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5G频谱行业分析报告

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2017年3月

正文目录

1.频谱——无线网络的战略性资源3

1.1.低频谱是稀缺资源3

1.2.5G频谱需求量大4

2.提升频谱效率——解决频谱供需矛盾的核心6

2.1.技术手段提升频谱利用效率7

2.2.经济手段——频谱拍卖9

3.5G频谱对网络的影响——更高频率、更多频段10

3.1.更多频段——射频器件需求量加倍增长10

3.2.更高频率——基站密度更高、高频射频器件受重视12

4.相关建议15

5.风险提示16

图目录

图1：

三大运营商现有频段集中于800MHz-2.7GHz之间4

图2：

三大运营商现有频段集中于800MHz-2.7GHz之间5

图3：

ITU-R研究的6GHz以下候选频段6

图4：

载波聚合技术示意图——将20MHz、10MHz、10MHz三个频段聚合为40MHz的频段7

图5：

MIMO（大规模多天线）技术——提升信道容量的关键物理层技术8

图6：

覆盖式频谱共享技术示意图9

图7：

氮化镓更适合高频器件，将成5G新星13

图8：

SAW滤波器频率和特征尺寸成反比，适合2.5GHz以下频率14

图9：

SAW滤波器频率和特征尺寸成反比，适合2.5GHz以下频率15

1.频谱——无线网络的战略性资源

频谱是一切无线通信的基础。

同时，频谱的优劣直接决定着网络的建设成本、网络的通信质量。

1.1.低频谱是稀缺资源

据中国信息产业网，在刚刚结束的中国电信智能生态暨终端产业峰会上，中国电信集团总经理杨小伟披露：

2017年中国电信4G基站总数将达到115万个，建成基于800MHz频率的全球首张低频4G网络，与现有网络实现高低频协同覆盖，支持高品质VoLTE，打造全球领先的4G网络。

无独有偶，据C114消息，工信部日前下发文件批复同意中国联通调整900MHz、1800MHz和2100MHz频段频率用于LTE组网。

中国电信和中国联通同时钟情于低频频段，原因是低频频段覆盖范围广，网络建设成本低。

当前，相比中国移动，中国电信和中国联通在4G建设上落后较多，但是资本实力又不支持他们在高频频段与中国移动正面竞争。

根据通信原理，800M频率的覆盖半径约为2.1G频率的2倍，那么要达到同样的覆盖效果，2.1G组网所需要的基站数量约为800M的5倍。

正因为如此，低频频段是无线网络的稀缺资源。

但是，经过2G、3G、4G的建设，还有广电、广播及政府其他部门的占用，低频频段已经很难找到大段的空闲频段了。

图1：

三大运营商现有频段集中于800MHz-2.7GHz之间

1.2.5G频谱需求量大

根据《IMT20205G需求白皮书》，未来5G的用户体验速率要达到0.1-1Gbps（对应下载速度12.5-125MB/s），峰值速率达到数十Gbps。

图2：

三大运营商现有频段集中于800MHz-2.7GHz之间

根据香农定理：

其中，C表示传输带宽（Mbps），B表示信道宽度（MHz），S/N表示信噪比。

假设B=200MHz，S/N=1000，则C=2000Mbps，即2Gbps。

因此，5G信道宽度需要达到200MHz才算比较理想。

工信部无线电管理局副局长阚润田表示：

到2020年，IMT（国际移动通信）频谱需求总量为1300MHz-1800MHz。

目前我国已为公众移动通信分配了687MHz，因此到2020年缺口1100MHz以上。

我国无线电管理“十三五”规划明确提出，要为IMT-2020（5G）储备不低于500MHz的频谱资源。

目前我国5G频率规划以低频段为主，即6GHz以下频段，重点关注的是3300M-3600M，4400M-4500M，4800M-4990M。

图3：

ITU-R研究的6GHz以下候选频段

选用更高的频率也是一个备选方案，如6GHz以上的频段。

我们预测，2020年之前我国会重点关注6GHz以下的频段，相应设备可能在2018年前后推出。

2020年之后，为了实现更丰富的网络功能，需要逐步使用6GHz以上频段，比如20-40GHz的频段。

据人民邮电报2016年11月报道，美国明确提出研究28GHz附近的频段；T-Mobile正在使用28GHz频段开展室外5G移动通信的确认试验。

2.提升频谱效率——解决频谱供需矛盾的核心

带宽的增长、应用的多样化，对频谱的需求（尤其是低频谱）与日俱增，但是6GHz以下的频谱就那么多，而且还要考虑社会其他部门的需求。

因此，供需矛盾是频谱问题的主要矛盾。

提高频谱使用效率，是解决供需矛盾的核心手段，这也是无线通信技术研究的核心领域。

2.1.技术手段提升频谱利用效率

◆载波聚合——将碎片化的频段打包使用

载波聚合（CA：

CarrierAggregation）是LTE-A中的关键技术，原理是将多个LTE成员载波（ComponentCarrier，CC）聚合在一起，以实现更大的传输带宽。

图4：

载波聚合技术示意图——将20MHz、10MHz、10MHz三个频段聚合为40MHz的频段

2013年，韩国SK电信首次使用载波聚合技术，将800MHz附近频段和1.8GHz附近频段聚合为一个20MHz频段，以获得下行峰值速率150Mbps。

后来2014年，SK电信实现了3载波聚合。

2014年9月，中国电信实现了FDD和TDD的载波聚合，创造了载波聚合技术新的里程碑。

◆MIMO（大规模多天线）技术——提升信道容量的关键物理层技术简单的讲，MIMO就是使用多天线技术（发射端和接收端都需要多根天线），充分利用空间资源，在不增加频谱资源的情况下，成倍的提高系统信道容量。

图5：

MIMO（大规模多天线）技术——提升信道容量的关键物理层技术

2009年，IEEE（电气和电子工程师协会）正式通过了802.11n标准，这是第一个将MIMO技术引入到无线局域网（WLAN）的标准。

随后，MIMO成为4G的关键技术之一。

然而，MIMO技术并不意味着天线越多越好。

随着天线规模的增大，大规模天线的多用户、多小区调度和协作将面临更加复杂的场景、干扰环境以及能效优化问题。

◆频谱共享技术——将空闲频段充分利用起来

频谱共享是以频谱利用的高效性为目标,允许非授权用户机会式利用授权用户的频谱空洞传输,被认为是解决无线频谱资源紧缺问题的一种新方法。

频谱共享技术分为共存式频谱共享和覆盖式频谱共享。

共存式频谱共享是指，次系统以极低的功率使用主系统的频段，不会对主系统产生干扰。

覆盖式频谱共享是指，次系统频段完全覆盖主系统相同的频段，适用于主系统对频谱未充分利用的情况下，次系统使用同一频段中的空闲频谱。

覆盖式频谱共享分为机会式和协作式。

图6：

覆盖式频谱共享技术示意图

WLAN是最早利用频谱共享技术的无线通信系统。

美国联邦通讯委员会要求802.11a无线电能检测雷达信号并避免与它们形成干扰。

在5G时代，通过精细化管理，实现中、高频段的频谱共享，从而提高频谱利用率，是缓解频谱供需矛盾的一剂良方。

2.2.经济手段——频谱拍卖

据IT时报，新修订的《中华人民共和国无线电管理条例》已经公布，并于2016年12月1日开始施行。

此次修订将拍卖引入频谱资源分配制度中。

此前，国内频谱资源基本上采取的是行政审批方式，此次《条例》确立指配、招标、拍卖等方式并存的资源分配制度。

频谱拍卖最初始于1989年的新西兰，后来成为全球范围内的普遍现象。

频谱拍卖，对于运营商来说往往意味着不菲的费用。

凤凰科技报道，2015年1月，有AT&T、Verizon、T-Mobile参与的美国移动数据频谱拍卖会，总成交额达到449亿美元，远超美国联邦通讯委员会（FCC）的预期。

拍卖方式通过经济手段引导运营商对频谱的高效利用，但是也有可能导致电信运营商“强者恒强”的竞争格局。

根据3GPP的5G标准制定时间表，2018年eMBB（增强型移动宽带）标准将确定，意味着部分国家开始5G商用建设。

频谱是5G建设的前提，我们判断，如果我国的5G建设要走在世界的前列，最迟2018年要进行部分5G频谱的分配，有可能使用拍卖方式。

3.5G频谱对网络的影响——更高频率、更多频段

经过分析，5G频谱对网络的影响主要体现在两个方面：

1、更多频段，因为5G要求高的传输速率，更多的应用场景，决定必须提供足够的信道带宽，在频率资源有限的现实情况下，必定需要将原来碎片化的频段通过载波聚合的方式利用起来；对于网络终端设备，则需要相应的增加射频器件数量，尤其是滤波器、放大器。

2、更高频率，越往上走频率资源越丰富，但是高频必定导致信号的穿透能力变差，需要更密集的网络覆盖，小基站市场或将爆发；而对于射频器件，不管是基站射频还是终端射频，必定引起器件基础材料或者结构的变革。

3.1.更多频段——射频器件需求量加倍增长

理论上来说，一个频段对应2个滤波器和1个功率放大器。

除了5G本身需要利用更多的频段之外，一般情况下，通信技术的更新换代需要向前兼容，即兼容2G\3G\4G，这会使得通信终端的射频成本快速增加。

以近年来中国移动力推的五模十频手机，即2G的GSM，3G的

TD-SCDMA、WCDMA，4G的TD-LTE、LTE-FDD五个模式，TD-LTE

Band38/39/40，TD-SCDMABand34/39，WCDMABand1，LTEFDD

Band7/3，GSMBand3/8等10个频段，其所需要的射频成本估计在90元左右，而一部低端的2G手机的射频成本不到10元。

表1：

随着通信制式的升级，终端射频成本也快速上升

单从频段数量上来讲，4G增加了5个频段，包括TD-LTE和FDD-LTE。

TD-LTEBand38/39/40（不分上下行）：

Band382570-2620MHz、Band391880-1920MHz、Band402300-2400MHz；

FDD-LTEBand3/7：

Band7U:

2500-2570D:

2620-2690；Band3

U:

1710-1788D:

1805-1880。

5G包括三大应用场景，包括增强型移动宽带（eMBB）、海量物联网通信（mMTC）、低时延、高可靠通信（uRLLC）。

我们预计，eMBB或将导致手机终端至少增加5个频段，uRLLC或将导致车载终端至少增加5个频段。

3.2.更高频率——基站密度更高、高频射频器件受重视

◆小基站——自组网，呈现消费电子属性

如前文所述，800MHz频率的覆盖半径约为2.1GHz频率的2倍，那么要达到同样的覆盖效果，2.1G组网所需要的基站数量约为800M的5倍。

而5G时代的主力频段可能落在3.5GHz和4.5GHz附近。

我们预计，5G宏基站的数量将达到4G宏基站的2倍以上，同时公共区域的小基站数量将是宏基站数量的10倍以上，而在私人空间区域小基站将取代无线路由器。

这些海量的小基站将具备自组网的功能，同时在产品属性上将类似于无线路由器，表现出较强的消费电子属性。

但是我们认为，在私人空间区域小基站取代无线路由器将是一个较为漫长的过程，因为前提是无线上网流量资费要降低到足够便宜，能够和固网流量匹敌。

目前，固网流量和无线网流量在城域网层面汇聚，未来要做到固网流量和无线网流量价格趋于一致，需要下沉到核心网层面汇聚，而这涉及到网络架构的较大变革，注定是一个漫长的过程。

◆功率放大器（PA）——从砷化镓到氮化镓

目前功率放大器的基础材料基本都是砷化镓，砷化镓在3GHz以下的频率具有价格优势，但是随着5G的频率上升到3GHz以上，砷化镓材料的性能就无能为力，氮化镓将取而代之。

图7：

氮化镓更适合高频器件，将成5G新星

碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）被誉为第三代半导体材料的双雄。

第一代半导体材料是硅（Si），至今仍旧是应用最多的一种半导体材料，主要应用在数据运算领域。

第二代半导体材料的代表是砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP），适用于制作高速、高频（3GHz以下）功率器件和发光电子器件，主要应用于通信领域，比如卫星通讯、移动通讯、光通信、GPS导航等。

氮化镓（GaN）半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场高、饱和电子速度大、热导率高、介电常数小、化学性质稳定和抗辐射能力强等优点，成为高温、高频、大功率微波器件的首选材料之一。

美国、日本在氮化镓材料方面起步较早。

美国处于领先地位的公司有TDI、Kyma、ATMI、Cree、CPI等，日本领先的公司有住友电工、日立电线。

根据YoleDeveloppement的估测，2014年氮化镓器件的市场规模约为1200万美元，而2020年将达到6亿美元，而长期潜在市场空间可能达到90亿美元。

◆滤波器——从声表面滤波器（SAW）到体声波滤波器（BAW）

同样的，目前主流的滤波器是声表面滤波器（SAW）。

在2.5GHz以下的频率，SAW具有价格优势。

但是2.5GHz以上，SAW就无能为力，体声波滤波器（BAW）将取而代之。

SAW和BAW均是MEMS器件，均是利用了压电材料的压电效应制成的滤波器件，不同之处在于内部结构。

简单的说，压电材料可以将电波和声波之间进行转换，SAW将电波转换成压电材料表面传播的声波，SAW将电波转换成压电材料体内传播的声波。

SAW的基片是由压电材料（如铌酸锂或石英晶体）制成，左侧接信号源的一组称为发送换能器，右侧接负载的一组称为接收换能器。

发送换能器将信号源转换成声波，接收换能器将声波转换成电波。

通过改变换能器的尺寸，可以实现不同频段的滤波。

图8：

SAW滤波器频率和特征尺寸成反比，适合2.5GHz以下频率

频率越高，换能器的尺寸越小。

很小的间距（高频率）下电流密度太大（高功率）会导致电迁移和发热等问题，所以SAW不适合大于2.5GHz以上的频率。

目前世界SAW滤波器的年产量在6亿只以上，其中移动通信等用小型化SAW滤波器达4.3亿只。

日本富士通、三洋电器、丰田等少数几家掌握压电基片生产技术的制造商垄断了世界SAW滤波器市场。

BAW滤波器的基本结构是两个金属电极夹着压电薄膜（2GHz对应厚度为2um），声波在压电薄膜里震荡形成驻波。

频率越高，压电薄膜的厚度越小。

图9：

SAW滤波器频率和特征尺寸成反比，适合2.5GHz以下频率

BAW滤波器对温度变化不敏感，这使得BAW更适合2.5GHz以上的高频率。

4.相关建议

我们认为，应该从三个角度寻找投资标的：

1、小基站。

我们判断，在公众场合小基站数量将数十倍于宏基站，而私人领域的市场规模更是不可估量。

推荐在小基站领域有储备的共进股份；同时通宇通讯受益。

2、射频器件。

我们认为，5G时代体声波滤波器BAW将成为新星；同时我们也认可声表面滤波器SAW在3G、4G手机中进口替代的市场机遇。

麦捷科技、信维通信将受益于SAW的进口替代，同时不排除未来进入BAW领域。

3、光模块。

2018年增强型移动宽带eMBB标准的确定，将带动移动带宽30倍以上的提升，势必给核心网带来极大的升级压力；同时，我们认为小基站大规模普及的前提是固网下沉到核心网层面与移动网络汇聚。

推荐光模块产业链标的共进股份、天孚通信、光迅科技；同时新易盛受益。

5.风险提示

1、我们预计，2017年之前5G对相关标的仍不能贡献业绩，相关标的业绩不理想可能导致股价下跌。

2、按照3GPP的规划，2018年增强型移动宽带标准（eMBB）确定，但仍旧存在推迟的风险。

3、随着通信技术的升级，移动运营商的资本开始逐步变大，但是其收入和利润规模可能并不能随着增长，造成运营商5G建设动力不足。