐明确，加速发展。”

　　对于Franklin So的看法屠方泽也表示认同:“在6GHz以下，NI提供MIMO应用框架参考设计系统，基站端天线数量灵活可配置，可以实现4~128天线系统，并且可实现单天线和多天线模拟用户。”同时针对5G频段范围广的问题，屠方泽表示可以通过灵活性的系统来进行适应,并覆盖毫米波频段:“首先，通过使用同样的基带和中频模块，更改前端的射频头模块，可以灵活覆盖不同的毫米波频段；其次，目前5G NR的协议还在定义中，我们提供软件定义无线电开放的平台，在40GHz以上基本的参考设计是使用单载波的系统，40GHz以上使用CP-OFDM的系统，同一个硬件平台可以使用LabVIEW软件快速更改相关代码实现不同协议以及协议算法的更改。”

　　显然，Massive MIMO对于5G的普及起到了关键的作用，但同时，由于频段相比4G更高，要想做到4G同样的覆盖程度，其建设的基站数量必然会更多。这也会引发一个问题，某光学半导体公司高管表示：“5G的部署无论对无论是小蜂窝系统还是大规模MIMO系统都面临功耗、尺寸和重量等多方面的挑战。相比目前的4G网络，5G通道数量将有明显增加，这将直接导致整机的成本大幅提高。在这样的背景下，对于大规模商用部署，低成本方案就变得尤为重要。”

　　因此现如今国家主要采用6GHz以下频段为5G前期使用频段，这不仅是为了让用户与运营商能够在前期顺利的从4G过渡到5G当中，更是为了避免直接建设高频段5G基站的高成本问题。

　　

　　短期内Massive MIMO或将提升建设成本但长期看则拥有成本效益

　　基站建设的成本包括投资成本和长期运维成本，由于不同城市之间费用差异较大，以我国中等发达城市为背景，且认为宏基站与分布式基站主设备成本大致相当。参考国际3G设备交易价格与国内2G设备报价，可以粗略的得出目前标准基站建设成本大约为80万元，再加上RNC、网管系统及设备软件等大约10%的分摊费用，基站综合价格约为88万元。

　　有数据显示，2017年中国三大运营商移动、联通、电信的全国4G基站总数分别为187万个、85万个、117万个，如此大规模建设的情况下，能够有效的压低成本，使原有的88万元降低至12.5万元。据此统计，三大运营商在基站上投入的成本超过8000亿元。据相关机构统计，若要使5G基站覆盖范围达到当前4G一样的水平，则需要达到4G基站数量的1.5倍以上，建设成本大约为1.3万亿元，考虑到规模化建设后成本还将更低，因此建设成本将小于这个数，但即使如此，高昂的成本也给运营商极大地压力。

　　针对目前5G基站成本过高的问题，Massive MIMO技术的普及或许能够对成本进行一定的稀释。但Franklin So认为：“单提降低成本，而没有前提条件，答案模棱两可。单从接入网看，5G基站的频段普遍较高，新型基站叠加小基站密集组网，前期成本确实在提高，MassiveMIMO并不能降低成本。”

　　同时Massive MIMO短期内不但不能降低成本，或许还会增加5G基站的建设负担。市场调研机构TMR近日发布了一份相关报告，2017年全球Massive MIMO技术市场价值为10.518亿美元，而2018年到2026年的年复合增长率将达到39.5%，2020年将达到20.468亿美元。如此高速的增长显然是伴随着5G建设的逐步展开而来的，而这些市场价值也附着在5G基站成本之上。

　　

　　显然单纯的以Massive MIMO来看，并不能在短期内有效降低5G建设成本，而另一方面，小型化，集成化将成为成本降低的可能。而某光学半导体国际公司高管也认为：“目前全球各个主流设备商都在不断探索新的更高集成度的解决方案以适应市场，而提供高集成度的芯片解决方案成为5G演进过程中的迫切需求。另一方面，高集成度也是降低整个系统成本的有效方式。”

　　目前在sub-6GHz的Massive MIMO方案中，会有64通道，32通道以及16通道等方式。而在未来毫米波阶段，届时将会有超过64通道的天线阵列出现，而如此高密度的天线集成在一起，能有效的提高频谱利用效率。

　　Franklin So对此表示认同：“从整体成本 TCO(Total Cost of Ownership)来看，5G 智能网络、网络切片、云化带来的运维成本的降低，采用Massive MIMO技术为代表的5G 新技术带来的频谱利用效率的提高、单位比特功耗的降低，以及适应更多垂直行业所带来的额外收入，5G显然比4G在应对未来10-15年信息消费升级的社会需求方面，更有成本效益。”

　　因此，虽在短期内，Massive MIMO技术并不能帮助5G建设成本有效的降低，但在长期来看，频谱的高效利用和单位功耗的降低都能有效的帮助运营商节省成本。在前期建设中，或许成本仍会比较高昂，但在后期，依靠规模化的假设，将能有效的缓解5G基站成本压力。

　　这在未来市场中能够很显著的看到，由于目前5G基站成本大约为4G的1.25倍，从上述内容中可以得出单个5G基站成本大约为110万元。但也要看到，规模化建设后期4G基站价格降至12.5万元，那么5G基站完全有可能降低至15.6万元左右。从公开的数据来看，未来5G基站数量将是4G的1.5倍，同时基站数量预计在2020年将达到30万个。Massive MIMO在2020年市场规模约为20.468亿美元，但其成本却从最初超过2万美元减少至6800美元，有效的降低建设成本，同时未来还将进一步下降。

　　根据相关数据显示，Massive MIMO已被证实能够让移动数据吞吐量提高3~5倍，未来这个数字或许还将继续提高。除此之外Massive MIMO天线相较于传统天线，其业务波束会更窄，而通过3D赋性及信道预估技术能够自适应调整各天线振子的相位和功率，显著提高系统的波束只想准确性，能够在将信号集中在特定人群的同时，显著降低其他干扰，有效提升用户喜好载干比。

　　因此，编者认为，Massive MIMO在5G建设前期或许会增加5G建设成本，但其对于6GHz以下频段也能显著提升用户体验，从而让4G用户平滑过渡至5G。而在后期建设当中，随着5G基站数量的不断增多，Massive MIMO技术所带来的频谱利用效率的提高、单位比特功耗的降低等因素的不断叠加，将能从宏观方面有效降低成本。同时未来基站小型化，Massive MIMO技术天线集成化都将成为建设成本降低的一大助力。

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