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柯达之旅 谈5G天线技术

铁流 · 2019-07-18 · 来源:铁君  
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  那种用10倍的成本换取5倍的性能提升,且74%的电能化作热能耗散,这叫浪费,不叫高科技。

  此前,铁流介绍了市场主流5G方案的几大短板:基站覆盖差、设备功耗大、设备成本高。而且,目前压根就没有5G杀手锏应用,现在鼓吹的5G电视、物联网、智能工厂、无人驾驶等所谓5G应用,不是根本不需要5G,就是根本不敢用5G。

  对于5G设备昂贵核功耗巨大的问题,其实早已是行业共识。

  中移动产业研究院副院长陈豫蓉在“5G商用与深化工业互联网创新发展”研讨会上表示,“5G基站的建设和功耗的成本是4G的3.5-4倍左右”。

  中国移动董事长杨杰就在GTI国际产业峰会表示,“当前5G基站价格是4G基站投资的2倍,功耗约为2.5-3倍,需要产业链携手努力将这部分费用尽快降下来”。

  只不过,一些通信设备厂商为了自身的利益,刻意掩盖真相,鼓吹"5G领先友商12个月","5G世界第一",并通过政商关系和制造社会舆论要求运营商大规模采购自己的5G设备。进而造成行业反馈冷淡,社会舆论火热的情况。

  其实,中移动副总裁李正茂在2018年世界移动大会的公开表态已经把现阶段5G的问题说的很清楚了:

  成本方面,大规模天线使5G基站成本更高,还需新建或大规模改造核心网和传输网,各运营商需探索低成本解决方案。

  受商用频段高,新增站址困难等因素影响,即便使用中频段,实现网络连续覆盖也有很高的难度。

  5G基站主要有哪些组成部分

  从各方面消息来看,中移动现在对于5G非常淡定,其中一个原因就是中移动与一家单位联合开发了小型化透镜天线,而且小型化透镜天线在数次测试中,都对现有主流产品具备碾压式优势。

  更加惊艳的是,小型化透镜天线可以直接解决现有5G技术的三大短板。

  在谈小型化透镜天线的优势前,铁流先说说为何现阶段5G基站存在板基站覆盖差、设备功耗大、设备成本高三大问题。

  5G基站由哪几个部分组成呢?

  传统3G/4G基站主要由基带处理单元(BBU)、射频拉远单元(RRU)和天馈系统三者组成,诚然,铁塔上的天线,以及供电系统、散热系统等也是不可或缺的部分。

  就功能来说,BBU负责运算,RRU产生信号,天馈系统其实就是原来的放大器,放大电磁信号的功率。

  按照规划的蓝图,5G核心网技术融合后,5G基站的BBU功能将被重构为CU(中央单元)与DU(分布单元)两个功能实体,RRU与天线融合为AAU。

  市场主流5G基站方案能耗巨大

  如今5G 能耗、覆盖、成本三个短板,归根结底是技术升级虚假,搞暴力提升带来的,我们一个一个来说。

  虽然一些厂商鼓吹自己的MIMO天线技术如何厉害,还拿一些不具备实战能力的演示忽悠大众,但一个无法回避的问题是,MIMO天线口径能耗比很低,某厂商的方案只有14%左右。由于大量能量会被消耗掉,因而只能粗暴的采用加大功率的办法,这会导致天馈系统成为"电老虎"。

  MIMO由128个振子单元组成,每个振子单元的功耗就达到3W左右,加起来就超过400W。由于128振子单元扫出去是一个平面,因而就必须增加一个相位仪,类似于大家看到让雷达天线不断旋转的仪器,这个相位仪的功耗达300W。

  由于走了暴力堆砌的路线,会导致计算量和复杂度大幅增加。

  射频也必须使用顶尖器件——毕竟一辆重型坦克不可能用汽车的悬挂系统。

  由于整个系统都是电老虎,机箱里的芯片和铁塔上的天线工作1小时后就会热的一沓糊涂,这就必须有一个强大的冷却系统来散热,而空调又是电老虎,东北天气冷一些到还好,南方冷却系统耗电量非常大。

  在上述几个组成部分中,耗电最大的是RRU、天馈系统,BBU是计算量耗电,用户越多、速率越快,耗电越大。RRU与天线融合为AAU之后,散热难度大幅增加,这会变相增加散热系统的功耗。

  为何中移动对市场主流5G方案反应冷淡

  目前,中移动考核基站能换效率1类26%,即74%电能被发热消耗,只有26%的电能用在电磁波传输信息上。这还是只考核基带处理单元(BBU)、射频拉远单元(RRU)和天馈系统等,并不考核天线结果。

  可以说,5G基站消耗巨大电能,四分之三的能量都被暴力堆料的做法消耗掉变成了热能,这是极大的资源浪费。如果拿这种5G搞无死角全覆盖,会导致运营商全年利润不够支付电费。

  现在大家知道为何中移动对5G反应冷淡了吧。

  不是中移动不爱5G,而是5G让中移动"高攀不起"。

  光是高昂的电费就让运营商望而却步了。

  就基站设备的成本来说,由于市场主流方案的5G基站属于暴力堆砌,基带、射频用的都是顶尖器件,价格自然不可能便宜,之前提到的相位仪,一个摇头装置,里面也要配芯片,其中的相位仪控制芯片价格不菲。

  市场主流5G基站方案的设计思路也有一些问题。真正的高科技是物美价廉简单好用,而市场主流5G基站方案是"把东西越做越复杂",这不仅无助于大幅性能提升,也无助于大幅降低成本。比如说,原来MIMO天线振子单元后面要配一个铜轴头,铜轴头是连接器,如果处理不好就会出现干扰,铜轴头500至600元一个,128根天线的话,光铜轴就超过60000元。因为太贵了,所以改成了PCB板,PCB板比铜轴头便宜一些,但问题在于用PCB板后,需要一个盲插系统,整套系统很贵,这导致东西越做越复杂,成本降不下来。

  覆盖的问题,铁流以前就介绍过了,一个是中高频本身覆盖就比低频差,另一个是因为5G主流方案的天线不行。

  铁流斗胆猜测运营商的心态:

  移动:投资不会多于172亿元(红线在此,再没事找事一分钱都不给你)。

  电信:投资90亿(不投资就不爱国,惹不起啊)。

  联通:投资348.4亿元建4G(这种5G设备,谁爱用谁用,老子玩4G。)

  由于组网成本和维护成本高昂,一些厂商拼命造势,拼命鼓吹,中移动根本就没动力去大规模这种"电老虎"5G基站。

  即便5G是政治正确,政府各种行政指令,中移动还是宣布2019年在5G的投入上不会多于172亿元,2019年资本开支与2018年相当;中移动在5G元年只计划建5万个5G基站(而在4G元年建了72万个基站),原因就在于此。

  透镜天线堪称数码相机对胶卷相机的革命

  那么,透镜天线是怎么解决5G覆盖差、设备功耗大、设备成本高三大问题呢?

  透镜天线比传统天线电费节约30%,天线口径能耗比在65%以上,作为对比,某厂商只有14%,完全是降维打击。由于效率高,因而根本不需要天馈系统来放大功率。

  同时,透镜天线结构简单,和MIMO 128根列阵是两个极端,因而对基带芯片算力和算法要求一般,搭配普通的芯片就可以了。射频也是类似,因为没必要给汽车配重型坦克的悬挂,采用普通的器件就可以了。

  这样一来,不仅天线本身的功耗下降30%,天馈系统这个电老虎直接可以扔掉,基带和射频的功耗也可以大幅下降,顺带着供电系统和冷却系统的功耗也全方位下降。

  就成本来说,透镜天线本来就比传统天线便宜,很多器件可以用普通器件,同时省掉了天馈系统,供电系统和冷却系统的负担也大为减轻,成本也会随之大幅下降。

  就覆盖和容量来说,透镜天线对于市场主流产品具有压倒性的优势。这种压倒性优势是物理层上的,就好比是热兵器对冷兵器的优势。

  比如在体育场的测试中,在现有4G设备的基础上安装采用厘米波(透镜)天线,可以实现4倍扩容。

  又比如高铁测试,在现有4G设备的基础上安装采用厘米波(透镜)天线,覆盖可以达到2.3公里,而目前市场主流产品的覆盖只有500米,即便是极限测试,以前也从未有超过800米的记录。

  由于测试结果太过惊骇,参与测试的移动员工将新型天线视为神器。

  也许正是因为有神器在手,中移动现在格外淡定。

  介质透镜天线不仅在电性能上超过板状天线,而且在机械性能上,显示小型化优势:

  口径(m2)重量(kg)体积(m3)风荷(kg)

  介质透镜 0.5x0.4 7.5 0.062 46

  板状天线 1.39x0.32 20 0.052 103

  据业内人士告知, 7.5KG的是第一代产品,外壳是玻璃钢。第二代产品已经把天线重量降低到1公斤。

  从能耗、性能、覆盖、成本、重量、体积等各方面来看,介质透镜相对于传统天线的优势是碾压性的,堪称是数码相机对胶卷相机的革命。

  真正的高科技,必然是便宜好用、物美价廉的,这方面最典型的例子就是光纤,目前一根光纤已经可以达到1Tbps,而光纤要比同等长度面条便宜,这才是真正的高科技。

  那种用10倍的成本换取5倍的性能提升,且74%的电能化作热能耗散,这叫浪费,不叫高科技。

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