5G产业技术分析报告
5G产业发展现状
5G, 其中字母G 代表generation( 代、际)， 即第五代移动电话行动通信标准，也称第五代移动通信技术。目前5G 技术正在研究中，理论
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5G产业发展现状 5G, 其中字母G 代表generation( 代、际)， 即第五代移动电话行动通信标准，也称第五代移动通信技术。目前5G 技术正在研究中，理论上的下载速度预计可达1.25GB/S。与4G、3G、2G 不同的是，5G 并不是独立的、全新的无线接入技术，而是对现有无线接入技术( 包括2G、3G、4G 和WiFi) 的技术演进，以及一些新增的补充性无线接入技术集成后解决方案的总称。 移动互联网用户持续高速增长 受4G 用户持续快速增长、流量资费不断下降、移动支付和移动应用不断完善等因素影响， 移动互联网用户保持高速增长。 2018 年1~6 月，移动互联网用户竞争7188 万，总数达到13.4 亿户，同比增长14.5%，对移动电话用户的渗透率达到89%。使用手机上网的用户12.3 亿户，对移动电话用户的渗透率为81.6%。IPTV 用户总数达1.4 亿户，累积竞争2002 万户。 中国5G产业市场规模预计 根据信通院《5G 经济社会影响白皮书》， 2030 年，5G 带动的直接产出和间接产出预计将分别达到6.3 万亿元和10.6 万亿元。在直接产出方面，按照2020 年5G 正式商用算起，预计当年将带动约4840 亿元的直接产出，2025 年、2030 年将预计分别增长到3.3 万亿元、6.3 万亿元，十年间的年均复合增长率为29%。在间接产出方面，2020 年、2025 年、2030 年，5G 将预计分别带动1.2 万亿元、6.3 万亿元和10.6 万亿元， 年均复合增长率为24%。 5G直接经济产出结构 在5G 相关IT 设备支出方面，5G 商用初期， 运营商网络设备支出将占据绝大部分份额，预计在2020 年，运营商5G 网络设备支出超过2200 亿元，占5G 设备支出比重超过80%。随着网络部署工作逐步完成，预计运营商设备支出将于2024 年起逐步下滑，而下游各领域在5G 设备的支出增长加速，预计到2030 年，各下游行业5G 设备支出将超过5200 亿元，占5G 设备支出比重接近69%。
图1 2020~2030年中国5G直接和间接经济产出 5G技术发展对GDP增长贡献预计 在5G 商用初期，运营商开展5G 网络大规模建设，预计2020 年，电信运营商在5G 网络设备上的投资超过2200 亿元，各行业在5G 设备方面的支出超过540 亿元。随着网络部署持续完善，运营商网络设备支出预计字2024 年起将开始回落。预计2030 年，各行业各领域在5G 设备上的支出超过5200 亿元，在设备制造企业总收入中的占比接近69%。
图2 5G的直接和间接经济增加值贡献 5G产业技术分析1全球5G相关技术蓬勃发展 5G 相关专利最早出现于2002 年，经历了约10 年（2002~2012） 的萌芽期， 于2013 年开始快速增长。2013 年~2017 年是5G 产业技术迅速发展期间，相关技术有了一定突破、厂商对于市场价值有了认知，竞相投入发展，专利申请数量与专利权人数量呈现快速上升的特征。2018 年和2019 年的专利数量骤减，这一方面与专利申请与授权存在一定时滞相关；另一方面， 也反映出5G 技术已日趋成熟。5G 相关产业和行业标准已经成型，商业化进程加速，厂商投资于研发的资源不再扩张，主要技术厂商相对固定且其他厂商进入此市场意愿降低，专利申请数量逐渐减缓，5G 相关技术目前已进入技术成熟期。 中美领跑5G专利 全球5G 产业技术的专利申请主要集中在中国和美国。专利数量≥ 100 项的国家/ 地区包括中国（1708 项）、美国（1513 项）、韩国（551 项）、欧洲地区（243 项）、日本（234 项）。
图3 全球5G相关专利申请趋势 中国和美国是最早申请5G 专利的国家/ 地区。5G 专利的各国占比堆积面积图显示，在5G 专利发展初期（2002 年~2012 年）间，美国的5G 专利占比最高；2013 以后，中国5G 专利的研发后来居上。在5G 技术快速发展的2013~2015 年，中国5G 专利实现弯道超车，从2015 年起中国在5G 专利的数量和占比上位居第一。从专利总数和占比来看，中国和美国在5G 产业技术上占有明显优势，其次是韩国、欧洲、日本。
图4 各国5G专利技术占比堆积面积图 华为和三星专利数量多、布局广 专利申请量排名前10 的机构主要分布在中国（3 家）、美国（2 家）、韩国（2 家）、日本（1 家）、瑞典（1 家）和芬兰（1 家）。 表1 主要机构专利分析
从专利数量来看，华为和三星旗鼓相当，专利数量超过500 项，其次是高通。表1 展示了排名前十的机构的主要技术领域布局情况，华为和三星技术专利不仅多且布局相对更广。 从技术活跃度来看，10 家机构在2016~2019 年申请的专利占比均超过70%，可见近几年5G 技术研发活跃。高通在近几年申请的5G 专利占其总量的99%，且排名靠前，表明其技术研发活跃且具有竞争力；同样值得期待的是我国的OPPO, 近几年申请的5G 专利占其总量的97%， 专利数量排在第七。 5G关键技术分析 5G 核心技术包括大规模天线阵列（massiveMIMO）、超密集组网、新型多址和全频接入等无线技术和基于软件定义网络（SDN）、网络功能虚拟化（NFV）的新型网络架构，此外， 基于滤波的正交频分复用（F~OFDM）、滤波器组多载波（FBMC)、全双工、灵活双工、终端直通（D2D）、多元低密度奇偶检验（Q~ary LDPC）码、网络编码、极化码等也被认为是5G 重要的潜在无线关键技术。 专利地图（见图5）通过对专利关键主题词分析，形象地展示了5G 相关专利的技术布局情况。信道建模和编码技术以及用户终端通信系统控制单元技术无疑是技术热点；此外，大规模天线阵列、流量管理、车联网技术备受关注。
图5 5G专利地图 表2 IPC分类关键技术详情（专利数>=300）
表2 展示了按IPC 分类代码分类专利数大于等于300 的关键技术的分布情况。从主要技术领域来看，技术布局主要集中在无线资源分配、为传输通道提供多用途的装置、发射站的无线传输系统、无线业务量调度、检测或防止收到信息中的差错的装置、应用多频码的系统和切换或重选装置等技术。华为和三星两大权利人在主要关键技术上占有明显优势。 中国是全球重要的技术产出国和目标市场 中国、美国、韩国和欧洲地区既是主要的技术来源国家/ 地区，也是核心的技术市场国家/ 地区。对四个国家/ 地区的专利扩散情况进行分析，图6 直观地展示了四个核心技术国家的技术布局情况。
图6 5G专利国家/地区扩散图 中国作为最大的技术原产国，在其产出的1923 项专利技术发明中，有17.73%（341 项） 在美国布局，6.08%（117 项）在韩国布局，6.50% （125 项）在欧洲地区布局。中国对外专利布局最看重美国的5G 产业技术应用市场，其次是韩国和欧洲市场。 在美国的1631 项专利技术发明中， 有17.9%（292 项）在中国布局，其中17.78%（290 项）在韩国布局、7.73%（126 项）布局在欧洲。美国对外专利布局最看重中国的5G 市场，其次是韩国和欧洲地区。从专利流向的数量上来看， 中国在美国布局的5G 专利多于美国在中国的布局；从技术原产国专利数量来看，中国的5G 专利数量略高于美国。 在韩国的705 项专利技术发明中， 其中24.96%（176 项）在美国布局，有19.01%（134 项） 在中国布局，6.67%（47 项）布局在欧洲。韩国对外专利布局最重视美国市场，其次是中国。 在欧洲地区的651 项专利技术发明中，其中53.15%（346 项）在美国布局，有41.78%（272 项）在中国布局，17.67%（115 项）布局在欧洲。欧洲地区对外专利布局最重视美国市场，其次是中国。 我国5G产业发展所面临的挑战 我国5G 核心专利技术表现突出，但5G 产业的发展仍然面临巨大挑战。 一方面美国对华发起了科技战、贸易战，华为目前被美国列入“实体清单”，全球多家供应链停止供货。 另一方面我国5G 产业暂未形成从设计到制造再到封装测试的完整产业链，上游原材料缺失情况严峻，下游元器件进口依赖性强。 半导体行业的落后制约5G 产业的发展。以晶圆为例，我国目前仅江苏鑫华公司能实现电子级高纯硅的量产，但于我国5G 产业的发展需求而言实乃杯水车薪。在芯片设计和制造领域，目前仅华为海思可实现手机芯片的量产化。有数据表明，半导体产业的基础原材料的8 英寸和12 英寸的大尺寸硅片对外依存度分别达到86% 和100% ；绝大多数的集成电路材料仍然掌握在国外企业手里，前4 大硅片厂商市场占有率为85%， 前5 大光刻胶厂商市占88%，其中来自国内供应商仅占27%，处于国外绝对垄断品种高达23%。
图7 5G应用场景2 此外，5G 产业链的优化、完善仍受制于国内创新环境和产业环境。如何打通创新产业链， 有效地整合、联动、协同技术、生产、市场等各环节仍是我国5G 产业转型升级的方向。 面向未来——政策助推5G发展 5G 技术是面向未来的底层技术，是新一轮科技革命的航母，被视为新时代“蒸汽机”将改变人类生活，重要性不言而喻。图7 展示了5G 主要的应用场景，由图可见，智慧城市、工业自动化、自动驾驶等技术都将在5G 这艘航母上起飞。 虽然5G 产业发展困难重重，但我国仍坚定不移地推动5G 产业的发展，无疑是具有面向全球、面向未来的战略眼光。2019 年6 月6 日， 工信部正式颁发5G 牌照，这标志着中国正式进入5G 商用元年。 表3 各省市助推5G发展相关政策汇总
近几个月各省市积极推动5G 建设，表3 梳理了相关政策。广东省、浙江省、江苏省、海南省、安徽省、重庆市、山西省等地均发布了5G 政策，内容涉及：集约利用现有基站站址和路灯杆、监控杆等公用设施，提前储备5G 站址资源；加快开展智能杆推广应用；在城市智慧灯杆（“杆桩一体”）和路边停车泊位等城市公共停车场所， 配套建设城市公共充换电站或分散公共充电桩。 5G产业链分析 5G产业链上游 5G 产业链的上游包括网络规划运维以及芯片、光器件、光纤光缆、视频器件等各类器件材料。网络规划运维包括无线接入网、业务承载网等前期规划设计和后期优化运维。主要企业包括中富通、宜通世纪、杰赛科技、三维通信、富春股份等。5G 通信技术器件材料具体包括芯片及模组、视频器件、光器件、光纤光缆。设计企业包括：金信诺、中兴、大富科技、长飞等。
芯片 芯片是5G 通信设备的心脏。近年来，窝沟芯片产业得到快速发展，市场规模持续扩大，通信企业也在积极研发芯片以抢占更多市场。 高通是最早公布5G 基带芯片的。高通5G 基带芯片X50 采用28 纳米工艺制程， 最快下行速率可达5Gbps。英特尔5G 基带芯片xmm8160 支持独立和非独立组网，并且兼容4G/3G/2G 网络， 最快下行速率可达6Gbps， 预计2019 年底能量产。华为公布的首款5G 基带芯片巴龙5G01，符合5G 标准R15 规范，支持Sub 6Ghz 中低频， 以及28GHz 高频毫米波，兼容4G/3G/2G 网络。巴龙5G01 主要应用在小型网络终端产品上。三星电子5G 基带芯片Exynos5100，才用十纳米工艺制程，支持Sub 6Ghz 中低频，以及28GHz 高频毫米波，兼容4G/3G/2G 网络，低频下行速率可达2Gbps，高频下行速率可达6Gbps。
光纤光缆 5G 通信技术应用中，光纤光缆作用于基站前传和回传网络的建设中，发挥着十分关键的作用。光纤是一种传输光束的介质，由芯层、包层和涂覆层构成，被广泛应用于通信行业。光纤是用来制作光缆的主要组成部分，是光缆中实际承担通信网络的材料。 近年来，我国光纤市场持续增长。随着我国5G 技术的发展，未来在智慧城市、无人驾驶、物联网等应用场景的拓展，中国光纤的市场需求将进一步扩大。
5G产业链中游 5G 产业链的中游为设备网络，包括主设备商、基站/ 天线、网络、配套。相关企业包括华为、邦讯、紫光、京信通信等。
基站 设备网络中，传输网络是5G 的大动脉，基站显得尤为重要。在5G 高频通信的背景下，未来的基站数量将至少是4G 的1.5 倍。在5G 建网初期，基站建设主要以宏基站为主，再用小基站作为补充。围着5G 网络的深入不熟，小基站的需求将进一步扩大。
天线 目前，5G 关键技术的具体方案已经基本确定，MassiveMIMO 技术成为5G 的标准技术之一。随着5G 技术的推广、应用，天线数量将大幅增加。5G 的新技术主要是利用波束成形及大规模MIMO 天线阵列等技术，大幅提高5G 的频谱效率，达到LTE 的数倍至数十倍。
5G Massive MIMO 无论天线数量和信号覆盖维度都较4G 大大增加，天线和通道数量可达64 个、128 个，综合考虑系统实现的收益和代价后，最大天线数量可以达到256 个。5G 通信技术除了带来天线的技术升级、市场规模扩大之外，同时也带来相关期间材料市场的增长。 5G产业链下游 5G 产业链的下游是应用，通过运营商、终端将5G 技术应用在工业、通信、智能家居、智能制造等场景。目前，我国5G 技术主要应用在车联网、物联网、VR/AR 等领域。
场景应用 车联网是重要的应用场景之一，5G 的高传输、低延时、高稳定等特性能够满足未来对车联网的更高要求。 智慧医疗是5G 技术在物联网应用中的一个重要场景。在5G 网络下，诊断和治疗将突破原有的地域限制，医疗资源更加平均。健康管理和初步诊断将家居化，医生与患者可以实现更高效的分配和对接。 5G 技术应用下的智能制造可以帮助企业降本增效，同时也是一个可以让企业重新思考价值定位和重构商业模式的契机。
终端/运营 华为是全球领先的信息与通信基础设施和智能终端提供商。华为已完成多项5G 技术研发试验，并加快商用部署。 中兴通讯作为5G 创新的先锋，依托强大的研发实力5g技术分析，致力于为全球移动运营商提供最有竞争力的5G 端到端解决方案。 国内三大运营商也在积极推进5G 技术的应用：中国移动将在杭州、上海、广州、苏州、武汉等五个城市开展5G 外场测试。此外还将在北京、成都、深圳等12 个城市进行5G 业务应用示范。中国联通正在北京、天津、青岛、杭州、南京、武汉、深圳、郑州等16 个城市同事搭建5G 基站，于2018 年年底展开全面测试。中国电信于2018 年年底开始对兰州、成都、深圳、雄安、苏州、上海6 个城市进行5G 网络测试。到2020 年正式商用阶段，中国电信前期5G 终端将会超过2500 万部。 （ 作者单位 ：中国科学院文献情报中心咨询服务部） 参考文献 1 数据来源及方法：专利数据以科睿唯安公司的Derwent Innovations Index 为数据来源，根据5G 技术的主题词和德温特手工代码编写检索式，检索式如下：TS=( "Fif* Gene*" OR MASS* MIMO OR 4*4 MIMO OR 3D MIMO OR Mmwav*） AND IP=(H04*) OR MAN=(W02~C03C1L) ；精炼依据为学科类别: ( TELECOMMUNICATIONS ) ；时间跨度: 所有年份（入库年至2019 年）；索引包括CDerwent, EDerwent, MDerwent 等数据库。检索时间为2019 年6 月20 日，检索到4332 条专利，经人工核查后得到5G 相关专利4317 条，使用Derwent Data Analyzer（DDA）和Excel 进行统计分析。 2 张平, 陶运铮, 张治. 5G 若干关键技术评述[J]. 通信学报, 2016, 37(7):15~29.
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