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5G 产业链:基站天线和小基站爆发潜力大

2018-10-22
关键词: 5G MIMO 4G

5G宏基站数的翻倍增长及技术演进带来基站天线成倍增长空间。

5G关键性能指标十倍的增长需要基站数翻倍增长以支撑。5G的三个关键的效率需求包括频谱利用效率、能耗效率和成本效率。

具体来说,5G在频谱效率、能源效率和成本效率的提升需求在十倍甚至百倍以上,关键技术加速催化。

如下所示,5G的性能指标主要从用户体验速率(bps)、连接数密度(1/Km2)、端到端时延(ms)等方面提出要求。

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其中,用户体验速率(bps)从4G时代的10Mbit/s升级至100Mbit/s,这对5G网络覆盖能力提出了全面升级的要求。

根据理论值计算,在越高的频谱上传播信号,信号损耗越高,所需要的基站数也需要越高。从连续覆盖角度来看,5G的基站数量可能是4G的1.5-2倍。

截止2017年底,我国已搭建了328万座4G宏基站,按照1.5倍的保守值计算,5G基站数至少在500万座。

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大规模天线(massiveMIMO)技术放大基站天线需求。从2G到4G,基站天线经历了一体化宏基站、基带处理单元和射频拉远模块分离、MIMO天线、有源天线、MassiveMIMO等发展阶段。

随着4.5G和5G时代的到来,MassiveMIMO技术被引入,直接导致基站天线发展的三个趋势:1)无源天线向有源天线发展2)光纤替代馈线3)RRH(射频拉远头)和天线部分集成。

随着通信网络向5G的不断演进,阵列天线(多天线空分复用)、多波束天线(网络致密化)和多频段天线(频谱扩展)将成为未来基站天线发展的主要类型。

MIMO能够充分利用空间资源,通过在底层物理设备中安装多个发射与接收天线,使得信号能够在多个天线之间实现多发多收,在不增加频谱资源与发射功率的基础之上,改善通信质量,拓宽通信信道,是后4G时代的关键通信技术。

目前,MIMO在LTE的R11、R12中得到了不断的完善与加强,在传统的MIMO仅支持8个天线端口的基础上,美国贝尔实验室2010年提出了MassiveMIMO,利用多根天线形成的空间自由度及有效的多径分量,极大增加了频谱利用率和可靠性。

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基站天线投资比例在整个无线网络中仅占2%左右,但是其对基站通信系统中网络指标的影响超过5成,因此,也一直在通信技术演进的过程中扮演着重要的角色。

大规模MIMO在系统频谱效率、用户体验、传输可靠性的提升上提供了重要保证,同时能够支撑的网络容量是8×8MIMO天线的10倍以上,能够较好的满足未来的海量连接需求和几何级别的流量需求增长。

一般而言,普通的基站需要配置3面天线,4G基站则需要配置2×2(即2根接收天线和2跟发射天线)面,未来随着5G落地,MassiveMIMO基站(128,256根甚至更多天线)的大规模应用将促使基站天线数量增长(排除有源无源的差别后,单价相对会下降)。

在移动通信系统升级之际,基础上游的基站天线需求有望倍增,相应市场会快速放大,如下所示,在4G建设起始的2013-2014年,国内天线市场规模迅速增长,而5G来临之际的2020-2021年,这一增长弹性将进一步放大。

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此外,5G对毫米波的技术要求,也促进了移动终端和基站端天线的更新换代和数量的增长。天线向有源方向发展将带动单个天线的价值提升。

根据我们的测算,5G时期全球基站天线市场规模或达7000亿人民币。

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根据上述数据,14~17年的国内4G建设高峰期,总天线市场国模约320亿,对应新建的320万左右的4G基站,约一个基站的天线价值量在1万左右(3副天线)。

同期海外市场规模约为130亿美元,对应200万左右4G基站。而到了5G时代,5G基站数将是4G的1.5~2倍。

而5G基站天线的单体价值量或是4G的3~4倍,两项叠加(暂不考虑单基站天线数量的增加),5G时期的天线总规模或是4G的4.5~8倍,对应5000~9000亿人民币的全球市场,取中间值为7000亿。

当前阶段,4G低频重耕及海外建设需求弥补资本开支空窗期,基站天线市场景气度依旧较高。

自从2007年澳大利亚运营商首次关闭CDMA网络服务,全球掀起了频谱重耕的热潮,如AT&T、澳洲电信、新加坡Singtel和StarHub等也将关闭GSM网络。据Ovum预测,到2020年左右,2G网络将在全球范围内全面消失。

目前,我国频谱重耕条件逐渐成熟,随着4G覆盖的完善和渗透,2G和3G用户向4G用户转换已到后期阶段,此外政策面和核心网也对频谱重耕作出了积极回应。

频谱重耕将推动运营商通信基站大范围的改造升级,带动基站侧更新换代的需求增长。

2017年,随着中国联通展开对900M频段的重耕以及中国电信对800M频段进行重耕,导致国内基站天线市场下滑幅度并不大。

2018年,中国电信进入800M重耕深化年,重点发力“五高一地”实现精准建设;中国联通在完成混改后将加大900M重耕执行力度,给基站天线市场提供流量较强的支撑。

而发展中国家4G建设方兴未艾,海外基站天线市场空间广阔。

实际上,亚太、中东、北非等发展中国家目前处于4G建设期中,相应需求景气度高,以印度为例,其最大的电信运营商BhartiAirtel近年来的资本开支连续上涨,4G建设处于高峰期。相应地,全球基站天线市场空间依旧较大。

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此外,三大运营商均开展NB-IOT网络的建设,对于相应天线的需求旺盛。如中国移动2017年完成111万面NB-IOT天线招标,对应其40万NB-IOT基站建设的目标。

随着联通和电信都将建成与移动规模相当的全国覆盖的NB-IOT网络,预期2018、2019年将迎来大规模招标。

并且,4G后周期时代,多频天线常用来满足低频重耕以及网络演进需求,相应的智能天线单价较高,也一定程度上填补了数量上需求的下滑。

如2018年9月份中移动开展“4+4+8+8”独立电调智能天线产品集中采购(第一批次),项目预估采购规模约14.09万面。

“4488”天线可同时支持900M、1800M、FA频段8T8R以及D频段8T8R,最大程度节省天面空间及TCO,但其造价也较高,在6000~8000元之间,而常规的4G基站天线价格在3000~4000元。因此中移动的这一采购总额超9亿,提振了行业的信心。

整体来看,当前阶段,国内基站天线市场规模有望保持平稳,并在2019年下半年5G建设逐步开始后,迎来新一轮上升。

5G超密集组网技术刺激小基站千亿新增市场

5G性能提升还需依赖超密集组网提升空间复用度。

为了解决未来移动数据流量增长1000倍以及用户体验速率提升10-100倍的需求,除了增加频谱带宽以及采用先进的无线技术提升频谱利用率以外,最为有效的办法依旧是加密小区基站的部署从而提升空间复用度。

传统的无线通信方式通常采用小区分裂的方式部署基站,但是随着覆盖半径的逐步减小,小区分裂很难进行,需要在室内外热点区域密集部署小功率的基站,即超密集组网。

超密集组网的典型应用场景包括:办公室、密集住宅、密集街区、校园、大型集会、体育场、地铁、公寓等等。

基站按照覆盖半径和发射功率可以分为宏基站、微基站、皮基站和飞基站。其中宏基站的发射功率在几十瓦以上,覆盖半径在2km以上。

而热点区域覆盖则更适合小基站,包括微基站、皮基站和飞基站,功率只要毫瓦到瓦级别,覆盖半径在十米到几十米之间。小基站的硬件成本远低于宏基站,更适合于室内或者室外大数据热点区域。

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随着小区部署密度的增加,超密集组网将面临许多新的技术挑战,如干扰、移动性、站址、传输资源以及部署成本等,因此如何灵活部署与维护、干扰管理和抑制、接入和回传、联合设计以及小区虚拟化技术等是超密集组网的重要研究方向。

电磁波频率越高、波长便越短、衍射能力也越弱,同时由于涉及穿透能力,信号在穿透过程中会发生能量损耗,因此高频电磁波传输距离近,传输损耗大,相关基站设备需密集部署,基站体积的减小对天线和滤波器集成化要求也较高。

超密集组网打开小基站千亿市场空间。

一方面由于微型化的基站方便部署且易携带,可以根据使用场所灵活布设,且同时功耗低、成本低,容易满足未来物联网海量连接、海量部署的特点,小基站具有填补网络覆盖漏洞并提升网络服务质量的特点。

另一方面,未来尺寸小、多制式、异构接入的基站将有更多的发展空间,推广是趋势,甚至有望替代现有WiFi的单一无线制式路由器。

从这个角度看,未来小基站存在机会。5G应用毫米波的最大场景就在室内,使得消费者对于大带宽需求上升,从而提升小基站需求。根据市场研究机构ABIResearch最新调查显示,2021年全球室内小型基站市场规模将达到18亿美元。

根据我们的测算,5G小基站的市场规模或为2500亿元。

假设单个宏基站的覆盖距离为300米,其覆盖面积内需要用小基站对相应市内热点区域进行覆盖,以小基站覆盖半径30m估算,该区域需要100个小基站,而热点区域可能只占到覆盖面积的25%,因此需要约25个小基站。

而按照5G基站数是4G的1.5倍计算,国内5G基站数约为500万,则小基站数量理论需求为1.25亿个,按照小基站2000元/台的均价计算,市场空间为2500亿人民币。

小基站已在全国21省市商用,运营商规模集采即将到来。如下图所示,4G时代,全国已有21省市试水小基站,但整体采购量都不大,预计整体采购量不超过50万台。

此前中国移动曾于2015年进行过一次集采,规模大概为9.6万个。

时隔三年,2018年8月,中国移动再次开启皮基站集中采购,本次集采超87万台,以4G拓展型皮基站为主,超过历年省级采购总和。预计5G时代,这一采购数量将继续大幅攀升。