中国5G天线颠覆式创新 毫米波5G透镜天线比茶杯小 比香烟盒轻

zhangyanzhang

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。

对于上述问题，其实早已是行业共识。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。

比如128根天线会导致计算量相对于4G时代大幅提升，且算法变得异常复杂，这就对BBU提出了新的挑战，为了应对这一点，某厂商选择采用台积电7nm工艺开发出算力提升2.5倍的基带芯片。但这种做法也会导致，基带的功耗大幅上升，该厂商在大肆宣传基带芯片算力提升2.5倍的同时，对于功耗增加多少讳莫如深。

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。

一位朋友告知：一个5G站点5千瓦至11千瓦的功耗，一年电费6500至13000元。

另一位朋友告知：我们估算一个5G站点一年的电费是1.1万元。

如果要建1000万这样的基站，每年光电费就是1000亿元左右，而中移动日赚3亿，全年利润也就1000多亿。换言之，就是大规模部署5G的话，会导致中移动全年利润只够交电费。

即便基站砍一半，500万个基站的电费也相当于中移动半年的利润。

另外，由于整个系统常年处于高温下，而芯片长时间处于这种状态下，容易出问题，4个月必须换，由于用的都是顶尖的芯片，这些芯片价格都不便宜，这又是一笔不小的开销。

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，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。在清明公祭轩辕黄帝典礼上，中移动又对市场主流方案与透镜天线进行了对比测试。我们看到，一个铁塔上有几十个板状天线，而目测只有一个透镜天线。

难不成在中移动对透镜天线格外有信心？认为一个透镜天线就能与几十个板状天线同台竞技？

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。

业内人士告知，毫米波5G透镜天线，只有茶杯大小，重量只有香烟盒这么重，简直难以置信！

透镜天线具有很大潜力再续光纤的辉煌。

那种用10倍的成本换取3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。

科技创新的伟大提升生产力，在过去一百年里，麦克斯韦方程式主导的天线一直没有变，而透镜理论彻底改变了天线设计，这是一场革命。