一文看尽5G全产业芯片需求！二十五大核心应用拆解：智东西内参

新一代移动通信技术（5G）作为新基建的核心， 正在逐步渗透到人们社会生活的方方面面，为科技创新、经济发展和社会进步注入新活力，带来新机遇。 在5G端到端产业链中，成熟的5G终端芯片是其中重要一环。面向5G商用，从2017年至今，5G终端芯片研发先后经历了终端原型机、基带芯片、SoC芯片三个发展阶段，产品成熟度不断提升，满足5G商用过程中对于系统验证、网络部署、产品研发等的需求。

本期的智能内参，我们推荐中国移动研究院的报告《 2021 年终端芯片新需求报告》，报告旨在从运营商角度， 着眼于未来1-2年面向消费类（ToC）和行业类（ToB） 场景发布5G终端芯片的新功能需求及技术演进的关键特性， 引导5G芯片及终端技术持续发展。

原标题：

《2021 年终端芯片新需求报告》

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一、 光速发展的5G终端芯片

2017年，高通、联发科技、展讯、英特尔等芯片厂商研发了基于FPGA的5G终端原型机，包括：基带、射频芯片、射频前端、天线等模块，支持3GPP标准定义的新空口层1架构，实现新型信道编码、高阶调制方案、低延迟帧结构等NR特性，并能够达到单用户1Gbps以上的传输速率，支持5G端到端关键技术验证和系统验证，为后续5G芯片及终端研发奠定了良好的理论基础。

2018年第四季度起，终端芯片厂商陆续发布了5G终端Modem芯片，支持3GPP R15协议版本的5G通信能力。其中，除2018年推出的两款Modem芯片仅支持5G非独立组网模式外，从2019年起至今推出的所有Modem芯片（包括：华为Balong 5000、联发科技Helio M70、紫光展锐春藤510、高通X55/X60）全部支持5G非独立组网和5G独立组网两种模式，有力保障了5G终端在多样网络部署环境下的应用灵活性。

2019年9月起至今，终端芯片厂商陆续推出了SoC芯片。这类芯片在Modem芯片基础上集成AP（应用处理器），通过提升芯片硬件集成度（目前多数采用7nm工艺），达到降低终端功耗和成本的目的，提升5G用户体验，可以更好地满足5G终端商用需要。 截至2021年1月，终端芯片厂商已推出SoC芯片近20款， 如下图所示， 包括：高通骁龙765/765G、690、888，华为麒麟990/820/985，联发科技天玑1000/1000L/1000+、800/820、720、1200/1100，紫光展锐虎贲T7520，三星E980/E990/E880和E1080，目前已有大量基于SoC芯片的5G终端产品上市。

▲5G终端芯片产品路标

二、消费终端芯片，首批发力

当前我国5G网络建设进入关键时期，面向消费类的5G智能终端成为了首批发力的商用终端。 从2019年9月起，各终端厂商陆续推出了基于SoC芯片架构的第二代商用终端。2021年1月， 国内市场5G手机出货量2727.8万部，占同期手机出货量的68%；上市新机型23款，占同期手机上市新机型数量的 57.5%。 随着各品牌不同款式的5G终端的陆续发布并上市， 消费类智能终端成为5G生态链中表现最积极的环节之一。

向后续5G技术演进， 消费类智能终端依然面临更高的传输速率、更低的终端功耗、更优的业务体验等多维度的增强需求。 目前，终端芯片厂商已经开始规划并研发基于3GPP R16协议版本的5G终端芯片产品，预计R16新特性的技术验证在2021年Q2会陆续展开，2021年下半年多家芯片厂商将陆续推出商用产品，2021年Q4起R16版本智能终端将上市。

1、终端切片

网络切片技术作为5G区别于4G的新技术之一， 以其可以满足不同业务需求的网络特点，被认为是满足5G多样化业务需求的关键。 随着网络切片技术的引入，运营商将能够为不同用户提供不同功能特点的网络能力，为不同业务需求的用户提供“专属”的网络，保障优质化的服务水平，满足差异化的业务需求。

网络切片是一种端到端的流程，而在网络切片发展过程中， 终端作为切片服务的入口和起点，切片特性的引入对终端自身的业务应用、操作系统、通信芯片等方面也带来广泛而显著的影响。针对5G智能终端的芯片特性需求如下：

NSSAI相关功能要求。NSSAI是用于选择和使用切片服务的标识信息，也是贯穿切片端到端流程的连接纽带。5G智能终端采用S-NSSAI来标识切片服务使用者所将占用的传输网、无线网和核心网等网络资源。 因此，终端首先需要支持对来自于网络侧的NSSAIs（包括Configured NSSAI/Allowed NSSAI/Rejected NSSAI）信息进行接收、 存储和更新；并在后续与网络进行交互的RRC、NAS信令消息中携带网络切片的标识（S-NSSAI）并传递给网络，用以建立切片连接及PDN会话。

对于切片的系统间互操作，当5G终端通过4G网络接入并建立PDN连接时，终端应支持从PCO中读取每个会话对应的S-NSSAI信息。

▲端到端流程中的S-NSSAI标识

URSP相关功能要求。URSP是对终端进行切片配置与管理的核心规则。URSP在切片订购开通过程中生成，在切片业务流程中作用于终端，用于指导终端根据业务特征TD将业务数据放到相应的切片上承载。

3GPP规范中定义了URSP用于描述来自业务应用的业务流与切片的关联关系。 因此， 终端需要支持由网络下发URSP配置规则的接收、保存和更新；并根据URSP规则，提供业务应用的Traffic Description（APPID、IP3元组、FQDN、DNN、ConnectionCapability）等业务属性信息；再将选取的Traffic Descriptor与对应的S-NSSAI进行映射绑定。

▲终端URSP的接收与配置

Traffic Descriptor相关功能要求。Traffic Descriptor（简称TD）是实现切片服务多样化、定制化的关键属性。TD为使用者提供了不同业务颗粒度， 可根据多样化的业务需求，灵活选择合适的TD。 因此， 终端应具备获取业务应用的APPID、IP3元组、FQDN、DNN、ConnectionCapability等Traffic Descriptor属性的能力，其中对于DNN，终端应能够具备对定制化DNN参数的设置、传递和使用。

▲TD特征示例

2、终端节电

续航能力是5G终端的一个关键性能指标，相比4G，大带宽、多天线、双连接等特性对5G终端功耗带来很大的挑战。目前，中国移动已全网开启C-DRX、BWP等节电特性，部分终端的架构从商用初期的拼片方案向SoC芯片过渡，主流芯片工艺也从7nm提升至5nm。根据评估结果分析，5G终端续航可基本满足用户使用一天的需求，5G终端功耗较商用初期已有大幅改善。为了持续提升用户体验，提升5G终端功耗性能，R16在网络侧引入了终端节能信号、跨时隙调度、不同BWP最大MIMO层数限制等特性，相关特性需求如下：

终端节能信号指示。 连接态终端需要在每个DRX周期内唤醒检测PDCCH，但不是所有DRX周期都有数据调度，PDCCH检测会带来额外能耗。R16节能信号指示可以通知终端是否在下一个DRX周期开启on duration timer（检测PDCCH）。R15终端只能在DRX激活期内进行CSI测量上报。R16引入了DRX节能信号后，同时引入了CSI测量上报与节能信号解耦，终端在DRX非激活期也可以CSI测量上报，保证基站可以在每个DRX周期都获得终端的CSI测量上报结果，维持链路性能和频谱效率。

跨时隙调度。 下行传输可分解为PDCCH接收、PDCCH解调、PDSCH接收， 其中，k0是PDCCH下行调度到PDSCH数据发送的间隔时间。 跨时隙调度主要节省无数据传输子帧的PDCCH解调部分的功耗。R16引入动态跨时隙调度指示，网络侧通过调度DCI指示终端应用的最小PDSCH/PUSCH调度时隙。根据业务模型的不同，可取得13% – 28 %的空口节能增益，对连续传输的数据业务无节能增益。适用于时延非敏感的UE，有明显增益的典型场景是类似于Wechat/QQ这类稀疏小包业务。

Dormant BWP。 在CA场景下，Scell的业务量要比Pcell更加稀疏，DRX节能信号仅可以配置在Pcell上，Scell无法实现DRX唤醒功能，R16引入dormant DL BWP，终端在该状态下无需检测PDCCH，仅需要做一些测量操作以维持链路性能，可以最大程度降低Scell的能耗。

不同BWP最大MIMO层数限制。R15在所有BWP上配置相同的最大下行MIMO流数，终端根据小区级别的最大MIMO流数实现接收天线配置（接收天线数>=MIMO流数）。小区中心点的终端在接收小包业务时， 2Rx 的性能相比于 4Rx 的性能差别不大，但是可以节省一半的射频能耗开销。 R16 通过在每个 BWP 配置不同的下行最大 MIMO 流数，基站通过BWP切换实现终端的下行最大MIMO流数调整。根据不同的业务模型，可取得 3%-30%的空口节能增益。

UE辅助信息上报。UE辅助信息上报是一种准确有效的让基站获取终端需求的方法，终端可以根据自身需求上报辅助信息。R15中主要引入过热保护，UE希望网络通过降低CC数、最大带宽和最大MIMO layer等来规避过热；R16引入了UE期望的RRC状态、DRX、MIMO layer等UE节能特性的期望参数，基站根据这些辅助信息对终端的参数进行重配置。

RRM测量放松。R16引入了网络侧控制的空闲态/非激活态终端的邻区RRM测量放松，针对低移动性、非小区边缘用户两种场景，网络侧通过系统消息通知终端RRM测量放松的触发条件，终端在满足触发条件下进行邻小区的测量放松。

终端节能特性在商用过程中仍有一些协同问题需要解决，3GPP标准也在推出更多的终端节能特性，希望芯片和终端厂家针对网络已引入策略做好终端功耗优化工作，预计在2021年Q3可以进行针对R16终端节能特性的评估验证，持续提升5G终端功耗性能，为用户提供体验更好的5G服务。

3、SON/MDT

相比4G，5G新需求、新场景和新特性对5G网络的部署和运营维护带来了前所未有的挑战， 运营商和网络厂商急需更加自动化和智能化的手段来降低5G网络的部署和运维成本，提升用户体验。3GPP定义了SON（自组织网络）/MDT（最小化路测）技术，网络能够自动、自主进行智能化操作，最小化对人工的依赖，通过智能化的网络自配置与自优化方案，降低网络运维成本，提升网络性能和用户体验。

在SON/MDT技术中， 对终端有较强需求、依赖于终端测量上报的功能主要是自动邻区关系优化功能、 最小化路测功能和层二测量的上行数据包发送时延功能。

ANR功能。 自动邻区关系优化（ ANR）是 3GPP R15 版本定义的功能，指网络侧借助UE 对周围邻区 PCI 和 CGI（小区唯一标识）的测量和上报功能，可以自动完成邻区关系表的配置和优化，包含相邻小区的自动添加和删除。同时，如果某小区与目标小区建立邻区关系后，还可以帮助该小区所属基站与相邻小区基站建立X2/Xn 逻辑接口。 ANR 可解决现网中邻区规划工作量大，易出现人工邻区漏配情况等问题。 终端需支持 SA 组网下的 ANR 功能，在 5G SA 网络下上报 5G、4G 邻区 ID。

MDT功能。最小化路测（MDT）技术是3GPP R16版本引入的功能，主要通过移动终端上报测量报告或者基站侧收集测量结果的方式来获取网络优化所需要的相关参数，以达到降低运营商网络优化和维护成本的目的。

Immediate MDT/连接态MDT：UE处于连接态时进行测量和上报。

Logged MDT/空闲态MDT：UE处于空闲态时进行测量并将数据存储在本地，进入连接态时上报空闲态采集的数据。

异常事件上报：RLF Report/无线链路失败报告功能，当UE发生无线链路失败（RLF）时，进行相关测量数据采集和记录，并可以包含随机接入失败相关信息，UE成功接入网络时把采集的RLF信息进行上报；RCEF Report /RRC连接建立失败报告功能，是指当UE发生RRC连接建立失败时，进行数据采集记录和记录，UE成功接入网络时把采集的记录进行上报。

终端需支持GPS等位置信息功能支持能力的上报及相应位置信息的上报。

层二测量的上行数据包发送时延功能。 基于核心网QoS监控（QoS monitoring）需求， 推荐终端支持网络触发测量UL PDCP Packet Average Delay by UE的配置、 测量及结果上报，用于获取高层数据包到达PDCP层到终端得到传输该数据包UL grant的时延。

移动鲁棒性优化（MRO）。 在移动网络中，切换参数不合理设置会造成终端切换时机不当，直接影响系统性能及用户体验，最严重可导致用户掉话。MRO功能主要通过对异常切换场景检测和移动性参数的优化，减少异常切换，达到提高切换成功率和网络性能的目的。MRO功能需要终端支持无线链路失败报告（RLF Report）的上报。

随机接入优化（RACH优化）。 随机接入优化（RACH优化）是对RACH参数进行优化，一方面通过对随机接入资源、功率参数的合理分配和优化，提高随机接入的成功率；另一方面，减小随机接入的冲突概率缩短用户接入延迟，提高用户体验。RACH优化功能需要终端支持随机接入报告（RACH report）的上报。

2020年下半年已有2家芯片支持了SA ANR功能，并与两家网络完成实验室互通测试，预计2021年将开展外场试点，并且将有更多芯片支持SA ANR功能。 我们后续将以高优先级来推进MDT的落地，同时也希望产业能够尽早的支持MDT功能，从而支撑网络自优化和智能化的各类应用，打造良好生态。预计2021年Q3 R16版本终端芯片将陆续支持MDT功能。

4、测量增强

3GPP R16版本引入多项终端测量相关的增强功能， 通过缩短测量时延，减少资源开销、 提升用户业务体验， 以及新增测量量上报，更准确地反馈信道质量用于网络优化， 提升网络运维效率。

基于CSI-RS的RRM L3测量。 5G系统定义的CSI-RS参考信号， 可以更全面反映数据信道状态信息、实现波束级别的移动性测量。3GPP R15中已对CSI-RS的L1测量内容进行了规定，在R16协议版本中更新了CSI-RS具体的测量指标要求。终端需满足CSI-RS RRML3服务小区的测量要求， 并规定支持至少32个CSI-RS端口的测量。该功能的引入，既解决了SSB无法灵活反馈网络负荷的问题，同时，相较于CSI-RS L1测量，CSI-RS L3测量还可以提高系统稳定性、减少空口开销。终端通过对CSI-RSRP、CSI-RSRQ、CSI-SINR等指标的测量上报， 可以更加准确有效地反馈信道质量，实现基于RRM测量的要求。

新增NR Gap pattern。3GPP R16扩展了gap pattern， 支持终端测量持续时长（gap时长） 为3ms，测量周期可以是40ms或80ms， 有助于降低终端测量开销，降低网络侧处理复杂度。

异频no gap增强。 3GPP R15定义在测量异频邻区时需配置测量GAP，在此期间服务小区无法进行业务传输，存在业务中断的问题。R16协议引入了SSB异频测量增强，即待测量SSB位置与服务小区不同，但均位于终端激活BWP内时，无需为终端配置测量GAP。同时，R16协议还引入了无GAP异频测量增强，如果终端上报支持该能力， 则在测量异频时，基站不配置测量GAP，依然可以保持服务小区传输数据。异频no gap测量可以降低和避免因测量GAP引起的终端业务中断问题。

VoNR。语音业务是5G不可或缺的基本业务能力，多数运营商SA初期语音方案采 用从5G回落到4G网络的方案（EPS Fallback），但伴随而来会有接续时延的增加、 通话时数据业务无法驻留5G网络、 流程碰撞概率增加带来业务受损等问题，因此随着5G站点覆盖范围逐步扩大实现连续覆盖，以及终端/产业链成熟后语音方案要逐步从EPS Fallbak演进到采用VoNR提供5G语音，作为SA阶段语音的目标建设方案。

VoNR语音方案基于5G网络提供语音业务， 终端驻留5G时语音业务和数据业务都承载在5G网络，当终端移动到非5G覆盖区时VoNR业务切换为VoLTE业务， 由LTE网络为其服务。

▲VoNR语音方案

VoNR语音通话业务。芯片支持在5G承载建立语音业务（VoNR），并可通过终端能力指示区分EPSFallback和VoNR能力，以及VoNR与VoLTE之间的语音通话切换。5G语音终端应支持AMR-NB、AMR-WB、EVS音频编解码， 包括：AMR-NB的12.2kbps、10.2kbps、7.95kbps、7.40kbps、6.70kbps、5.90kbps、5.15kbps、4.75kbps八种编解码类型，AMR-WB的23.85kbps、23.05kbps、19.85kbps、18.25kbps、15.85kbps、14.25kbps、12.65 kbps、8.85kbps、6.6kbps九种编解码类型，和EVS 13.2kbps、24.4kbps两种编解码类型。

ViNR视频通话业务。芯片支持在5G承载建立视频业务（ViNR），并支持ViNR与ViLTE之间的视频通话切换。 5G 语音终端应支持 H.264、 H.265 视频编解码，包括 3GPP R13 TS26.114的5.2.2节中的规范的ITU-T H.264 CHP级别3.1或支持H.265 Main Profile，Main Tier, 级别 3.1。

5G RAN特性。VoIP业务是基于IP网络传输的语音业务，包头开销占整个数据包的比例较大，为了节省传输资源，业界提出了一种IP包头压缩方法——RoHC，该功能可降低包头开销。经过RoHC压缩后，开销占比降为12.5%～18.8%，对语音业务信道覆盖和容量有明显增益。

C-DRX。UE进入连接态后，在没有进行上下行数据传输时，UE仍然一直监听PDCCH，对终端功耗有较大影响。 开启C-DRX，UE在连接态时周期性监听PDCCH， 达到省电的目的。C-DRX功能不仅适用于数据业务，对VoNR语音业务也同样适用。由于VoNR语音包的实时性要求较高，网络一般会区分于数据业务，配置一套不同的C-DRX参数。

Slot aggregation。 受限于终端的发射功率，当用户在小区边缘时可能发射功率不足，丢包率增加，造成过多的HARQ重传，导致延迟增加影响用户体验。使用slot aggregation，两个连续子帧中的立刻重传，能增大传输成功率， 提高接收成功率。

SPS半持续调度。基站的半持续调度，即终端申请一次资源后，在之后的一段时间内分配给该用户。 由于IP语音数据包比较小、 包的大小比较固定、 到达间隔比较固定，有严格时延要求的特点，因此适合使用半持续调度传输。

目前， 五家芯片均已支持VoNR功能，其中较多芯片已在2020年与若干网络完成了实验室互通测试和外场测试验证，预计在2021年将全面开展面向商用的测试验证。

MIMO增强。相较于3GPP R15标准定义NR MIMO要求的基本功能及协议流程，R16阶段重点增强了波束管理和CSI反馈，支持多个传输点（multi-TRP）到单个UE的传输，以及多个UE天线在上行链路的全功率传输和降低PAPR，这些增强功能可提升速率，提升边缘覆盖，减少开销和提升链路可靠性。

上行满功率发送。 在 R16 阶段，针对上行两天线非相干发送的终端，定义新的 UE capability和新的码本以及 Tx mode，其中 Mode 1（配置新码本）和 Mode 2（修改功率控制和端口资源配置）这两种传输方案，可以使得上行双发的终端在小区边缘可以上行满功率（ 26dBm）发送，相比 R15 部分终端因协议限制采用 23dBm 单发情况可提升上行覆盖 2~3dB。该功能主要影响上行双发终端的软件修改，能够保证上行双发终端满功率发射上行信号，保证覆盖，是 R16 阶段终端必选支持的关键技术之一。

▲上行满功率发送方案

Low PAPR DMRS。 在 R15 阶段， DMRS 符号的 PAPR 高于 PUSCH 符号，终端 PA 会进行限幅处理，导致 UE 的传输功率降低，影响上行发射功率，影响网络覆盖和边缘速率。3GPP R16 引入 Low PAPR DMRS 特性，重点解决上行传输时 DMRS 峰均比高的问题， 通过引入低 PAPR 序列用于生成 UL 新的 DMRS 序列、 SRS 和 PUCCH 格式 0 和 1 调制符号， 预期可以降低 DMRS 符号的 PAPR 约 1~4dB。

▲ Low PAPR DMRS 方案

Multi-Beam。 R15的路损参考信号配置都是基于RRC信令，比如以SSB为路损参考信号，会导致切换波束后的 PL 不匹配，并且 SSB 测量的 RSRP 对于网络指标的规划也存在不准确的问题。 R16 协议版本通过 MAC CE 更新 PUSCH 和 SRS 的路损参考信号，采用 RRC 配置+MAC-CE 激活/更新机制，在开环功控时有利于 UE 更好评估链路质量，避免频繁 RRC 重新配置和冗余信令，降低时延，提高效率。

对于 PUSCH，可以通过 MAC-CE 消息激活对应于 SRI 域取值的路径损耗参考信号。在非周期和半持续性 SRS 资源集，可通过 RRC 信令配置多个路径损耗参考信号，用 MAC-CE 来激活其中的一个。

TypeII 码本增强。 在 R16 阶段， TypeII 码本扩展至最高 4 层传输（ 3-4 流扩展， MU MIMO），并引入新的空频压缩码本（ 1-2 流， MU MIMO）方案， 与 R15 CSI-RS Type II性能相同的前提下可以大幅减少开销并提升性能。

Multi-TRP。 Multi-TRP 功能，可以允许每个 TRP 采用不同的 DCI 调度不同的传输块，利用不同 TRP 的空间信道差异来提升用户数据速率，适用于 eMBB 场景；也可以允许不同 TRP 传输一个 DCI 调度的同一个传输块，利用空分、时分、频分等方式提升数据可靠性，适用于 eMBB 和 URLLC 场景。

▲Multi-TRP 方案示意图

R16 阶段 MIMO 增强特性，可以对 R15 阶段起到极大地补充作用，解决了R15 阶段遗留的问题，进一步提高了终端效率及用户体验。计划于 2021 年 Q3升级 MIMO 增强的高优先级特性，并启动实验室互通和外场测试。