5G移动通信行业深度展望调研投资分析报告.docx
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5G移动通信行业深度展望调研投资分析报告
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2017年12月
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Why5G？
——无线通信有望成为下一个通用性技术
5G关键能力：
万物互联时代，无线通信有望成为下一个通用性技术
5G将使得移动通信由宽带时代走向万物互联的时代。
为了应对移动数据流量的持续爆发增长，未来海量设备的连接入网，以及各类新的业务和应用场景的不断涌现，第五代移动通信系统（5G）应用而生。
从技术的角度来说，5G是在4G的基础上进一步升级、演进；但若从移动通信对经济社会影响的角度来看，5G有望使移动通信技术成为一种新的“通用性基础技术”。
5G的落地不仅会满足人们在居住、工作、休闲、交通等各种区域的业务需求，同时5G还将渗透到物联网及各种行业领域，有效满足工业、医疗、交通等垂直行业的业务需求，实现真正的“万物互联”。
未来，万物互联通信的需求皆可得到满足，无线通信技术也有望成为像电力一样的通用性技术。
图表1：
移动通信技术不断演进
5G关键能力：
高速率、大容量、低时延。
为了满足连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接、低时延高可靠等应用场景的需求，对5G的关键性能指标提出了很高的挑战。
包括：
传输速率：
为用户提供100Mbps~1Gbps的用户体验速率；
系统容量：
百万/km2连接数密度；
空口时延：
低至1ms的空口时延；
可靠性：
接近100%的业务可靠性保证；
超低功耗、超低成本等。
图表2：
5G主要场景及关键指标挑战
5G关键技术：
5G通过一系列的技术创新来实现上述关键性能指标，技术的创新主要来源于无线技术和网络技术两个方面。
在无线技术领域，技术的创新主要包括大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入、基于滤波的正交频分复用（F-OFDM）、全双工、灵活双工等；在网络技术领域，技术的创新主要包括软件定义网络（SDN）、网络功能虚拟化（NFV）等。
部分5G关键技术的简介如下表：
图表3：
部分5G关键技术简介
为什么需要5G之一：
潜在应用需求推动移动通信技术不断演进
潜在的应用需求是推动4G向5G演进的核心驱动力之一。
上文我们介绍了5G的关键性能指标，相比4G有质的飞跃，为了实现这些关键指标需要突破多项关键技术。
很多人开始困惑，4G已经可以实现宽带移动通信体验，在线浏览高清视频无比流畅，我们是否需要花费巨大的投入来升级至5G？
实际上，从下游需求的角度看，实现真正的VR需要24K的分辨率，对移动通信的带宽提出了新的需求；车联网实现自动驾驶需要系统时延小于5ms，对移动通信系统的时延提出了新的目标；物联网的连接数远高于人与人通信的连接数，对移动通信系统的容量提出了新的要求。
接下来，我们分别从高速率、大容量以及低时延三个角度来详细回答为什么我们需要5G。
VR对带宽的需求超出现有移动通信系统所能达到的上限。
VR（虚拟现实）是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，是一种不同于视频和音频的新媒体类型。
VR除了在全景视频、娱乐的方向有较大应用前景外，在购物、看房、旅游、教育等垂直领域均有着较为广阔的应用前景，因而也成为了业内公认的重要战略业务之一。
由于VR具有1）空间、2）交互、3）实时三大要素，使得VR应用涉及海量信息的实时连接和流动，不可避免地对传输网络提出了新的要求和挑战。
VR的空间属性带来全景视角体验，带宽需求较传统视频大幅提升。
用户在虚拟现实环境的视角可以看做是一个横向360度、纵向180度的球体，用户在VR终端单眼看到的视觉信息只是全部球面数据的一部分，这部分面积由终端提供的视场角决定（FieldofView，即FOV）。
VR画质和体验的指标可由单眼FOV分辨率来决定，即FOV区域中单位角度可见的像素数量（Pixelsperdegree，PPD）。
PPD的数值越高，视场内的像素密度越高，画质和体验会更好。
一般情况下，PPD大于等于60时，人眼就无法分辨像素点之间的间隔（iPhone视网膜屏的PPD为
57）。
引入全景体验使得VR终端显示屏的分辨率较传统屏幕大幅提升，进而对带宽的需求也显著提升。
为了直观的理解实现全景视角对屏幕分辨率提升的影响，我们选取了几种不同的PPD值、FOV值等参数指标，对VR屏的分辨率以及带宽需求进行了测算，详细计算结果见下文表格：
图表4：
VR全视角可看做一个空间球面
图表5：
不同PDD指标情况下VR屏幕分辨率及带宽需求的测算
4G带宽难以支持VR良好体验效果，5G则可提供传统TV2K以上效果。
从以上计算结果可以看出，当PPD达到30时，VR视频对带宽的需求就已经超过4G带宽的上限。
此时屏幕的显示效果仅相当于传统480PTV，头部转动时画面边缘的锯齿效应会产生视觉闪烁等造成使用者不适的现象，影响VR体验效果。
而5G带宽有望达到4G带宽的10倍以上，可以支撑等效传统TV2K的显示效果，PPD也可达到60。
图表6：
VR游戏图像边缘的锯齿效应影响体验效果
物联网对系统容量的需求远超现有移动通信系统所能承载的极限。
将物联网场景纳入其中是5G和之前移动通信技术最显著的区别之一，连接入网的终端数因而成倍增加，对系统容量提出了新的挑战。
根据中国通信网的预测，2020年全球移动用户数量将增长至62亿；另一方面，IDC预测2020年全球物联网连接数将达281亿个，是移动用户数的4倍多。
显然，物联网终端设备的增长潜力远高于移动用户，为了应对未来爆发增长的连接数，移动通信系统的容量必须大幅扩充。
目前，一个4G基站所能容纳的最大用户数约为1000个，现有基站的系统容量显然无法满足物联网的连接需求。
未来，5G的连接数将为4G的10~100倍。
图表7：
2020年全球智能设备用户数预测
图表8：
物的连接数增长显著高于人的连接数
车联网对系统时延的要求远超现有移动通信系统所能承受的上限。
对于一些较为特殊的物联网应用领域，如车联网，它需要对数据进行实时高密度传输，不仅可以实现一些基本的车内娱乐功能，还可提升行车安全、减缓拥堵、优化出行节能等。
目前，5G车联网的标准制定正处于业务场景和需求确定阶段。
3GPP在最新的技术报告中将25个5GV2X业务场景分成了车辆编队（VehiclesPlatoonning）、扩展传感器（ExtendedSensors）、先进驾驶（AdvancedDriving）和远程驾驶（RemoteDriving）四个场景。
在车辆编队场景下，多部车辆排成一列，像火车一样行驶。
为了保持车辆之间的距离，每部汽车均需要分享其速度、方位、刹车、加速等行驶状态信息。
通过编队，可以减小汽车之间的距离、减少能源消耗甚至减少开车的司机。
普通编队条件下，车辆之间的距离在2~5m；高密度编队条件下，车辆之间的距离为1m。
假设一辆汽车的行驶速度为100km/h，仅需36ms的时间汽车就会向前行驶1m。
4G网络的时延大约为50ms，显然会有一定的安全隐患。
在远程驾驶场景下，车辆通过远程驾驶员或云端计算机来进行控制。
在云端可以更加系统、全面地对大量车辆进行控制，实现交通系统资源的最优化配置，有助于减缓交通拥堵、节省乘车时间并最终减少能源消耗。
出于对安全性和可靠性的考虑，3GPP明确规定远程驾驶系统的时延需小于5ms。
5G未来有望将网络时延降至毫秒级别，以满足低时延、高可靠场景的需求。
图表9：
网络时延显著影响车联网的安全性
图表10：
不同网络时延行车距离测算
为什么需要5G之二：
运营商拓展成长空间、提升运营效率
运营商的业务扩张需求也是推动4G向5G演进的重要驱动力。
业务扩
张是运营商愿意升级5G的最直接动力。
鉴于人与人的连接已经接近饱和，不管平板电脑还是智能手环等设备，其对于连接数增长的带动作用都是线性的、较为缓慢的，而物联网潜在的连接数增长无疑是充满想象的，也因此成为运营商不可错过的蛋糕。
回顾运营商扩张路径：
连接数增长远比单纯的技术升级来得重要。
从国
内外运营商发展历程来看，不论是语音、短信还是数据流量业务，技术的升级和迭代并没有增加用户的消费水平。
在4G时代，用户人均消费流量大幅增长，但对于运营商来说，同一个用户选择流量较高的套餐会造成运营商单位流量收益的下降（例如上海移动流量套餐1G为50元，2G为70元，相当于第二个1G仅为20元）。
与此同时，选择高费用套餐的用户只是从原来的语音、短信业务迁徙至数据业务，客户本身提高消费的意愿并不强，最终导致ARPU值不升反降。
实际上，在单个用户营收贡献逐步下滑的背景下，运营商营收规模的上升主要是由用户数的增长来驱动的。
鉴于5G在物联网方面潜在的海量连接数，运营商对于升级5G的动力也就不言而喻了。
图表11：
中国移动用户数、营业收入及ARPU值的趋势
图表12：
不同系统下行连接频谱效率比较
图表13：
不同系统上行连接频谱效率比较
频谱效率进一步提升，降低单位比特成本。
频谱效率指单位频带所支持
的数据速率或用户数。
在频段、频谱数量、小区位置等因素不变的条件下频谱效率越高意味着一定负荷条件下支持的用户数较多，或者在用户数相同的条件下，单个用户的吞吐量较高。
通常情况下，提升频谱效率会导致系统复杂性增加，运营商需要考虑成本和需求之间的平衡，而LTE和5G所采用的OFDMA技术则可以在简化系统复杂性的同时提升频谱效率，这一优势在带宽较大时尤为明显。
此外，MIMO技术的应用可以在单个天线的传输率不变的情况下提升整体信息传输率，因此大规模MIMO技术也成为进一步提升频谱效率的主要途径之一。
3GPP的报告显示，基于目前仿真和实验的结果，设备商预计频谱效率可以提升15%
到20%。
网络架构虚拟化，业务部署灵活化。
虚拟化技术如网络切片技术的引入，可以让运营商通过不同的业务特点提供多重服务。
对选择订购某项应用的用户，该用户仅可见到对应该应用的网络切片，其他切片对于该用户是不可见的。
采用这种架构的好处在于，运营商可以基于一张基础网络通过提供多个网络切片来灵活的部署业务，不同的切片分别对应自动驾驶业务、增强移动带宽业务、物联网业务等。
下图是网络切片架构的示意图，在核心网内通过虚拟技术形成多个核心网络切片，对每个网络切片和外部网络的连接提供支持。
而虚拟化技术的引入，也会使得5G承载网络的架构发生一些变化（后面再详细讨论）。
图表14：
网络切片架构
5G发展进度：
标准冻结提前，商用部署加速
标准组织：
非独立组网提前冻结，独立组网按原计划推进
3GPP和ITU是移动通信领域国际上最具权威的两大标准集团。
ITU主要起领导作用，设定5G的关键性能指标，标准的具体制定工作则主要由3GPP来完成。
3GPP正在加速完成Release15（对应5G第一阶段标准），从而能够让运营商更快的实行5G的部署和商用。
Release15将5G演进路线分成了两类：
第一类是非独立组网（Non-Standalone）方式，5GRAN和LTE网络整合在一起，在保证兼容性的同时实现现有系统性能的进一步提升，在一定程度上满足5G场景与业务需求；另一类则是独立组网方式（Standalone），通过引入新的技术方案来满足5G新的业务需求。
目前，3GPP针对两类组网方式提出了多项选择方案，如下图所示，Option1、2、5是属于独立组网方案，Option3、4、7属于非独立组网方案。
图表15：
3GPPRelease15独立组网和非独立组网选择
非独立组网标准冻结时间提前，独立组网标准按原计划推进。
由于Verizon、AT&T等运营商在美国争相进行5G提前部署和试商用，日韩两国希望能够在平昌冬奥会和东京奥运会期间实现5G商用，全球主要运营商和设备商提议将5GNR非独立组网标准提前冻结。
3GPPRAN第75次全体大会正式通过了5G加速的提案，非独立组网标准将于2017年底完成、2018年3月冻结，较原计划提前半年，助力运营商提前实现5G部署；而独立组网标准将按原计划于2018年6月完成、9月冻结。
随后3GPP将正式启动5G第二阶段即Release16的编制工作，预计
2019年底正式冻结，部署工作预计在2021年开始（通常情况下标准正式冻结到部署需要18个月的时间）。
图表16：
3GPP5G时间表
运营商：
美国抢跑5G商用，中国与全球基本同步
运营商加速推进5G建设，5G投资时点有望前移。
2017年2月27日，28家通信巨头集体宣布，支持加速5GNR标准化进度，同意将5GNRNon-Standalone（非独立组网）从原计划的标准完成时间2018年6月提前到2017年12月，并在2019年实现5G新空口的大规模试验和部署，以满足部分运营商在2019年实现5G商用的强烈需求。
在2020年5G商用的预期下，全球运营商加速5G进程。
在美国，Verizon一直是5G技术演进最积极的支持者之一，计划率先在美国推出5G服务，2017年开始在美国11个城市进行5G固定无线试验，而AT&T则计划在2018年年底推出5G移动服务。
跨进运营商Vodafone和T-Mobile则分别计划2019年下半年正式开始推出商用的5G移动通信服务，在2020年底之前建成一个全国范围内的5G网络。
图表17：
运营商5G部署进度及计划
国内三大运营商计划将5G规模部署提前至2020年：
过去，我国3G、4G的发展都明显落后于发达国家，此次5G的推进将进入世界第一集团。
根据工信部、中国IMT-2020（5G）推进组的工作部署以及三大运营商的5G商用计划，我国于2017年展开5G网络第二阶段测试，2018年进行大规模试验组网，2019年启动5G网络建设，最快2020年正式商用5G网络。
虽然最早在MWC2015上，中国移动对中国规模部署5G预期的时间节点是2024年左右；但在MWC2017上，中国移动公布其5G规划，将5G商用规模部署提前至2020年。
中国联通、中国电信也公布在2020年达到5G的规模部署的计划。
图表18：
我国三大运营商5G部署计划
设备商：
华为Polar码增强话语权，中兴前期投入成果初显
通信设备成为中国角逐5G市场的主战场。
在整个移动通信产业链，通
信设备市场是国内最具优势的细分领域，全球四大设备商中华为、中兴分别位列第一和第四。
因此，通信设备也成为了中国角逐5G市场的主战场。
华为和中兴作为国内通信设备商的最主要代表，承载着中国在5G时代提升在移动通信领域话语权的希望。
二者通过和全球主要运营商开展密切合作，在5G相关的实验、测试等方面均处于领先水平。
华为Polar码增强话语权，中兴先期投入效果初显。
2016年11月，国际移动通信标准化组织3GPP将Polar码（极化码）确定了作为5GeMBB（增强移动宽带）场景的控制信道编码方案。
作为华为主导的编码方案，Polar码被确定为控制信道编码方案打破了美国和欧洲在这一领域的垄断地位。
这一事件使得中国不仅在相关专利费用方面具有一定的优势，更是中国提升通信领域国际话语权的开端。
中兴通讯针对5G同样投入了大量人力物力，从目前的进展来看，先期的投入已经效果初显。
MWC2017中兴发布5G全系列高低频预商用基站产品，并在展会现场真实演示了5G高频基站50Gbps峰值速率。
2017年6月，中兴与中国移动合作在广州大学城开通了国内首个5G基站，参与测试的用户单终端下行
峰值速率达到了2Gbps以上小区容量达到5Gbps，远超现有网络速率。
5G运营商投资规模有望大幅上升，投资周期或将持续更久
与市场上大多数报告不同，我们采用自下而上的方式，通过对5G单基
站覆盖面积的测算以及对三大运营商建网策略的预测，深入调研产业链，得出未来三大运营商建设5G网络所需宏基站、小基站的数量；并对5G相关的各项设备单价进行合理预测，综合以上信息，对5G各项细分领域设备投资增长进行测算。
图表19：
国内5G运营商投资规模测算逻辑图
5G基站有效覆盖面积估算
5G试验频段敲定，频率提升基站理论覆盖半径再次减小。
距离根据工
信部发布的相关文件，国内目前开展5G试验的频段分别为3300~3600MHz、4400-4500MHz、4800~5000MHz、24.75GHz~27.5GHz、37~42.5GHz五个频段，其中4400-4500MHz频段的使用不能对其他无线电业务造成干扰。
频率的选择是对5G投资规模测算非常重要的基础数据，它在很大程度上决定了基站的覆盖范围，进而影响基站的建设规模。
根据移动通信原理，在收、发功率比以及收、发天线增益均不变的情况下，信号的传输距离和频率是呈反比的。
若4G基站的信号传输半径为R，频率为2.3GHz，则可据此计算出上述频段理论传输半径。
图表20：
不同频率信号传输半径理论计算结果
图表21：
不同频率信号传输半径示意图
由于基站的真实覆盖半径和传输速率、业务质量、遮挡物等参数有关，实际中通常使用经验模型来进行估算，例如Hata、COST-Hata模型等。
但5G基站覆盖范围尚无经验模型，因此我们只能参考4G基站在不同场景的覆盖半径以及上面计算的理论传输半径来进行估算。
计算的结果如下表所示，3.5GHz和4.9GHz频段的传输半径在160~280m之间，而26GHz和29GHz频段的传输半径在35m左右，相比4G基站的传输半径进一步减小。
图表22：
5G试验频段在城市和郊区场景覆盖半径估算
基站覆盖范围计算：
我们选取常见的两类基站，即全向站和三扇区站，全向站一般较多用于空旷的区域，对应郊区场景；三扇区站一般较多用于城市部署，对应于城市场景。
二者的拓扑结构及覆盖面积计算公式如下图所示。
根据前面估算的基站覆盖半径，即可计算单站覆盖范围。
图表23：
全向站及三扇区站的拓扑结构和单站覆盖面积示意
图表24：
全向站及三扇区站5G试验频率覆盖范围测算结果
运营商布网策略及进度预测
2018年开始小范围试商用部署，布网周期可能持续至2025年。
参考
3GPP冻结并完成5G标准的时间节点，我们预计国内5G试运营牌照将会在2018年底到2019年发布，但相关投资在牌照正式发放前就有望以试商用的形式落地。
结合目前已知的三大运营商5G商用计划，2018年逐步开始小范围的试商用部署，2019~2020年开始预商用。
我们预计，虽然5G部署时间提前，但整个部署周期相对4G可能会更长。
该预测主要基于以下几点因素：
5G完整标准2019年才能冻结，全面部署时间预计在2020年后。
为了满足部分国家和运营商对5G提前部署的需求，3GPP通过了5G第一阶段标准加速的提案。
虽然加速提案使得5G开始部署的时间提前，但是5G完整标准要在2019年才能冻结，根据以往的经验，标准冻结后18个月左右的时间会开始正式进入网络部署阶段，意味着5G全面部署时间在2020年以后。
运营商面对利润率的考核压力，4G仍在投资回报期，快速投资5G的动力不足。
利润率是央企非常重要的考核指标。
根据最新的统计数据，截止2017年8月，国内三大运营商4G用户总数为9.3亿户，占移动电话用户总数的67.2%，4G用户的渗透率还有较大的提升空间。
4G建设高峰过后，运营商需要将前期投资转化为利润的同时为后续5G的投资做准备。
应用场景还未完全成熟，采取渐进式部署策略最为明智。
3G升级到4G不需要培养用户使用数据的习惯，智能终端的升级在技术上也很容易实现，但VR、无人驾驶等5G典型应用场景的技术还处在研发阶段，用户和市场也需要一定的培育期，使得运营商在5G初期没有迅速规模化建站的强烈需求。
低频宏基站实现广域覆盖，高频小基站负责提升容量、优化体验。
LTE
时代，小基站就已经开始应用于室分系统等场景，来解决信号覆盖质量的问题。
5G时代，小基站在整个网络中扮演的角色更加重要。
由于低频段可用资源匮乏，带宽不足以承载5G对大容量、高速率、低时延的要求。
从目前产业界的研究和试验结果来看，使用高频段高带宽的小基站将是提升整个网络容量、优化用户体验的主要途径。
因此，除了低频宏基站负责5G信号的广域覆盖以外，大量高频小基站需要部署在热点区域满足用户使用需求。
因此，5G运营商布网策略可以总结为两点：
1）布网时间提前，但布网时间拉长，建网周期有望持续5~7年；2）除了低频宏基站实现广域覆盖以外，5G网络将新增大量高频小基站用于支撑热点区域的大容量承载。
图表25：
5G时代运营商采用低频宏基站+高频小基站布网策略
5G实现低频广域全覆盖约需400万台基站，高频深度覆盖还需5000万小基站。
根据《2016中国统计年鉴》，2015年底全国城市建设情况城区面积19.17万平方公里，建成区面积5.21万平方公里。
我们将上述两个面积分别作为广覆盖和热点覆盖的区域面积，结合此前得到的单站覆盖范围可以算出，5G广覆盖所需的宏站约180~360万站，深度覆盖所需的小基站约为2800~3500万站。
该计算方法并未考虑基站之间的重叠面积，因此实际基站数还要更多。
此外，我们也可以借助4G基站的数量来对5G基站数量进行测算。
三大运营商中，移动的4G基站覆盖面最广，2017年上半年中国移动已拥有165万站宏基站，假设4G网络最终需建设200万站宏基站，则5G宏基站数目约为460万~1000万站。
综合以上测算结果，我们预计实现5G广覆盖约需400万站宏基站，深度覆盖还需要5000万站以上的小基站。
图表26：
根据城市建设面积测算5G基站数
图表27：
根据4G基站数测算5G基站数
我们对三大运营商具体建设进度的预测见下表，其中宏基站有一部分是从4G基站升级完成，此类基站暂时不需建设传输及配套设施，只需更新主设备即可。
图表28：
三大运营商5G规模部署进度预测
5G运营商投资规模测算
结合4G宏基站基础配套设施、主设备、传输设备的投资成本，我们对5G宏基站的相应投入成本进行了预测。
图表29：
5G宏基站配套设施及主要器件、设备价格预测
图表30：
5G宏基站投资预测（单位：
亿元）
我们测算国内运营商2018~2025年5G宏基站投资规模总额约1.13万亿元。
其中主设备投资总额约4800亿元，传输投资总额约4300亿元，配套投资总额约2400亿元，天线和射频投资总额约过500亿元。
此外，我们也对5G小基站的投资总额进行了测算，假设单个5G小基站的投资成本为2000元，则三大运营商小基站投资总额超过2000亿元。
需要注意的是，对于小基站建设规模的测算，我们仅考虑了单次覆盖热点区域的情况。
实际上，为了满足热点地区的使用需求，部分区域可能会大量建造小基站，最终小基站的覆盖面积会远大于热点区域面积。
因此，小基站的建设规模及投资规模很有可能超过我们的测算结果。
图表31：
5G小基站投资预测
5G细分领域投资机会分析
在对运营商5G基站投入进行测算之后，1.3万亿的总投资规模相比4G阶段总投入增长超过70%，再考虑5G建设带动其他领域投入的增长，新一轮的资本盛宴即将开启。
5G细分领域众多，不同领域的投资时序也有所不同，大致的投资时序见下图。
此外，如何把握具体的投资要点还需要对5G细分领域进行更细致的分析。
我们重点选取了通信设备、光器件、光纤光缆、射频&天线这几个投资领域进行了进一步的分析和探讨。
图表32：
5G细分领域投资时序
设备商助力中国引领全球创新，国内市场成就设备商份额持续提升
通信产业支撑国家战略转型，政策、资金支持国内电信产业引领全球创新。
从国家战略角度来看，通信行业作为重要的国家战略新兴产业，是为国家战略转型提供信息化支撑的关键产业。
目前，按照电信用户数、网络规模等指标计算，国内电信市场已经是全球最大的市场。
但和很多其他产业类似，国内电信市场仍然呈现大而不强的阶
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