2018年5G系列专题研究报告四.pdf

证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 未经许可，禁止转载 证券研究 报告 行业深度研究报告 通信设备 5G 系列报告四： 5G 带来高频需求，射频行业弹性最大 行业 评级 推荐 评级变动 维持 事 项 Massive MIMO，也叫 3D MIMO，是 5G无线传输中的关键技术之一。其核心的宗旨就是通过大规模的天线阵列来实现 5G通信中更高的频谱效率、更大的覆盖范围以及更低的每比特成本。 在 GTI给出的 Massive MIMO演进路线图中，目前已经进入 Massive MIMIO商用的阶段，规模化应用也将逐步临近。 主要观点 1.Massive MIMO助力 5G提升频谱效率，降低建站成本 在香农公式的约束下，通信行业提升频谱效率的能力渐露疲态 。 而 4G阶段频谱效率为 5Gbps/Hz 左右， 5G 需要提升到 30Gbps/Hz。如此高的频谱效率提升，势必需要借助 Massive MIMO带来的空分复用能力。 同时由于 5G的频谱更高，在同样的其他条件下， 5G频谱的覆盖能力要小于4G。在运营商为减少 Capex 支出的期望下，提升 5G基站的覆盖范围就需要增加功率或者天线增益。而增加天线增益是不增加功率（ Opex）的最好方式，因此就需要用到 Massive MIMO的波束赋形来提升增益。 2.设备商和运营商持续推动 Massive MIMO商用 从 GTI的 Massive MIMO白皮书上，我们看到 Massive MIMO的硬件部署已经逐渐开始，早期的部署主要以 16T 为主，未来可 通过 软件持续升级来平滑过渡到 5G。 国内的基站设备商中兴和华为都纷纷推出了自己的商用产品，同时在关键性能如波束赋形和频谱效率上都通过的运营商的测试。 独立 天线厂商如通宇已经推出了自己的样机 ； 摩比在 2017年中报已经实现 1000 万的销售收入 ；京信通信虽然没有对 Massive MIMO 做宣传，但作为国内独立天线厂商龙头企业，其技术储备也不可小觑。 3.Massive MIMO带来无线侧器件技术革新 Massive MIMO 的到来，将对天线、射频器件、 PCB板的用量和形态都产生影响 。 用量增长主要来自于 5G 高密集组网带来 基站数增加以及 Massive MIMO 带来每基站的通道数的增加；形态的变化主要来自于高频、小型化和集成化，引起高频 PCB板对馈线的替代、滤波器有可能从金属腔体转向介质以及 GaN PA或将大规模替代 LDMOS PA。 4.投资建议： 我们认为 Massive MIMO作为 5G/Pre-5G 使能的关键技术，其应用将逐渐普及，并先于 5G 拉开帷幕。在通道数变多，同时射频端诸多新产品和新技术开始推出的时候，不同环节卡位较好的产商有望不同程度地受益。我们建议重点关注高频 PCB/覆铜板：生益科技、深南电路、沪电股份；基站天 线：通宇证券分析师：束海峰 执业编号： S0360514060001 电话： 010-66500831 邮箱： shuhaifenghcyjs 证券分析师：张弋 执业编号： S0360516080003 电话： 010-66500853 邮箱： zhangyihcyjs -13%2%16%31%17/02 17/04 17/06 17/08 17/10 17/122017-02-06 2018-02-02 沪深 300 通信设备 行业 表现对比图 (近 12 个月 ) 华创 证券 研究所 行业 研究 通信设备 2018 年 02 月 04 日 行业深度研究报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 2 通讯、摩比发展（港股）、京信通信（港股）；基站滤波器：春兴精工、东山精密、风华高科（国华新材料）、武汉凡谷、大富科技；以及基站 PA：三安光电、扬杰科技、海特高新、奥瑞德。 5.风险提示： 1.5G投资不及预期； 2.行业竞争加剧。 行业深度研究报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 3 目录 一、 Massive MIMO： 5G无线传输关键技术 . 6 （一）基站天线 移动通信关键构成 . 6 （二） Massive MIMO：大规模阵列天线是什么 . 7 二、 Massive MIMO：如何助力 5G . 8 （一） SCMA：实现基于空间的复用 . 9 （二） Massive MIMO 提高天线覆盖能力 . 10 （三） Massive MIMO 有望推动天线有源化 .11 三、行业持续推动， Massive MIMO有望更快实现标准化 . 12 1、中兴通讯 . 13 2、华为 . 13 3、运营商 . 14 4、独立天线厂商：通宇通讯、摩比发展、京信通信 . 15 四、 Massive MIMO对产业带来的变化 . 16 (一 ) 5G 超密集组网带来基站天线数量大幅增加 . 16 (二 ) 天线阵子和连接方式的变化催生 PCB需求 . 17 (三 ) 通道数的增加催生单基站射频器件需求提升 . 18 五、行业中哪些公司将受益 . 19 (一 ) 天线厂商 . 19 (二 ) 射频 PCB厂商 . 21 (三 ) 射频器件厂商 . 22 (四 ) 投资建议 . 23 (五 ) 风险提示 . 23 行业深度研究报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 4 图表目录 图表 1 基站在传输网络作用示意图 . 6 图表 2 基站天线演化进程 . 7 图表 3 多收多发天线图示 . 7 图表 4 Massive MIMO 带来的好处：提升速率、可靠性和能效 . 8 图表 5 ITU定义的 5G 八大关键能力 . 8 图表 6 通信系统升级的历史 . 9 图表 7 空分复用图示 . 9 图表 8 波束赋形的实现方式 . 10 图表 9 波束赋形无线信号示意图 . 10 图表 10 大规模天线可以扩大信号传输距离 . 10 图表 11 基站结构演进 .11 图表 12 基站天线实景 1 .11 图表 13 基站天线实景 2 .11 图表 14 馈线损耗 . 12 图表 15 摩比发展 2017 中 期天线收入结构 . 12 图表 16 全球无线接入网收入 . 12 图表 17 Massive MIMO 5G 演进 . 12 图表 18 ZTE TDD-LTE Massive MIMO 天线 . 13 图表 19 ZTE TDD-LTE Massive MIMO 天线特点 . 13 图表 20 华为 Massive MIMO 天线主要特点 . 14 图表 21 上海 TDD 的 Massive MIMO 测试结果 . 14 图表 22 中国联通基站图 . 15 图表 23 峰值情况展示 . 15 图表 24 5G 超密集组网示意图 . 16 图表 25 2T2R 基站天线内部结构 . 17 图表 26 中兴通讯 TDD Massive MIMO 2.0 . 18 图表 27 Massive MIMO 天线框图 . 19 图表 28 4G 基站建设数量 . 19 图表 29 基站天线均 价在 4G 建设初期逐年提升 . 20 图表 30 基站天线厂商历年收入分析 . 20 图表 31 中国 PCB产品应用领域 . 21 图表 32 中国 4G 时代 Rogers PCM（ Printed Circuit Materials）业务收入和利润变化 . 21 行业深度研究报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 5 图表 33 深南电路高频微波板产品进展 . 22 图表 34 基站腔体滤波器 . 22 图表 35 基站 PA . 22 图表 36 RF 功率器件市场空 间 . 22 图表 37 GaN将逐步替代 LDMOS . 22 图表 38 功率器件性能比较 . 23 行业深度研究报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 6 一、 MassiveMIMO： 5G无线传输关键技术 Massive MIMO，也叫 3D MIMO，是 5G 无线传输中的关键技术之一。其核心的宗旨就是通过大规模的天线阵列来实现 5G 通信中更高的频谱效率、更大的覆盖范围以及更低的每比特成本。 我们首先来介绍一下基站天线是什么： （一） 基站天线 移动通信关键构成 在蜂窝移动通信系统中，基站天线的作用就是在基站和服务区内各移动站之间建立无线电传输线路，基站天线在移动通信中扮演着“上传下达”的重要角色，直接关系到移动通信网络的覆盖范围和服务质量。基站天线的建设是通信运营商投资的重要部分，基站天线作为移动通信网络中基站最为关键的设备，其发展与移动通信技术的发展密切相关。 图表 1 基站在传输网络作用示意图 资料来源 ： 百度百科 基站天线按照辐射方向图来区分可分为全向天线和定向天线，全向天线一般用于移动用户密度较低的市郊、农村等地区；而在用户密度高的城市地区，通常分裂为更小的扇形小区，每个扇区采取定向天线。从 2G 到 4G，移动基站天线经历了全向天线、定向单极化天线、定向双极化天线、电调单极化天线、电调双极化天线、双频电调双极化到多频双极化天线，以及 MIMO 天线、有源天线等过程。 行业深度研究报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 7 图表 2 基站天线演化进程 资料来源 ： Ittbank （ 二 ） Massive MIMO：大规模阵列天线 是什么 我们知道基站天线的发展历程是由单通道到多通道 ，随着无线通信系统容量需求的提升，为了获取更高的通信容量和覆盖增益，基站天线的通道数量也逐渐提升。 最开始基站天线采用的是 SISO（ Single-Input Single-Output）单输入单输出系统， SISO 系统一次只能发送和接收一个空间流。 之后的 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线， 使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。 图表 3 多收多发天线图示 资料来源 ： 移动通信网 在不增加频谱资源和天线发射功率的前提下，信道容量可以随着天线数量的增大而线性增大。使用 Massive MIMO应用场景下，将通过布局大规模天线阵列实现信号多发多收，充分利用空间资源，成倍的提高系统信道容量，同时提升 无线信号的覆盖范围。 行业深度研究报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 8 图表 4Massive MIMO带来的 好处：提升速率、可靠性和能效 资料来源 ： 中兴通讯 二 、 MassiveMIMO： 如何助力 5G 从通信容量来看，香农极限决定了单信道的容量。 香农公式 ： C=B log2(1+S/N) C 是信道容量， B 为信道带宽（频谱资源）， S/N 为信噪比。因此如果要提升通信容量，则只能拓宽频谱资源，或者进一步提升信噪比。由于频谱资源是有限的，因此在考虑拓宽频谱资源的同时，通信产业内也在想方设法提升单位频谱上的通信能力，也就是频谱效率。 ITU定义的 5G 八大关键能力中，对频谱效率就直接提出了 2-5 倍的需求。 图表 5ITU 定义的 5G八大关键能力 资料来源 ： ITU 频谱效率 =C/B=log2(1+S/N) 而频谱效率的提升需要靠提高信噪比，频谱效率需要对信噪比取对数，就意味着为了提升频谱效率而在信噪比上的投入很大，同时信噪比的提升是通过提高信号功率或者降低噪声来实现，而噪声是无法消除的，所以信噪比本身也行业深度研究报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 9 难以无限提升。因此为了突破香农极限， 5G 将引入 SCMA（空分多址） 技术，用以提升过去单位频率和时间基础上的信道容量，以此 来实现频谱效率的提升 。 而实现 SCMA的核心关键，就在于 Massive MIMO 天线。 （一） SCMA：实现基于空间的复用 当我们回顾移动通信系统 的历史的时候，我们可以看到从第一代移动通信（模拟）开始，每一代的通信系统都提出了更加有效的复用方式，用以在单位时间和频谱资源上提升信道容量。 图表 6 通信系统升级的历史 资料来源 ： 华为 SCMA 提出了一个基于空间维度的复用方式，通过指向性的无线信号辐射，可以在原来的时间和频率基础上增加空间维度的复用 ，因此可以在同一时间在不同方向上建立通信信道。 图表 7 空分复用图示 资料来源 ： 微波射频网 实现 SCMA的关键就在于增加天线阵子的数量，通过阵子之间发射不同相位的信号， 用以实现无线信号的指向性发射。因此通过不同波束赋形之间的组合，就可以实现同时建立基站和多个用户终端之间的连接，从而大幅提升频谱效率。 按照目前 4G LTE 较为流行的系统来看， TD-LTE在使用 20MHz带宽的情况下，下行能达到 100Mbps/Hz左右，也就意味着不考虑开销的情况下频谱效率能够达到 5bps/Hz左右。而 5G 基站要求在 100MHz的带宽下能够达到单基站 3Gbps 的下行速率，频谱效率要求达到了 30bps/Hz。在香农公式的约束下，大规模阵列天线成为实现频谱效率行业深度研究报告 证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号：证监许可（ 2009） 1210 号 10 大幅提升的关键技术。 图表 8 波束赋形的实现方式 图表 9 波束赋形无线信号示意图 资料来源 ： Ampleon 资料来源 ： 赛灵思中文社区 （ 二 ） Massive MIMO提高天线覆盖能力 除提升频谱效率以外， Massive MIMO 使用 波束赋形 技术 后，由于多个天线辐射的信号叠加，在指定的方向 还 能获得明显的阵列增益 ，或者在相同天线增益要求下，通过多个天线信号叠加，每一通道信号的增益要求显著降低。 以上 为 自由空间 天线 传播模型公式，我们可以做一个简单的解读： 接收功率 =（发射功率 *发射天线增益 *接收天线增益 *波长 的 平方 ） /（常数 *距离的平方 *其他损耗 *） 也就是在给定其他条件下， 5G 由于频率高于 4G 因此波长比 4G 信号小， 5G 基站的覆盖距离要大幅小于 4G 基站。为了弥补高频带来覆盖范围的损失，减少基站数量的建设，引入大规模天线 以增加发射天线增益 变得尤为重要。 图表 10 大规模天线可以扩大信号传输 距离 资料来源 ： 信通院， GSMA Massive MIMO 技术，可以通过多波束来达到空分复用， 实现频谱效率的大幅提升； 同时还能在每一个波束上增强指定方向的发射功率，用以弥补在 5G 高频段上的覆盖能力缺陷 ；此外 Massive MIMO 系统 还可以相应地降低每一个子通道的功率要求。