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5G 芯片三巨头深度解读!5G 手机一定要选支持 NSA 和 SA 的吗?

业界
2019
09/17
16:02
雷锋网
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来源:雷锋网  作者:包永刚

2019 年 4 月,韩国成为了全球最早商用 5G 的国家,随后,美国、英国、瑞士等国家的运营商也相继推出了 5G 服务。我国的三大运营商也在 6 月份拿到了 5G 牌照,5G 服务即将推出。这标志着,5G 进入了商用元年。对于普通消费者而言,最关心的问题就是现在到底要不要换一部 5G 手机和如何选择 5G 手机?

此时,有网友称 NSA(非独立组网)是假 5G 手机。另外,中国移动董事长杨杰在 MWC 上海期间还表示 2020 年 1 月 1 日开始 NSA 的手机就不能入网了。一时间,关于 5G 手机要不要支持 NSA 和 SA 的讨论突然增加。

关于 NSA 和 SA 的讨论虽然很多,但大都浅谈辄止。为此,雷锋网采访了全球仅有的四家对外提供 5G 调制解调器公司中的三家,高通、MediaTek(联发科技)、紫光展锐的三位专家将深度解读你最关心的:

5G 为什么会有 NSA 和 SA 两种组网方式?

一定要选择支持 NSA 和 SA 的 5G 手机吗?

5G 手机的高功耗问题什么时候能解决?

提升 5G 体验最为核心的到底是组网方式还是毫米波?

当然,从这些问题的解读中,你还能了解 5G 发展的现状以及 5G 技术和产业未来的发展趋势,帮助大家更好更深度地了解最新的移动通信技术。

没有假 5G,只有 NSA 和 SA

简单来说,5G 具备超高速率、超大连接、超低时延三大特性。但区别于前几代移动通信技术,第五代通信技术不仅会应用到手机,给消费者带来超流畅的升级应用体验,还将应用到更多的行业和领域,给社会生产模式带来巨大变革。

5G 与更多行业结合的潜力让运营商对 5G 充满热情。GSA 全球移动设备供应商协会发布的《2019 年 8 月 5G 生态系统报告》显示,5G 元年,全球已有 32 个国家的 56 家运营商宣布部署 5G 技术、41 家供应商宣布已推出或即将推出 5G 终端设备。对比之下,4G 元年全球只有 4 家移动运营商和 3 家 OEM 厂商推出网络和终端。

不过,不同的运营商会根据自身的情况考量频段、商业模式等因素,在转向 5G 时各有策略,这就有了 NSA(Non-Standalone 非独立组网)和 SA(Standalone)的组网方式。高通技术标准高级总监李俨接受雷锋网专访时表示:"5G 标准之所以要对 8 种不同的组网方式进行讨论,核心原因就是各个运营商在向 5G 切换的过程中,策略不一样,所以 5G 标准就把各种可能性都做了讨论。"

图片来自无线深海

具体而言,2016 年 6 月 3GPP 一共列举了 Option1、Option2 、Option 3/3a、Option 4/4a、Option 5、Option 6、Option 7/7a、Option 8/8a 共 8 个系列的 5G 架构选项,并在随后优化为 5 个系列,分别是 SA 2 个系列(Option2、Option5),NSA 3 个系列(Option3、Option4、Option7)。

图片来自鲜枣课堂

MediaTek 无线通信事业部副总经理林志鸿指出,NSA 和 SA 的差别在于,NSA 的核心网还是 4G,SA 的核心网是 5G。目前,NSA 的主流是 Option3,并且大部分是 3x,SA 主要是 Option2。其他的 Option 现在比较少有人会去讨论作为 5G 商用的选择。

补充说明一下,核心网是整个通信网络逻辑架构中的一部分,从 1G 到 5G 逻辑架构都是手机→接入网→承载网→核心网→承载网→接入网→手机。通过下图简化版的移动通信架构就能清楚看到核心网所处的位置以及作用。

图片来自鲜枣课堂

至此,已经明确 NSA 和 SA 都是 5G,假 5G 的说法就是无稽之谈。那 NSA 和 SA 网络的特点是什么?

紫光展锐高级副总裁周晨接受采访时指出:" 容量、时延、可靠性都是移动网络的痛点。比如说稳定性,一些行业不希望网络的时延时而上百毫秒,时而几毫秒,而是希望在预期的时间范围里能够保证一个稳定的时延。因此,整个移动网络要脱胎换骨,变成一个新的基础设施,就需要解决这些问题。"

李俨进一步指出,移动通信技术要与不同行业融合,就需要满足许多行业提出的苛刻的时延、可靠性、带宽要求。有些在 4G 的架构下确实不容易做到,这也是为什么需要 5G 新的网络架构、新的核心网的原因。未来 5G 要真正用到行业里,确实需要 SA,核心的问题是过渡的时间点以及如何用 SA。

5G 网络的部署进展

"SA 如果要做到全程全网的广覆盖,投资会比较大,建设周期也比较长,这也是很多国家选择 NSA 起步的原因。"李俨同时表示。

具体情况如何?林志鸿指出,欧洲目前是以 Option3 也就是 NSA 为主,NSA 的标准以及整个产业链的准备相对 SA(Option2)比较快。要做到 5G 的广覆盖,基础网络的投资要够多。

雷锋网 ( 公众号:雷锋网 ) 了解到,韩国政府计划明年为 5G 投资 6500 亿韩元,相比今年增长 86%。美国也提出政策刺激 5G 投资,美国无线通信产业预计未来在 5G 网络上投资高达 2750 亿美元。GSMA 预测,到 2025 年,仅中国就将为 5G 投资 1840 亿美元。

巨额的投资让大部分运营商选择更为经济风险也更小的方式建设 5G 网络,数据显示,全球 5G 的商用网络均为 NSA。在这样的背景下,中国移动董事长杨杰表示中国会尽快过渡到 SA,中国电信也表示力争 2020 年启动 5G 独立组网显得有些激进。

对此,林志鸿表示,从运营商的角度看,选择 SA 组网主要是想推广一些新的业务,包括一些低时延的应用。因为 5G 的投资很大,通过 5G 真正带动一些新的形态或者服务,应该是中国 5G 的一个目标。

周晨表示,在 5G 投资的过程中,SA 的部署成本比较高,特别是在初期。但如果能够直接部署 SA,也就不一定要从 NSA 过渡到 SA。但无论如何,这还是取决于运营商商业上的判断。中国决定迅速过渡到 SA,对于整个 5G 产业以及中国 5G 的领导力而言无疑是积极的作用,也可以促进 SA 整个产业链的发展。

对未来 5G 网络部署的预期。李俨认为,初期的 5G 的部署都是针对 R15 版本,也叫 EMBB(增强型移动宽带),是整个宽带互联网的应用。未来 SA 一定会部署,但 SA 的部署主要是针对垂直行业,而垂直行业的一个可能性是进行区域性部署,而不一定完全做到全程全网的 SA 部署。

周晨也指出:"5G 网络的部署,在城市的密集区域一定是往 SA 的方向发展,但是在偏远的地方,用 NSA 的方式会更加合适。当然,这还是取决于运营商如何权衡。"

一定要选择支持 NSA 和 SA 的手机吗?

因此,从网络部署的角度看,目前运营商商用的 5G 网络都是 NSA,SA 标准和产业链的成熟至少还需要几年时间,因此现在 5G 手机即便支持 SA 也没有可用的商用网络。另外,从体验的角度看,三位受访的专家都表示,如果是使用现有的绝大部分应用,比如上网或者看视频,无论是 NSA 还是 SA 的网络,消费者都不会感受到明显的差异。

可以看到,目前全球已经上市的绝大部分 5G 手机都只支持 NSA,因此对于想要率先体验 5G,并且换机频率比较高的消费者而言,不用特别考虑手机是否同时支持 NSA 和 SA。

但前面已经指出,运营商的目标都是 SA,并且 SA 的网络也一定会部署,5G 技术也会催生出对网络要求更高的意想不到的应用。业界目前看到的 5G 应用包括 XR(AR、VR、MR)、云汽车、工业互联网。

周晨表示:" 以我从 2G 到 4G 的经验,大部分时候我们都想不到最后的应用。但是等基础的能力提升之后,就会逐渐出现很多新的应用,并且习以为常。" 林志鸿也表示,现在很难预测 5G 时代会有什么新形态的业务出现,但移动通信一定要快,上面就会产生一些新的业务。

显然,未来的 5G 手机一定都需要支持 NSA 和 SA。只是,与运营商 5G 网络建设有不同的考量一样,高通、MediaTek、展锐的产品在支持 NSA 和 SA 的策略上也不相同。

高通在 2016 年 10 月发布了全球首款 5G 调制解调器骁龙 X50,仅支持 NSA。2019 年 2 月的 MWC 前夕,高通又发布了支持 NSA 和 SA 的骁龙 X55。目前,高通集成 5G 基带的 7 系 5G SoC 已经向客户出样。

这是基于什么样的考虑?李俨表示:"高通早在 2016 年就首先推出支持 NSA 的 5G 调制解调器,更多的还是基于我们对全球 5G 技术发展的理解,很多运营商都选择 NSA 作为起步。当然,我们的第二代 X55 也完全可以积极配合国内运营商的 SA 网络部署,基于 X55 的手机也会在今年底和明年初陆续上市。"

与高通递进迭代的方式不同,展锐在今年 MWC 期间推出的首款 5G 调制解调器春藤 510 就支持 NSA 和 SA。周晨表示,我们的 5G 调制解调器同时支持 NSA 和 SA,保证无论在什么哪种组网方式下 5G 网络下都可以是使用。但是,我们把 SA 放在更高的优先级,这是因为我们把中国市场看作 5G 的主要市场,而国内运营商今年下半年开始应该主要会部署 SA 网络,所以 SA 的优先级更高。

周晨对雷锋网透露,紫光展锐会在年底公布搭载春藤 510 的产品的具体信息。

MediaTek 同样没有选择步进的迭代以及让 AP(应用处理器)和 5G 调制解调器交替进步,而是迅速推出了 5G SoC。2018 年 6 月,MediaTek 推出其首款 5G 调制解调器 Helio M70,同时支持了 NSA 和 SA,在今年的 Computex 2019 上,就宣布推出 5G SoC,根据 MediaTek 的说法,搭载其 5G SoC 的首款 5G 终端最快明年一季度上市。

当时,MediaTek 执行副总经理暨财务长顾大为接受采访时表示:" 这是策略的选择,MediaTek 在 5G 的研发上已经投入了四年。关于我们的产品经历了几代,我们并没有对外说太多,我们关注的是产品是否在市场上销售。"

林志鸿表示,是否同时支持 NSA 和 SA,技术上没有太大的差异,物理层都是一样,刚开始需要考虑架构的问题。NSA 和 SA 的支持是软件层面,后期做一些调整就可以。之所以第一代产品就 NSA 和 SA 都支持是因为我们判断未来几年都是 NSA 和 SA 共存。另外,没有先使用 MediaTek AP 外挂 Helio M70 的方式,而是直接推出 5G SoC,也是我们希望能够对产业做一个比较大的贡献。从 4G 的经验看,外挂调制解调器的方式最终都会过渡到 SoC,SoC 才更有利于 5G 手机的普及,但 5G 本身也有一些功耗方面的挑战。

5G 手机现在的体验和未来几年会差多少?

5G 芯片的功耗确实是 5G 普及需要解决的首要问题。周晨就表示,第一批 5G 手机的功耗可能会带来体验的倒退。那 5G 的高功耗问题从何而来?李俨从技术的角度指出,5G 信号带宽是 4G 的 5 倍,时钟频率是 4G 的 4 倍。从理论上看,如果工艺不变,时钟频率提高一倍,在不做任何优化的情况下,功耗就会增大到四倍,这自然会带来更高的功耗。

周晨说到,5G 的大带宽带来的大量数据需要相应的逻辑单元进行处理,但手机 SoC 几乎都是做加法,没有减法。因此,解决 5G 芯片高功耗的问题需要更加先进的半导体工艺,也可以从架构的设计上进行优化。

林志鸿从另外一个角度解读了 5G 的功耗问题,他表示,其实 5G 每比特的能源效率是比较高的,但如果 5G 的频宽达到了 100 兆,传输的资料没有 100 兆频宽需求的时候,功耗就会显得比较大。针对这个问题,MediaTek 很早就投入研究动态频宽调整的技术,当数据传输量比较小的时候就减少带宽,这样也能降低功耗。这背后的标准是 BWP(Bandwidth Part,一部分带宽)。当然,动态带宽的调整也不需要和网络做配合。

高通在这方面也有相应的技术,他们称之为 5G PowerSave,这个技术同样是根据网络到达的流量,去调整接收器的开和关,这样 5G 设备就不用无时无刻都在听 5G,在低速工作时大幅降低电流,达到降低功耗的效果。

总结来说,李俨表示:"5G 功耗的优化可以多有个方面,比如制程工艺、硬件设计架构、通信本身的技术优化、标准层面设计等。标准设计层面,基于 R15,如果刻意做一些优化,跟终端做一些约定的话,可以看到一些效果,但还有一些待完备的地方。R15 只是个开始,R16 会做的更完备。"

体现在 5G 终端上,在目前 R15 的标准下,更加强调的是更大的带宽和 5G 的基础能力,所以 5G 终端上市初期,5G 能力很强,但成本也会很高。想要实现 5G 的广泛部署,一定要让 5G 终端的价格下降,因此正在讨论的 R16 会引入很多新的概念,比如优化处理功耗,放宽手机对最大带宽的支持等,这样就能够设计出稍微便宜一些的 5G 终端。目前,R17 也正在立项讨论中,相关的讨论也会更多。

3GPP 5G 标准时间表

提升 5G 体验,核心到底是什么?

当然,5G 手机体验提升还有一个关键技术就是毫米波。所谓毫米波就是波长为 1-10 毫米的电磁波,指的是 24GHz 以上的频段。此前移动通信使用的 6GHz 以下频率,波长比毫米波长。5G 之所以要用波长更长毫米波,有两方面的原因,一方面,移动通信技术发展到第五代,6GHz 以下的频率大部分已经被占用,留给 5G 的低频频率已经不多,想要重耕这些频率也需要时间。

另一方面,更高的频率的电磁波意味着更高的速率,这也符合移动通信发展的需求,因此 5G 除了有 6GHz 以下频段保障网络的覆盖外,还需要有毫米波提供超高速率,满足更多场景和应用。

更高的频率更快的速度

虽然毫米波具备更高速率和更大的带宽的特性,能够解决人员密集区域如演唱会、大型体育赛事现场网速慢的问题,也能应用于更多场景。但由于毫米波频率更高,波长就更短,因此毫米波的信号就容易被楼宇、人体甚至是雨滴所阻挡,并且毫米波的部署需要大量小基站,并不适合大范围部署。

不过,毫米波的确可以大幅提升 5G 的使用体验。李俨指出,毫米波的带宽轻松就可以达到 800MHz 甚至 1GHz,相比 6GHz 以下,毫米波带来的是速率上的增长,具有容量大、时延低的特性,能够实现全新和增强的服务。

林志鸿补充表示,从运营商大规模部件网络的成本来讲,Sub-6GHz 可能是一个比较可行的方案,但 Sub-6GHz 的频谱比较珍贵,毫米波目前是属于比较热点式的补充。从目前的情况看,用 NSA 作为毫米波的承载网提升体验更为现实,如果要用 SA 作为承载网还是需要高的覆盖率。

当然,无论运营商的 5G 网络是 NSA 还是 SA,频谱采用的是毫米波还是 6GHz 以下,但决定消费者体验的核心,在手机要支持所有频段以及不同的组网方式的前提下,能互联互通同样非常关键,这也是 5G 手机芯片的一大挑战。

李俨表示:"我们做通信移动通信产品开发时,大量的时间都花在互联互通的测试,因为终端要面对全球几百个运营商,主要的网络设备厂商也有六家,他们在不同的地区配置也不同,还有不同厂家之间的漫游切换。"

周晨也指出,要支持 NSA 和 SA,芯片的物理层没有大的差别,它的复杂性主要在于网络侧的互联互通测试,特别是要同时进行 NSA 和 SA 的测试压力会更大。这个测试分几级,先是和仪表的互联互通测试,这其中,因为 5G 发展比预期快很多,同一家仪表还不能做所有的测试。另外,要和设备厂商去做测试,这些测试完就基本可以知道自己设备和其他设备之间有很好的互通性。再到运营商的时候,因为配置的不同,也还会有互联互通的问题,这就需要不断测试和解决互联互通的问题。

至于互联互通测试进展,由于 SA 网络最快要到明年下半年左右网络才会完整,所以 SA 相应的实网测试也会比 NSA 进展慢。林志鸿表示:" 运营商会起到一个领头羊的角色,他们告诉我们使用哪个版本的标准,我们就会更聚焦在那个版本。"

因此,想要有更好的 5G 体验,还需要等到运营商部署完整的 SA 网络,并且与手机芯片进行完整的互联互通测试。同时,想要实现 5G 手机的漫游,手机芯片就要支持不同地区 NSA 和 SA 的组网方式,还要支持完整的频段,包括 4G、5G 的 6GHz 以下频段以及毫米波频段。

好消息是,全球运营商的 NSA 主要都选择了 Option 3x,SA 选择 Option 2,频段上 3.5GHz 也是一个主流,这有利于 5G 手机更方便地实现全球漫游。

雷锋网小结

5G 带来许多新特性的同时,也为 5G 芯片的设计增加了不少难度,这种难度除了技术演进增加的技术复杂度之外,更重要的是像手机 SoC 以及手机射频前端芯片,在通信技术的向前演进时要尽量做到芯片的功耗和体积不变,但性能要更高。包括调制解调器、射频、天线在内的系统级 5G 解决方案,对于 5G 手机的设计开发就显得尤其重要。

NSA 和 SA 作为 5G 网络的两种组网方式,差别在于核心网,出现两种组网方式也是为了满足不同运营商转向 5G 的策略。至于 5G 手机芯片最开始是否同时支持两种组网方式,对于芯片厂商来说,并不是技术的难点,而是策略的选择。5G 手机调制解调器设计出来之后,难点在于与网络的互联互通测试,这其中运营商起到了主导作用。

可以看到,全球运营商部署 5G 网络都以 NSA 的组网方式为起步,所以手机现阶段是否同时支持 NSA 和 SA,并不会带来影响。但功能上同时支持两种组网方式,意味着未来也能用上 SA 网络,不过需要等到运营商部署了 SA 网络,并且进行了良好的 SA 实网互联互通测试。目前,没有明确的 SA 网络商用时间表,从全球范围内看中国更加积极,这会推动 SA 产业链的成熟和商用,进而带动 5G 产业的发展。

简而言之,现在的商用的 5G 网络都是 NSA,手机是否支持 SA 不影响使用体验,想要用上速度更快、功耗更低、更加稳定的 5G 网络,不仅需要运营商大量投资部署覆盖更加广泛的 5G 网络,5G 标准的持续演进,芯片设计的优化以及互联互通测试都缺一不可。

只是,5G 的商用才刚开始,尝鲜的成本比较高,体验也有可能不稳定。这时候,除了跟上 5G 的潮流,你是否想过 5G 会催生出什么样的应用?

THE END
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