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行业研究

金准人工智能 物联网产业发展研究报告

前言

物联网(Internet of Things,简称 IoT),是新一代信息科技的重要组成部分,是继计算机、互联网之后世界信息发展的第三次浪潮。据统计,2017年中国物联网产业规模已达万亿,我国早已将物联网上升为战略性新兴产业。

得益于摩尔定律和存储介质的成本红利,万物互联走进了人们的生活,不仅让人通过语音就可以控制家电,甚至还让空调听懂了门窗说的话。Gartner预计,到2020年全球将有超过200亿的物联网设备产生联接,并且日均还会有约550万台设备加入到网络环境,届时有超过半数的商业系统内置物联网组件。

金准人工智能专家认为,未来将有数量巨大的IP地址、传感器、可穿戴设备,以及虽感觉不到却可与之互动的东西,时时刻刻伴随人们的生活。美国市场研究公司Gartner预测:到2020年,物联网将带来每年300亿美元的市场利润,届时将会出现25亿个设备连接到物联网上,并将继续快速增长。由此带来的巨大市场潜力已经成为美国科技公司新的增长引擎,包括思科、AT&T、Axeda、亚马逊、苹果、通用电气、谷歌与IBM等在内的美国公司争相抢占在物联网产业的主导地位。

一、高科技500强争相布局物联网

物联网被称为是继计算机、互联网之后的第三次信息革命,而物联网平台是各家企业必争之高地,包括传统IT企业、通信运营商或者互联网企业等。

三星电子把物联网作为了三星重点业务方向,计划五年内所有三星硬件设备均将支持物联网。

高通向全球超过30个国家推出了15款物联网设备,涉及数字眼镜、儿童跟踪器、智能手表等多个产品。未来,高通将以智能手机为支点,拓展车联网、医疗、可穿戴设备等领域。

制造业巨头也希望在物联网中确立自己的领导者地位。

通用电气去年十月宣布与一众技术巨头结盟建立起物联网联盟,通用电气此举的目的是寻求各方对旗下Predix平台的支持。Predix软件旨在令各种物联网端点具备智能化。

全球范围内的其他合作也正在展开。

英特尔已携手美国圣何塞市,利用公司强项,进一步推动该市的“绿色视野(Green Vision)”计划。

1.1云云互联正从梦想走进现实

传统IT企业、通信运营商、通信设备商、互联网企业、工业方案提供商、新型创业公司等多股势力如雨后的蜗牛般纷纷涌入,为物联网平台带来了多元发展动力。但在这些推动力中,仍旧欠缺重要的一种,那就是促进物联网平台之间互联互通的力量。

智能家居、数字医疗、车联网等产品的推出,使得物联网技术真正服务于智能生活。

B2C领域率先起步,智能家居领域的物联网云平台们给出了自己的方案。今年3月,中国家用电器协会联合海尔、美的、长虹、海信、TCL、云智易等10余家国内外知名家电及物联网云平台企业,正式对外发布了智能家电云云互联互通项目的最新工作成果:云云互联SDK。

虽然智能家电已经进入了不少家庭,但是却难以真正走入消费者的心中。这其中最不得人心的硬伤之一便是:不同品牌的智能家电如同一座座“孤岛”,各自为战,消费者无法获得更好的智能体验。

SDK是云云互联重要的技术实现手段,可以确保云云互联标准协议在各个云平台上高效准确的部署,为云平台间的互联互通提供技术工具。目前该SDK处于组内开源阶段,由组内成员共同调试维护、开展BUG管理及升级工作,尚未对外开放。

除了开发SDK之外,发布行业性物联网公有云也是智能家居领域正在尝试的做法。中国家用电器研究院为了打破行业壁垒,实现不同企业、不同品牌、不同类型家电间的互联互通,打造了智能家电领域行业性公共云服务平台:众家云,希望满足智能家电产品应用过程中各个环节的数据协同需求。

一些知名企业还联合成立了国际性组织,以确保未来物联网解决方案和设备之间的无缝协作。比如由思科、Electrolux、英特尔、微软、高通、三星等公司联合创建的开放连接基金会OCF。OCF的愿景是实现所有连接设备间的彼此互通,而无需考虑制造商、操作系统、芯片或者通讯方式。目前OCF已经与AllSeen Alliance合并,以OCF为存续名称,由Linux Foundation进行管理,IoTivity项目是OCF规范的一个开源实施标准。

智能家居是OCF标准最先支持的场景,包括对家居设备入网和安全特性的定义,并在不断完善中。OCF标准也支持通过桥接方式,连接不同的智能平台,使不同品牌的智能设备联动。OCF的认证测试分为符合性测试和互通性测试,目前只有符合性测试,由于互通性测试较为复杂,现在还没有企业通过互通性测试。

如果将视线从B2C转向B2B,工业物联网发展的一个关键条件在于打破技术孤岛障碍,支持这些解决方案和设备的深度整合。而在B2B领域,物联网云平台之间的互联互通尚未取得明显进展。

1.2互联互通的背后是平台型商业模式的变革

对于竞争格局转变与商业回报减少的担忧,有可能会影响物联网平台之间互联互通的动力,其实大可不必。

回顾科技发展史,手握平台或者操作系统的公司,往往都会成长为行业巨头。因此在物联网时代,各个企业都对平台或者操作系统格外重视,争相布局,但很少有企业注意到平台型的商业模式正在逐步发生变化,策略性的开源正在成为主流思潮。

PC时代的微软掌握着Windows操作系统,互联网时代Facebook等公司成为社交网络的事实性操作系统,移动互联网时代的苹果和谷歌,控制着手机操作系统iOS和安卓,云计算时代的亚马逊手握着发布企业级软件的云端操作系统。

如果分析平台型企业的商业模式,可以看到明显的变化。在PC时代,微软曾经凭借Windows操作系统的版权费赚取巨额利润,但其后的巨头们往往采用通过平台间接获利的方式创造回报,通常采用的手段包括APP或者软件抽成、硬件销售或者广告服务。

因此当这些巨头发布物联网平台或者操作系统时,更多拥抱了策略性开源的方式扩大市场占有率,通过硬件销售、软件应用和差异化服务的方式创造商业价值。

比如微软的Azure IoT Edge包含3个必要组件,即Azure IoT Edge Runtime、Azure IoT Hub和Edge模块,其中Azure IoT Edge Runtime是免费且开源的。谷歌专门针对物联网应用打造的操作系统Fuchsia是开源的。基于最流行的微控制器实时操作系统内核的Amazon FreeRTOS是开源的。Facebook的人工智能硬件平台Big Sur也是开源的。

随着时代变化,越来越多的云端操作系统也正在走向开源。CloudFoundry是业界第一个开源PaaS云平台,取得了最为广泛的应用。其在全球拥有2,400名代码贡献者,根据研究显示,Cloud Foundry占到35%的市场份额,金准人工智能专家认为,Cloud Foundry的总市值将在未来几年可轻松突破50亿美元。GE Predix平台、西门子的MindSphere、博世的IoT Cloud和霍尼韦尔的Sentience全部都是依托于开源平台Cloud Foundry之上的工业物联网平台,足见Cloud Foundry之于工业物联网的价值。

开源的物联网平台包括Kaa、SiteWhere、ThingSpeak等,数量仍在持续上升。这些开源项目为企业级物联网解决方案的落地创造了诸多便利,可以直接“拿来”解决技术问题,不用重复“造轮子”,提高效率的同时也极大地降低了研发成本。

新的技术解决方案理应需要新的商业模式与之相配合。在此前的文章中我曾经探讨过从软件永久许可到订阅式续费模式的潜在转变,这次又更为彻底的讨论了物联网平台策略性开源的趋势。

既然科技发展的车轮难以阻挡,作为物联网平台型企业,不如放下杞人忧天,掉头拥抱大势,推进互联互通,通过差异化的软硬件应用和深度服务打造竞争实力。

、物联网和互联网区别

作为互联网的延伸,物联网利用通信技术把传感器、控制器、机器、人员和物等通过新的方式联在一起,形成人与物、物与物相联,而它对于信息端的云计算和实体段的相关传感设备的需求,使得产业内的联合成为未来必然趋势,也为实际应用的领域打开无限可能。

在过去一年,云计算和大数据继续发酵,物联网也成为未来大趋势之一。

什么是互联网?即Internet,又称网际网路,因特网等,是网络和网络之间串联而成的庞大网络。

而物联网是的英文缩写是The Internet of things,也即物物相连的网络。

物联网的定义是通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

简单地说,物联网是一种建立在互联网上的泛在网络。物联网技术的重要基础和核心仍旧是互联网,通过各种有线和无线网络与互联网融合,将物体的信息实时准确地传递出去。

、物联网是一个新的江湖

互联网在20多年来帮助人们解决了信息共享、交互,几乎在瞬间颠覆了很多传统的商业模式,把卖产品变为卖内容和服务,是个了不起的产业成就。

雷军很早前曾说过:“未来没有所谓的互联网企业,未来每个公司都变成物联网公司。”这个江湖够大了吧。

但从分工上理解,互联网还只是物联网中的一部分,主要是IT服务方面。

物联网因为其“连接一切”的特点(“连接一切”是马化腾在2013的WE大会上提出来的未来第一路标),它具有很多互联网所没有的新特性。比如,互联网已经连接了所有的人和信息内容,提供标准化服务,而物联网则要考虑各种各样的硬件融合,多种场景的应用,人们的习惯差异等问题。相对于互联网,物联网需要更有深度的内容和服务,以及更加差异化的应用,也将更加的人性化,这也符合们不停地追求更好的服务体验,这是个亘古不变的刚需。

金准人工智能专家预计到到2025年,全球物联网设备基数预计将达到754亿台,较2017年的200亿台左右,复合增长率达17%。从连接形式上,将由目前主导的手机与其他消费终端连接方式,转变为工业及机器设备间的连接(M2M)。预计在2018年,物联网设备的连接,将超过手机成为最大的互联网设备连接类别;预计到2020年,M2M的设备连接将占所有设备连接基数的46%,同时其数量在2015-2020年间增长2.5倍。万物互联在推动海量设备接入的同时,将在网络中形成海量数据,金准人工智能专家预计2020年全球联网设备带来数据将达到44ZB,物联网数据价值的发掘将进一步推动物联网应用的爆发式增长,促进生产生活和社会管理方式不断向智能化、精细化、网络化方向转变。由此可见,相较于其他技术,物联网对互联网应用终端的影响是最深刻而最具有冲击力的。


因此,金准人工智能专家这样断言,未来所有的公司都是物联网企业。他们享受着物联网的各种便利,利用物联网工具和技术,生产物联网产品,为人们提供物联网服务。

、物联网的关键技术

针对互联网的特性,金准人工智能专家专家总结了物联网应用中的三项关键技术:

4.1传感器技术

传感器技术也是计算机应用中的关键技术。大家都知道,到目前为止绝大部分计算机处理的都是数字信号。自从有计算机以来就需要传感器把模拟信号转换成数字信号计算机才能处理。

4.2 RFID标签

RFID标签也是一种传感器技术,RFID技术是融合了无线射频技术和嵌入式技术为一体的综合技术,RFID在自动识别、物品物流管理有着广阔的应用前景。

4.3嵌入式系统技术

嵌入式系统技术是综合了计算机软硬件、传感器技术、集成电路技术、电子应用技术为一体的复杂技术。

经过几十年的演变,以嵌入式系统为特征的智能终端产品随处可见;小到人们身边的MP3,大到航天航空的卫星系统。

嵌入式系统正在改变着人们的生活,推动着工业生产以及国防工业的发展。

如果把物联网用人体做一个简单比喻,传感器相当于人的眼睛、鼻子、皮肤等感官,网络就是神经系统用来传递信息,嵌入式系统则是人的大脑,在接收到信息后要进行分类处理。

这个例子很形象的描述了传感器、嵌入式系统在物联网中的位置与作用。

总之,我们可以发现物联网概念是在互联网概念的基础上,将其用户端延伸和扩展到任何物品与任何物品之间,进行信息交换和通信的一种网络概念。

五、物联网产业链的八大环节

物联网产业链全景图

物联网发展的当务之急是先联网,再谈增值应用。

巨头入局:

英特尔:2014年发布爱迪生(Edison)可穿戴及物联网设备的微型系统级芯片,2015年推出居里(Curie)芯片,集成了低功耗蓝牙通信能和运动传感器;

谷歌:提出Project IoT物联网计划,2015年发布Brillo物联网底层操作系统,该系统源于Android,支持ARM、X86、MIPS架构的智能硬件;

思科:2016年斥资14亿美元收购Jasper全部股权,完善物联网生态体系;

软银:拟310亿美元收购芯片专利授权巨头ARM,卡位物联网芯片端;

华为:推动NB-IoT标准制定;先后发布物联网操作系统LiteOS、NB-IoT端到解决方案,提出“1+2+1”战略,努力构建Ocean Connect生态圈;

百度:2015年发布百度IoT,与ARM、MTK、TI、科通芯城等联合推动物网发展;

阿里巴巴:2016年发布物联网整体战略,集合旗下阿里云、阿里智能、YunOS,联合打造面向物联网时代的服务平台;2014年还联合庆科发布物联网操作系统MICO;

腾讯:2014年推出“QQ物联智能硬件开放平台”,将QQ账号体系及关链、QQ消息通道等核心能力提供给可穿戴设备、智能家居、智能车载、传统硬件等领域合作伙伴,实现用户与设备及设备与设备之间的互联互通互动;

中国移动:成立物联网公司、车联网公司,搭建物联网专网、提供专号、建设物联网设备接入管理平台和物联网应用开发平台,大力推动物联网业务展。

物联网产业链包含八大环节:

芯片提供商、传感器供应商、无线模组(含天线)厂商、网络运营商(含SIM卡商) 、平台服务商、系统及软件开发商、智能硬件厂商、系统集成及应用服务提供商。

物联网八大环节供应链如下:

5.1物联网芯片供应商

芯片是物联网的“大脑”,低功耗、高可靠性的半导体芯片是物联网几乎所有环节都必不可少的关键部件之一。

依据芯片功能的不同,物联网产业中所需芯片既包括集成在传感器、无线模组中,实现特定功能的芯片,也包括嵌入在终端设备中,提供“大脑”功能的系统芯片——嵌入式微处理器,一般是MCU/SoC形式。

传统的国际半体巨头,如ARM、英特尔、高通、联发科、飞思卡尔、德州仪器、意法半导体等。

国内主要厂商包括:华为海思、展讯、北京君正、全志科技、北斗星通、通富微电、华天科技、力源信息、润欣科技等。

国内而言,一些厂商从特定细分领域入手,包括芯片设计、制造、封测等,并逐步缩小与国外厂商的技术差距。

5.2传感器供应商:塑造物联网的“五官”

传感器是物联网的“五官”,本质是一种检测装置,是用于采集各类信息并转换为特定信号的器件,可以采集身份标识、运动状态、地理位置、姿态、压力、温度、湿度、光线、声音、气味等信息。

广义的传感器包括传统意义上的敏感元器件、RFID、条形、条形码、二维码、雷达、摄像头、读卡器、红外感应元件等。

工程常用的传感器可分为物理类传感器、化学类传感器,生物类传感器三大类。

而根据传感器的基本知功能可细分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件十种。

传感器行业由来已久,目前主要由美国、日本、德国的几家龙头公司主导,如博世、意法半导体、德州仪器、霍尼韦尔、飞思卡尔、英飞凌、飞利浦、楼氏电子等。

我国传感器市场中约70%左右的份额被外资企业占据,我国本土企业市场份额较小,具有代表性的企业有汉威电子、歌尔股份、高德红外、耐威科技、华工科技、远望谷等。

5.3无线模组厂商:实现联网和定位的“关键”

无线模组是物联网接入网络和定位的关键设备。无线模组可以分为通信模组和定位模组两大类。

常见的局域网技术有WiFi、蓝牙、ZigBee等,常见的广域网技术主要有工作于授权频段的2/3/4G、NB-IoT和非授权频段的LoRa、SigFox、等技术,不同的通信对应、不同的通信模组。

NB-IoT、LoRa、SigFox属于低功耗广域网(LPWA)技术,具有覆盖广、成本低功耗小等特点,是专门针对物联网的应用场景开发的。

此外,我们认为广义来看,与无线模组相关的还有智能终端天线,包括移动终端天线、GNSS定位天线等。

目前,在无线模组方面,国外企业仍占据主导地位,包括Telit、Sierra Wireless等。

国内厂商也比较成熟,能够提供完整的产品及解决方案。

包括模组厂商华为、中兴通讯、环旭电子、移远通信、芯讯通、中移物联网公司、上海庆科、利尔达、博鹏发,天线厂商信维通、硕贝德,北斗星通等。

5.4网络运营商:掌控物联网的“通道”

网络是物联的通道,也是目前物联网产业链中最成熟的环节。

广义上来讲,物联网的网络是指各种通信网与互联网形成的融合网络,包括蜂窝网、局域自组网、专网等,因此涉及到通信设备、通信网络(接入网、核心网业务)、SIM制造等。

考虑到物联网很大程度上可以复用现有的电信运营商络(有线宽带网、2/3/4G移动网络等),同时国内基础电信运营商具有垄断特征,是目前国内物联网发展的最重要推动者。

因此我们在这个环节将聚焦三大电信运营商和与之紧密相关、且会受益与之紧密相关、且会受益与之紧密相关、且会受益与之紧密相关、且会受益蜂窝物联网终端增长的SIM卡制造商身上,如东信和平、恒宝股份、天喻信息等。

5.5平台服务商:完善物联网物联网的“有效管理”

平台是实现物联网有效管理的基础。物联网平台作为设备汇聚、应用服务、数据分析的重要环节,既要向下实现对终端的“管、控、管”,还要向上为应用开发、服务提供及系统集成提供PaaS服务,根据平台功能的不同,可分为以下3种类型:

设备管理平台:主要用于对物联网终端设备进行远程监管、系统升级、软件升级、故障排查、生命周期管理等功能,所有设备的数据均可以存储在云端;

链接管理平台:用于保障终端联网同道的稳定,网络资源用量的管理,资费管理、账单管理、套餐变更、号码/IP地址资源管理;

应用开发平台:主要为IoT开发者提供应用开发工具、后台技术支持服务、中间件、业务逻辑引擎、API皆苦、交互界面等,此外还提供高扩展的数据库,实时数据出来了,智能预测离线数据分析、数据可视化展示应用等,让开发者无需考虑底层的细节问题将可以快速进行开发、部署和管理,从而缩短时间、降低成本。

就平台层企业而言,国外厂商有Jasper、Wyless、机智云等,国内的物联网平台企业主要存在三类厂商,一是三大电信运营商,其主要从搭建连接云平台方面入手;二是BAT,京东等互联网巨头,其利用各自的传统优势,主要搭建设备管理和应用开发平台;三是在各自细分领域的平台厂商,例如宜通世纪、和而泰、上海庆科等。



5.6系统及软件开发商:打造物联网的“动脉”

系统及软件可以让物联网设备有效运行。物联网的系统及软件一般包括操作系统、应用软件等。其中,操作系统(Operating System,OS)是管理和控制物联网硬件和软件资源的程序,类似智能手机的IOS、Android,是直接运行在“裸机”上的最基本的系统软件,其它应用软件都在操作系统的支持下才能正常运行。


目前,发布物联网操作系统的主要是一些IT巨头,如谷歌、微软、苹果、华为、阿里等。

由于物联网目前仍处阶段,应用软件开发还处于起步阶段,主要集中在车联网、智能家居、终端安全等通用性较强的领域,如盛路通信、海尔、启明星辰等。

5.7智能硬件厂商:提供物联网的“终端承载”

智能硬件是物联网的承载终端,是指集成了传感器件和通信功能,可接入物联网并实实现特定功能或服务的设备。

如果按照面向的购买客户来划分,可分为To B和To C类:

§ To B类:包括表计类(智能水表、智能燃气表、智能电表、工业监控检测仪表等)、车载前装类(车机)、工业设备及公共服务监测设备等;

§ To C类:主要指消费电子,如可穿戴设备、智能家居等。


鉴于物联网极为丰富的应用场景,终端类型多,我们在此仅列举一些To B类、市场需求较大、且该类终端生产企业相对集中的厂商,如三川智慧、新天科技、汉威电子。

5.8系统集成及应用服务提供商:物联网应用落地的“实施者”

系统集成及应用服务是物联网部署实施与实现应用的重要环节。所谓系统集成,就是根据一个复杂的信息系统或子系统的要求,把多种产品技术验明并接入一个完整的解决方案的过程。目前主流的系统集成做法有设备系统集成和应用系统集成两大类。

金准人工智能专家认为,物联网的系统集成一般面向大型客户或垂直行业,例如政府部门、水务公司、燃气公司、热力公司、石油钢铁企业等,往往以提供综合解决方案形式为主,面对物联网的复杂应用环境和众多不同领域的设备,系统集成商可以帮助客户解决各类设备、子系统间的接口、协议、系统平台、应用软件等于子系统、建筑环境、施工配合、组织管理和人员配备相关的问题,确保客户得到最合适的解决方案。

目前国内相关的系统集成及应用服务提供商包括华为、中兴、星网锐捷、捷顺科技、远望谷、国脉科技、亿阳信通、东土科技、汉威电子、华腾飞、和晶科技等。

总结

物联网技术的发展,成为未来通信领域具有广阔增长空间的产业之一。5G网络使得运营商开始建设全面覆盖的物联网网络成为可能,也刺激物联网的应用场景快速布局。

(1)应用引领产业发展

中国物联网产业的发展是以应用为先导,存在着从公共管理和服务市场、到企业、行业应用市场、再到个人家庭市场逐步发展成熟的细分市场递进趋势。目前,物联网产业在中国还是处于前期的概念导入期和产业链逐步形成阶段,没有成熟的技术标准和完善的技术体系,整体产业处于酝酿阶段。此前,RFID市场一直期望在物流、零售等领域取得突破,但是由于涉及的产业链过长,产业组织过于复杂,交易成本过高,产业规模有限成本难于降低等问题,使得整体市场成长较为缓慢。

物联网概念提出以后,面向具有迫切需求的公共管理和服务领域,以政府应用示范项目带动物联网市场的启动将是必要之举。进而随着公共管理和服务市场应用解决方案的不断成熟、企业集聚、技术的不断整合和提升,逐步形成比较完整的物联网产业链,从而将可以带动各行业、大型企业的应用市场。待各个行业的应用逐渐成熟后,带动各项服务的完善、流程的改进,个人应用市场才会随之发展起来。

(2)标准体系逐渐成熟

物联网标准体系是一个渐进发展成熟的过程。物联网概念涵盖众多技术、众多行业、众多领域,试图制定一套普适性的统一标准几乎是不可能的。物联网产业的标准将是一个涵盖面很广的标准体系,将随着市场的逐渐发展而发展和成熟。

在物联网产业发展过程中,单一技术的先进性并不一定保证其标准一定具有活力和生命力,标准的开放性和所面对的市场的大小是其持续下去的关键和核心问题。随着物联网应用的逐步扩展和市场的成熟,哪一个应用占有的市场份额更大,该应用所衍生出来的相关标准将更有可能成为被广泛接受的事实标准。

(3)综合性平台即将出现

随着行业应用的逐渐成熟,新的通用性强的物联网技术平台将出现。物联网的创新是应用集成性的创新,一个单独的企业是无法完全独立完成一个完整的解决方案的。一个技术成熟、服务完善、产品类型众多、应用界面友好的应用,将是由设备提供商、技术方案商、运营商、服务商协同合作的结果。随着产业的成熟,支持不同设备接口、不同互联协议,可集成多种服务的共性技术平台将是物联网产业发展成熟的结果。

物联网时代,移动设备、嵌入式设备、互联网服务平台将成为主流。随着行业应用的逐渐成熟,将会有大的公共平台、共性技术平台出现。无论终端生产商、网络运营商、软件制造商、系统集成商、应用服务商,都需要在新的一轮竞争中寻找各自的重新定位。

(3)有效商业模式逐步形成

针对物联网领域的商业模式创新将是把技术与人的行为模式充分结合的结果。物联网将机器、人、社会的行动都互联在一起。新的商业模式出现将是把物联网相关技术与人的行为模式充分结合的结果。

物联网的应用也从小环境开始面向大环境,原有的商业模式需要更新升级来适应规模化、快速化、跨领域化的应用。而更关键的是要真正建立一个多方共赢的商业模式,这才是推动物联网能够长远有效发展的核心动力。要实现多方共赢,就必须让物联网真正成为一种商业的驱动力,而不是一种行政的强制力。让产业链所有参与物联网建设的各个环节都能从中获益,获取相应的商业回报,才能够使物联网得以持续快速地发展。



金准人工智能 AI赋能新零售趋势报告

前言

2013年到2018年,人工智能+零售创业公司在374笔交易中筹集了18亿美元,而这一切主要归功于亚马逊公司,因为这家科技巨头迫使零售商重新考虑他们的电子商务战略并在实体和汽车领域进行创新以保持竞争力。来自亚马逊的竞争,对透明度和投资的需求正在改变人工智能+零售领域。

这两年,关于新零售的各种报道让人们对零售业有了新的认识,无人超市、无人货架、生鲜配送。在马云提出新零售概念的时候,很多人发现新零售的5大部分实际上都是在原有的基础上加了个“新”字,所以说新零售并不是一种颠覆性的革命,而是优化、深挖传统零售带来的巨大的革新。零售市场足够大,据商务部《中国零售行业发展报告》,2016(没查到去年的数据)年全年商品零售额近29.7万亿元,这就意味着,哪怕蚕食其中一小部分,优化升级一部分零售行业的劣势,都会有巨大的获利机会。所以,新零售并不是零售行业的颠覆性革命,而是优化、深挖带来的巨大的革新。

一、零售业的革新

1.1用户群体的变化带来的消费革新

零售的变革会是现在,线上的流量越来越贵是一个重要的原因。

另一个重要的原因是——8090逐渐成为社会消费的主力。随着年龄的增长,他们也逐渐从学生、白领走入了家庭生活,开始购买蔬菜瓜果、关心起了柴米油盐。

举个简单的粒子,为什么美邦、森马、安踏这几年迎来了关店潮?因为穿它们长大的八零后已经不适合青春低龄的风格,而品牌又没抓住90后这波新消费群体。因此衍生出了zara,only,fiveplus,ochirly,优衣库,无印良品和一些潮牌在中国崛起。

在零售的购买习惯上,8090和父母辈在消费观念上已经大有不同。

主要表现在两个方面:

一是,不同于上一代核心关注物美价廉,他们开始为品质(或情怀)支付溢价。

二是,我们的消费品类结构和上一代有差异。

不同于上一辈对产品品质、品类的低需求,我们变得有要求,因此1公里内近距离的社区店,升级势在必行。

品质的要求同时也代表着商品溢价的提升和利润的增大。这是为什么苏宁也好、阿里也好、京东也好都看上了社区店这块香饽饽的原因之一。

新零售,大多并不是走的物美价廉的套路。这也是为什么类似褚橙、网易猪肉一样,走略偏中高价格(当然如果在品质的提升后仍然是低价,那当然更有市场)也是行得通的。

1.2挖掘消费场景,挖掘用户行为

前面是消费群体变化,另一个变化是玩法的变化。

新零售渗透的方式,主要有三种:场景挖掘下的近场化、线上线下的存在感优势、强关系下的数据化。

1.2.1场景挖掘下的近场化

近场化是会是新零售的一个趋势。

我的解读近场化包含三层意思:买东西的便捷、解决了网上购物不见其物的挑选困难和速度的快。

买东西的便捷:一个很简单的道理,比如你楼下开了一家烧烤店,你平时也经常吃经常烧烤的话,只要这家店没有明显的价格或质量问题,你吃烧烤的频率一定会比原来高,去这家吃的频率一定比别家多很多。

为什么我们看到现在新零售玩的是办公室货架、是社区小店,也就是这个道理,深入用户停留的场景,激发和挖掘消费需求,近距离接触用户,增加购物的便捷性从而促进消费。

比如办公室的货架,也许原来下午茶你懒很少会下楼去买,外卖又觉得慢,但是办公室里有个走两步就能买到甜点的货架,你买东西概率是不是大很多。

解决了挑选困难:以日常生活中高频刚需的生鲜为例,一个很大的问题是质量的控制,生鲜类产品,比如蔬菜瓜果,不经过亲手的挑选,我们对商家长期稳定的品质很难信任,这是网购很难解决的问题。

近距离的货架或者社区店,能解决每次要吃点品质的东西要走很长一段距离去大型超市的繁琐,走两步就到了。

速度的快:速度的问题,有一个很好的解决方案:“前置仓”。

前置仓解释为是在企业的仓储物流系统中,距离门店最近,最前置的仓储物流基地,是在中心仓、城市仓之下的第三级仓储物流,也是实施仓配一体化的关键环节,其后就涉及到TO B、TO C端的“最后一公里”配送。

前置仓能解决两个速度快的问题,一是能解决社区店和货架供货速度的问题;二是能解决送货上门速度的问题。

线上线下一体的存在感优势

线下门店注意力抢夺的入口,是流量入口。

但却很大的缺点:传统的线下零售与用户之间是弱关系。纯线下门店没法主动告知用户我这里在做活动有什么优惠,必须要用户路过看到或被朋友分享,这样就会有信息上的时间差,活动就容易错过。

新零售是线上线下的一体。APP、公众号或小程序购物需要注册个人信息,再加上平台对用户的行为和喜好情况进行的分析,这就是一个相对强的关系了。

就好像新零售平台在你手机里装了一块广告牌,线下门店有什么活动,通知无时差,还有针对性和预见性。

这还只是活动和优惠层面的。更多的信息,比如线下产品的升级、线下品牌的营造,线下零售店都有一个随时告知的出口。

线上线下的一体化,非常的强化了零售平台的存在感优势,提升了用户的注意力。

网店为什么会卖爆款,大多数爆款的利润极低,爆款的最大的目的是吸引用户的注意力,网店希望用户通过对爆款的关注,而去关注到整个网店,带动其他产品的销量,这就是注意力的价值。

1.2.2强关系下的数据化

技术的创新也给了新零售线下数据化的机会,通过智能摄像头的智能视频分析系统、WiFi定位感知、基于人脸识别,能非常清楚的统计到你是今天第几位用户,你在哪个商品上停留时间多少,你每周到店的频次以及时间点等等。

新零售平台会通过这些数据,知晓小区人群分布、个人消费偏好习惯。数据能分析出很多东西:能判断出用户是单身还是还有孩子;附近有多少老人,多少学生;小区的用户最喜欢的青菜是白菜还是菠菜。

配合前置仓和短距离配送,可以让线下门店变得跟线上App一样,做到“猜你喜欢”和“千个小区千种商品品类和陈列方式(对应App的千人千面)"。

设想一个简单的场景,前两天你在网上逛了下某零食,但是觉得贵没下单,今天晚上六点半你收到一条短信告诉你:小区楼下xxx便利店这个零食5折。你会不会买?

这就是新零售数据化的可怕之处,当我们打通线上线下的数据,一个人的作息时间、消费欲平台很多都能收集并分析到,最后能让你由变犹豫变为直接下单。

新零售有个很好的优势,就是能讲线上的故事,线上产品能解决了线下门店面积限制的问题、能有大数据、并且做了深度用户场景挖掘,那么他很明显有区别传统连锁门店不受资本的青睐缺陷,新零售在资本市场上很有优势。

说到这里,也许你能理解为什么都在搞无人收银?

对于大型超市来讲,收银员可能是整体人力成本中很小的一块,但是对于小规模、快速复制、低利润率的社区小店而言,任何人力成本的节省当规模上去了,就是很大成本的节约。

简单的例子,5000家社区店,哪怕每家店每月省钱2000元,那就是1000万,这就是无人收银的价值。

所以新零售是崛起于8090后的消费升级和消费结构的变化之中,互联网企业通过场景的深挖、大数据模型的构建、线上线下一体的注意力抢夺,在资本力量的加持和本身模式的低层本扩张性特点下,深度优化原有传统零售的新玩法。


二、AI赋能零售业的

2.1 AI智能货架

超市的货架空间是有限的,大品牌通常需要支付数千美元来竞争这些空间。但是,除此之外,他们几乎无法了解商店里发生的事情,现在AI正在改变这一点。

“货架费”并不是零售业的新概念。 根据2001年发表在《法律与商业杂志》上的一项研究, Apple & Eve 在一些商店花费了大约15万美元来保证他们的果汁产品的货架空间,而Frito-Lay平均每家超市花费100,000美元购买货架用于推出新产品。今年早些时候,Whole Foods考虑向其顶级供应商收取约30万美元的货架费。但是,虽然品牌与超市签订了合同,但他们几乎无法了解超市货架上发生的事情以及他们的产品是否按照承诺展示。

一些初创公司正在利用这一点,开始销售实时货架数据。

计算机视觉平台Trax Retail使用店内摄像头,机器人或手机中的图像分析实体货架上发生的情况,以创建实体店的数字版本。

传统品牌会派销售人员或审核员手动检查商店中的产品放置。虽然Trax的产品仍然需要人们访问超市,但它正在尝试自动跟踪货架和分销等指标。像沃尔玛这样的超市正在考虑直接向制造商销售这些数据。以下是沃尔玛最近的专利申请摘录。

沃尔玛最近的专利申请

零售商需要店内数据来跟踪物品和管理库存等。沃尔玛与Bossa Nova Robotics合作,监控其50家商店货架上的错误价格标签和丢失物品。但上述专利暗示了一个更具未来感的计划,即店内零售机器人接收来自外部供应商的实时数据请求。然后,系统在自动机器人完成任务之前向供应商收取任务费用。

2.2 AI假货鉴定

假货越来越难以发现。从奢侈手袋到手表和化妆品,网购到假货的概率比以往任何时候都更高,这迫使品牌尝试用人工智能解决这个问题。

从药品到包包再到智能手机,假冒是一个影响所有类型零售的问题。一些仿制品看起来非常接近正品,以至于它们被归类为“超级假货”。CB Insights平台上的一个简单的关键字搜索表明,关于仿冒品的讨论越来越多。

这些年仿冒品的关键词次数

专利申请,包括防伪技术和开发难以伪造的产品,在过去的5年里一直在增长。

防伪专利申请

一家名为Cypheme(赛纷)的创业公司,把独特的标签和人工智能软件相结合,以此来鉴定产品真伪、打击仿冒行为。其基于油墨的技术可用作产品的标签,或直接印在标签和包装上。

Cypheme公司AI防伪技术

标签上的声纹识别图案被直径为1厘米、用Cypheme公司独有的橙色油墨打印的圆圈包围。该公司声称,这种特殊的橙色无法被商用或者工业打印机上使用的油墨模仿。然后每个独特的标签会与数据库上的特定产品相关联。人们可以使用智能手机相机和基于神经网络的app进行模式识别,以根据数据库验证特定产品的真伪。

2.3 AR和计算机视觉使化妆品销售更智能

化妆品零售中的虚拟试用有双重目的:1、解决美容购物者的痛点,2、收集零售商的消费者和产品偏好数据。

化妆品是AR技术应用已经取得成功的一个行业。 AR在2017年成为整个行业的主流。完美公司和Modiface都为美容品牌提供虚拟试用技术,并与包括丝芙兰在内的主要企业合作。 Perfect Corp和Modiface都将AR和计算机视觉相结合,让购物者可以尝试不同的产品,同时收集客户的行为数据。 Modiface的技术可以收集有关面部特征的各种数据,包括面部形状,肤色,皱纹等。

化妆品品牌

这可以帮助零售商确定具有特定面部特征的人购买某些类型的产品的可能性,从而可以更准确地预测销售量。

最初,该技术被用来解决美容购物者容易尝试化妆品的痛点,即没有乱七八糟的东西。 L'Oréal今年早些时候收购了Modiface,帮助该公司为L'Oréal的美容品牌推出了各种AR化妆品体验。它最近还与Facebook建立了长期合作伙伴关系,在社交网络平台上为其投资组合品牌创建AR美容体验。在Facebook上,用户可以使用智能手机相机虚拟试用产品,然后无缝重定向到父网站进行购买。 L'Oréal也推出了基于Modiface的网络试用版,与L'OréalParis品牌一样。

2.4 AI控制的微物流中心

无论是购物者选择1小时送货上门还是在网上订购并在一小时内到店取货,AI运营的微型物流中心会让超级市场的利润更高,同时帮助他们直接与客户互动。

亚马逊去年收购的Whole Foods及其持续的网上零售扩张正在推动其他零售商走向电子商务战略。

AI微物流中心面积对比

微物流中心为超市提供了另一种选择:可以在现有超市内安装的迷你,垂直堆叠仓库,可选择运行自己的电子商务界面或利用开发技术的初创公司的端到端解决方案。

与传统仓库相比,整个“迷你仓库”的面积不到10K平方英尺(大约3,000平方英尺),而传统仓库的面积可以达到足球面积。货架垂直堆放以节省房地产空间,可以安装在现有的超市,建筑物的地下室,甚至是停车场内。地面机器人在过道之间移动以获取订单中的物品并将其交给人工进行最终包装。

AI软件用于决定货架中的货物放置,确定任务的优先级,并将导航指令发送到地面机器人。根据尼尔森和食品营销研究所最近的一份报告,消费者在线订购并在店内购买正在迅速发展。人口稠密地区的微型中心提供有效的拾取解决方案。其次,零售货架空间有限。这些垂直堆叠的微型中心将使超市能够保留比商店通常更多的库存。


2.5 语音购物革命还没到来

语音购物没有腾飞。除了重新排序特定项目之外,它无法提供推动在线商务的关键客户体验。

如今,很少有消费者使用亚马逊Alexa进行购物,语音商务尚未成为主流。 The Information的一份报告发现,只有2%的亚马逊Alexa用户使用语音界面在2018年购买产品,其中只有10%是回头客。事实上,除亚马逊和谷歌之外,没有人讨论使用亚马逊Alexa或Google智能助理进行语音购物。对于想要查看商品,比较产品和价格,或阅读产品功能的在线购物者来说,语音不是一个方便的界面。

2.6沃尔玛全力投入机器人技术研发

零售和运输机器人的投资回报率可能尚不清楚。但沃尔玛的专利揭示了雄心勃勃的计划,从语音控制无人机到协调无人机交付。

自2017年1月起,沃尔玛已申请至少37项与无人机和地面机器人相关的专利,而2016年仅为8项。下图显示了沃尔玛与亚马逊相比的专利申请,亚马逊因其雄心勃勃的机器人专利而闻名。

沃尔玛机器人专利

沃尔玛的大部分专利都涉及无人机,用于最后一英里交付。这是一份2018年专利申请,用于无人机和自动地面车辆(AGV)之间的自动包裹交换。

沃尔玛2018年一份专利

另一项专利讨论了一种系统,该系统使用自动机器人来检测一个设施中的缺失物品(例如,商店货架上的缺货产品)并用另一个设施的物品补充它。

自动机器人专利

2.7 AI收银员防止行窃

Amazon Go取消了整个结账过程,允许购物者挑选物品并走径直出去,这在过去就像是在行窃。

亚马逊尚未公开计划将其技术即服务出售给其他零售商,并且一直对运营,成功和痛点持严格保密态度- 仅表明其使用传感器,相机,计算机视觉和深度学习算法。它否认使用面部识别算法。像Standard Cognition和AiFi这样的初创公司抓住了这个机会,让其他零售商将Amazon Go民主化。一个挑战即将到来的商店面临的是他们向正确的购物者收取适当金额的好处。

据全美零售联合会(National Retail Federation)称,由于入店行窃和文书工作错误造成的库存损失等因素导致2017年美国零售商损失约47亿美元。创业公司AiFi的首席执行官史蒂夫古(Steve Gu)最近在接受“人工智能播客”(The AI Podcast)采访时表示,“购买就像偷窃”,他讨论了无人收银商店背后的技术。到目前为止,Amazon Go是唯一成功的商业部署,但成功的参数受到严格保密。当可以控制谁进入商店并自动收费时,可以最大限度地减少入店行窃的可能性。

亚马逊已经建立了Prime会员基础。到目前为止,所有Go商店仅限于会员,其他零售业务,如向公众开放的Kindle商店,仍然依赖于手动结账流程。较小的便利店,甚至几个成熟的超市必须从头开始建立会员基础。

史蒂夫古在前面提到的播客中暗示,对于愿意下载应用程序的人来说,可能会有一个“拿走商品并离开”部分,而对于那些不想要的人来说,可能会有一个单独的结帐通道。目前尚不清楚商店的基础设施如何支持两者,但潜在的应用程序用户可以扫描一次进入,一次退出- 与目前只扫描手机一次进入的流程不同- 确保非应用用户通过单独通道。

这仍然会导致销售点库存缩减,例如不正确的计费物品或POS盗窃。中国的Yitu Technology和东芝凭借其用于结账的智能相机,是一些单独处理POS盗窃的公司。防止盗窃的复杂性取决于操作的规模和规模以及货架上的产品类型。亚马逊Go商店的面积仅为1,800至3,000平方英尺,并使用数百台相机,几乎涵盖了每一寸天花板空间。相比之下,传统超市可达40,000平方英尺或更多。除了用于视觉识别的相机之外,Go还使用货架上的重量传感器,目前仅提供有限的选择,例如准备和包装的餐具。

2.8中国无人售货浪潮

亚马逊宣布亚马逊Go计划后不久,中国的无人零售交易激增。

中国无人零售交易

这些包括“无人商店”,“无人货架”,甚至“无人自动售货机”。然而,并非所有在中国涌现的无收银员初创公司都使用人工智能。最早的交易之一是F5 Future Store,它已筹集了超过700万美元,并且似乎在自助支付和结账系统上运作。 BingoBox在18年第一季度筹集了8000万美元,使其总资金达到了9400万美元。其无人商店依赖RFID标签,客户仍需扫描产品以完成结账流程。但BingoBox此后宣布其商店正朝着基于人工智能的图像识别解决方案发展。超过10家公司已经为无人自动售货机筹集了大约15笔投资- 这些机器从一开始就没有人工配备。

中国无人售货机投资

一些“无人零售”公司,如美味生活,已筹集超过900万美元的股权,但只是允许用户扫描二维码打开自动售货机门拿取他们支付的项目。

其他像hgo BOX这样从中国UCF集团收到约100万美元的企业少数股权,声称使用计算机视觉来识别从货架上挑选哪些产品并自动向客户收费,除了“监控”客户以便他们不这样做破坏机器。

这个领域已经看到了一些重大失败。据报道,由于“盗窃和管理不善”,果小美筹集了超过6400万美元用于“无人零食货架”,据报道其裁员并将其商业模式改为电子商务。

京东是中国第二大电子商务平台,于18年1月在中国山东开设了第一家无人便利店。它声称是第一个完全向公众开放无人便利店,但技术与亚马逊不同。回顾一下,Amazon Go商店的客户必须扫描他们的Go应用程序才能进入。之后,系列摄像机跟踪整个商店的顾客流动,绕过了部署面部识别算法的需要。相反,用户在进入JD商店时扫描QR码。相机运行面部识别算法以在进入期间识别购物者。 JD实体店中的每件商品都带有RFID标签。退出时,客户站在地板上标有“站在这里”的标志,一次扫描所有RFID标签,摄像机再次运行面部识别算法为您的帐户收费。如今,京东在中国经营着20多家无人商店,并于18年8月在印度尼西亚雅加达开设了一家商店,最大面积约为2,900平方英尺。雅加达的办公地点出售服装和配饰以及包装商品。

2.9送餐无人驾驶

尽管存在监管不确定性和部署挑战,但实体食品企业正在与主要原始设备制造商和自动驾驶汽车初创公司合作,以降低最后一英里的运输成本。

实体食品企业正在与自动驾驶汽车初创公司和主要原始设备制造商合作,以改善最后一英里交付物流。 6月,机器人创业公司Nuro与美国最大的实体店之一Kroger合作。 Nuro开发了自己的全电动自动输送车,称为R1,专为运输货物而非乘客。该车辆的宽度是乘用车的一半,设计用于在邻近道路上行驶,而不仅仅在人行道上。

由于与8月份在亚利桑那州斯科茨代尔推出的Kroger合作,Nuro正在使用配备该公司自动驾驶技术的丰田普锐斯和日产Leaf车队。这些车辆收集最终输入R1的数据,该公司计划在今年秋季进行公开测试以取代传统的乘用车。

在餐饮行业,像Domino's和必胜客这样的披萨公司一直处于测试自动驾驶汽车技术的最前沿。福特正在迈阿密试行自助餐,包括披萨,杂货和其他商品的运送。该代工厂在2018年初与包括多米诺公司在内的70多家企业合作。目前,没有关于自动驾驶汽车测试和部署的联邦法律。法规因州而异。尽管围绕该州无人驾驶的行人死亡引发争议,亚利桑那州Kroger正在进行测试,该州对测试无人驾驶汽车特别自由。

食品零售商并未将其用于近期盈利或一夜之间广泛部署。即使对于像亚马逊这样的技术型运营商来说,最后一英里的物流也是一项挑战,早期参与自动地面交付为杂货零售商和餐馆提供了一个很有前途的解决方案,从长远来看,它们希望赢得经济实惠的最后一英里交付。

2.10 AI造型师的崛起

AI正在帮助零售商为消费者个性化购物体验。它还帮助他们为下一个时尚大趋势做好准备。

个性化造型为购物者提供了比在线浏览和搜索数千种产品列表更好的体验。 购物者可以在线快速查询他们的风格偏好。以此为出发点,人工智能算法随着时间的推移会越来越好,可能会吸引每个购物者,不仅可以从购买历史中学习,还可以从用户的浏览行为中学习。

这正是英国的Thread--一家提供个人购物服务的电子商务创业公司正在努力的方向。据报道,它有超过一百万用户。 最近,H&M的风险投资公司在一轮2200万美元的B轮融资中支持了Thread。

StitchFix公司做了类似的事情,但正在整合人工智能,不仅用于风格推荐,还用于需求预测,库存管理,甚至帮助设计师创建新风格。 该公司凭借其“混合设计”服装处于人工智能驱动时尚的最前沿,该服装由识别Stitch Fix库存中缺少的趋势和样式的算法创建,并根据消费者喜爱的颜色,模式组合推荐新设计和纺织品- 供人类设计师参考。

今年早些时候,Tommy Hilfger宣布与IBM和时装技术学院合作。该项目使用IBM AI工具来破译实时时尚行业趋势,围绕Tommy Hilfger产品和客户情绪,以及重新塑造趋势风格的主题。然后将算法的结果反馈给人类设计师,他们可以使用它们来做出明智的设计决策。下一个时尚时代就是个性化和预测。随着越来越多的数据,算法将成为趋势猎手,以前所未有的方式预测(和设计)下一代时尚。


总结

金准人工智能认为,传统零售无疑是一个积累了海量数据的行业,其中包含大量顾客数据、购物数据、商品受欢迎度数据、商场环境数据等。AI 的作用就是消除数据孤岛,主动吸取并把它转换为结构化数据,从而提高经营效率。零售作为一种典型的商业综合体,绝大部分环节均能依靠人工智能实现自动化与标准化,从而减少人力投入。可以预见,随着技术的发展,未来将会有更多形态的AI产品与解决方案应用在零售当中。


金准商业 新零售研究报告

前言

2016 年11月11日,国务院办公厅印发《关于推动实体零售创新转型的意见》(国办发〔2016〕78 号),明确了推动我国实体零售创新转型的指导思想和基本原则。同时,在调整商业结构、创新发展方式、促进跨界融合、优化发展环境、强化政策支持等方面作出具体部署。《意见》在促进线上线下融合的问题上强调:“建立适应融合发展的标准规范、竞争规则,引导实体零售企业逐步提高信息化水平,将线下物流、服务、体验等优势与线上商流、资金流、信息流融合,拓展智能化、网络化的全渠道布局。”新零售应运而生。

一、传统零售

1.1传统零售的方式

跟零售商去进行数据交换,然后把这个数据整合完之后,按照一个价格卖给品牌商,这是我们传统的一个商业模式。

1.2传统零售的逐渐“凋零”

如图,是报告中关于传统零售产业链的介绍图。我们可以看到,消费者无法享受更多的高质量,个性化服务,这就造成了消费者即买即走,无法创造附加价值的状况。在如今服务与个性化突显的时代,这样的模式自然会有所不能被消费者青睐。

一方面,由于电子商务在我国迅速崛起,传统的实体商场超市、百货等业态受到巨大的冲击,很多店铺持续亏损,导致很多零售企业倒闭。在业绩不断下滑的严峻境况下,传统零售企业相对电子商务来说一直面临着成本高、竞争大、回报低、难扩张等问题。在中国经济放缓的背景下,有些实体零售企业面临低增长和负利润的严峻挑战。虽然超市、百货、家电大卖场等零售企业纷纷倒下,但便利店却是逆势增长,便利店的网店规模和门店利润不断提升。小区型便利店可以说是近几年零售业中的一种适应社会需求的转型,但终究还是改变不了零售业萎缩的现象。

另一方面, 经过近年来的全速前行,传统电商由于互联网和移动互联网终端大范围普及所带来的用户增长以及流量红利正逐渐萎缩,传统电商所面临的增长“瓶颈”开始显现。国家统计局的数据显示:全国网上零售额的增速已经连续三年下滑,2014 年1-9 月份的全国网上零售额为18238亿元,同比增长达到49.9%;2015年1-9月份的全国网上零售额为25914亿元,同比增长降到36.2%,而在2016年的1-9 月份,全国网上零售额是34651 亿元,增速仅为26.1%。此外,从2016 年“天猫”、“淘宝”的“双11”总成交额1207亿元来看,GMV增速也从2013 年超过60%下降到了2016年的24%。金准商业预测:国内网购增速的放缓仍将以每年下降8-10 个百分点的趋势延续。

金准商业认为传统的线上电商从开始就存在着明显的短板,线上购物的体验始终不及线下购物是不争的事实,相对于线下实体店给顾客提供商品或服务时所具备的可视性、可听性、可触性、可感性、可用性等直观属性,线上电商始终没有找到能够提供真实场景和良好购物体验的现实路径,再加上我国居民人均可支配收入不断提高,人们对购物的关注点已经不再仅仅局限于价格低廉等线上电商曾经引以为傲的优势方面,而是愈发注重对消费过程的体验和感受,对于电商企业而言,唯有变革才有出路。

2017国内主要零售业上市公司营收与净利润分析:

在营收总额中,我们可以看出,京东、阿里巴巴、苏宁云商三家电商企业的营收总额遥遥领先,可见电商在零售行业中拥有得天独厚的优势。

营收总额第一的电商京东,营收额为2602亿元,净利润为10亿元,利润率为0.38%;传统零售企业代表高鑫零售营收额为1004.41亿元,净利润却高达25.71亿元,利润率为2.56%。

金准商业认为传统线下零售商可以达到较高的利润率,但营收额相对几大电商来说还有较大的差距,传统线下零售商想要突破电子商务的封锁,迫切需要改革来提高营收。

二、新零售的诞生

1.1新观点的提出

在云栖大会的主会场,马云在发言中着重介绍了“新五通一平”,他指出“未来的十年、二十年,没有电子商务这一说,只有新零售这一说,也就是说线上线下和物流必须结合在一起,才能诞生真正的新零售。

“新零售”的核心要义在于推动线上与线下的一体化进程,其关键在于使线上的互联网力量和线下的实体店终端形成真正意义上的合力,从而完成电商平台和实体零售店面在商业维度上的优化升级。同时,促成价格消费时代向价值消费时代的全面转型。 此外,有学者也提出新零售就是“将零售数据化”。将新零售总结为“线上+线下+物流”,其核心是以消费者为中心的会员、支付、库存、服务等方面数据的全面打通。

企业以互联网为依托,通过运用大数据、人工智能等先进技术手段,对商品的生产、流通与销售过程进行升级改造,进而重塑业态结构与生态圈,并对线上服务、线下体验以及现代物流进行深度融合的零售新模式 。

未来电子商务平台即将消失,线上线下和物流结合在一起,才会产生新零售。线上是指云平台,线下是指销售门店或生产商,新物流消灭库存,减少囤货量. 电子商务平台消失是指,现有的电商平台分散,每个人都有自己的电商平台,不再入驻天猫、京东、亚马逊大型电子商务平台。

1.2传统零售与新零售的不同

1.2.1思维、心态、精神的不同

传统零售:企业高层经营思维一般比较保守,对企业发展的好处是不会无方向地扩张,不足是可能造成满足现状,不想突破,对新思维、新战略方向的调整显得疲于应对;中层管理往往因为涉及利益冲突导致多个部门各自为战,没有形成线上线下包容心态;基层人员受公司战略方向、中高层领导的影响,在对待一些新事物、新知识的吸收上显得比较抵触。

新零售:传统零售企业转型新零售,需要高层领导的颠覆性经营新思维,需要中层管理者线上线下融合包容的心态,需要基层人员不断学习的求知精神。“思维”引导“心态”,“心态”倡导“精神”。

1.2.2渠道的布局不同:单一渠道VS全渠道

传统零售:局限于从早期的“行商”比如货郎担,“坐商”比如绝大部分固定的门店,到“网商”比如第三方网店平台,这些都是靠体力、线下位置、平台流量产生购物。

新零售:新零售强调“云商”概念,从用“脚”出门购物到用“手”握住鼠标和触摸手机购物,到接下来的用“嘴”语音购物、用“眼”VR购物,用“脑”意念购物。购物的通道不断增加,从单一渠道到多渠道,再到所有渠道的协同。全渠道,是商业的未来!

1.2.3场景的不同:单一VS多样化

传统零售:传统场景是到店、拿货、付款、走人,网店零售的场景是浏览、购物车、付款、收包裹,相对来讲都比较简单。

新零售:场景因为时间和空间的变化,复杂的多,一个环节都不能掉链子,要深度闭合,玩法也比较多,更精彩!包括门店购、APP购、店中店触屏购、VR购、智能货架购、直播购等。

1.2.4购物时间、空间、方式的不同

传统零售:消费者只能在规定的时间、固定的场所、买到大众化的商品。

新零售:今天的消费者,希望在任何时间、任何地点,用任何方式购物,想买就买。并且可以到店自提、门店配送、快递配送、定期送等。如果我们的商家做不到,任何时间、任何地点,用任何方式让消费者接触并购买你的产品和服务,那你最终会被消费者所遗忘。

1.2.5对待社群的态度不同

传统零售:“中间化”,一件商品要经过好几层传递;电子商务“中心化”,流量聚集在平台,花钱买流量才有生意;

新零售:“社群化”,不要什么人生意都做,吸引目标客群就好了,“便利、品质、性价比、独特性、感动”,零售进入精细化运作时代了。

1.2.6对顾客的态度不同

传统零售:以商品为本,想方设法把商品卖给消费者。

新零售:以人为本,聚集同一社群属性的消费者,根据他们特点和所需提供相应的产品和服务。这样,商家就需要更多商品和服务资源提供给消费者,这对传统的供应链体系是极大的挑战。

1.2.7对导购的赋能不同

传统零售:传统意义的导购,在店铺里面等待顾客并引导购物的人。

新零售:新零售的导购,将超越时间和空间的概念,成为全渠道智能导购并且微商化,导购并不一定全职。新零售赋予新导购更多的职能,顾客引流、社交传播、销售引导、售后服务等,满足顾客任何时间、任何地点、任何方式的购物需求。

1.2.8对待IT的态度不同

传统零售:IT系统作用主要体现在工具属性上,提高经营效率为目标,没有IT系统支持很多夫妻店也开的好好的。

新零售:IT系统是经营的基础和核心,首先要把顾客、商品、营销、交易、管理在线化,打通各个环节,然后运用大数据智能让经营决策更科学合理。

1.2.9对待互联网的态度不同

传统零售:集中在PC互联网时代,流量高度中心化,零售商即使拥有搭建网店的技术和运营能力也无法成功,电商业务只能依靠平台。

新零售:集中在移动互联网时代,线上流量碎片化以及实体门店自带流量,只要解决IT系统和线上线下一体化的运营能力,零售商就形成了自己的新零售体系。

1.3 新零售的本质

1.3.1创造极致的消费者体验

金准商业认为新零售走到今天,还是回归零售的本质——创造极致的消费者体验,这是所有零售业的本质。

在今天的整个线下消费场景中,有大量的痛点没有被很好地解决。消费者在过去十年电商和移动互联网的教育下,整个消费场景变得非常碎片化。今天消费者在线下目的性的购物、实惠性的购物越来越少,探索性、休闲性、场景化的购物越来越多。

今天一个消费者去商圈购物,不是奔着品牌去的,很多时候是因为亲子、教育、看电影去的,场景化购物越来越多。而实体商业在这方面的布局能力并不是很强。

移动互联网环境下的消费者,对于整个购物过程的体验、物流配送效率、个性化程度等方面的要求非常高,期望值也很高。今天的消费者普遍存在买不到、买不对、买不爽的情况,这是消费端的痛点。

我们希望未来的消费者体验是什么样的?希望消费者随时随地买得到,随心所欲买得对,无忧无虑买得爽。

一个品牌零售门店可以突破时间、空间的限制,让消费者在任何门店购买到,并且做到比电商更快的同城即送;他买的过程中希望品牌更懂他,而不是逛了半天,还得不到探索发现的乐趣;而且购物过程中希望消费者无忧无虑买得爽,不管是退换货、配送都非常透明。

1.3.2创造极致的商业效率

商业侧,我们希望看到极致的商业效率。金准商业认为零售要满足用户的极致体验,只有用最高的商业效率,这个事才能持续。

在商业侧有大量痛点,一个最典型的,商业流通虽然有供应链、渠道等很多环节,但核心是要创造和服务客户。

未来的商业,可以概括为3个方面:

(1)消费者资产

今天的零售业,流量模型依然是基于租金的,基于地理位置守株待兔的获客模式。过去一百年,地段就是一切,我相信未来新零售的门店一定是摆脱地理位置做生意。

整个客户获取、留存、经营是在全域、全渠道进行的:获得消费者的途径是全渠道的,给予消费者体验的途径也是全渠道的,品牌与消费者的触点绝对不只在进店、离店、是否成交这些环节,而是在每个环节。

从接触品牌、发生兴趣到购买,每个环节都可以被数字化度量和运营。这是我们的梦想,对消费者的运营是全域的,可以作为资产一样去运营。

(2)差异化商业内容供给

流量是什么?流量是带着需求的消费者。怎么样获取流量?一定是我们在供给侧发生变化,才能获得持续的流量和复购。不改变供给侧,没法获得持续优质的流量。

在整个实体商业中有大量的环节可以优化,供给侧是优化的重点。“供给”绝对不是货品本身,而是消费者希望得到的完整的服务体验。

举个例子,消费者进到门店和导购建立关系,购买好商品后希望马上能送到家,而不是拎着大包小包逛商圈。门店能不能提供一小时达的物流配送?大部分门店没有这样的能力。

许多品牌有大量的会员权益,但消费者根本感知不到尊贵。所以,在供给侧我们需要做一些深度商业重构,不改变就很难获得持续的流量。

(3)优化内部的组织效率

我们推出了一系列商业产品和用户产品,希望重新构建消费者体验,重新提升商业效率。不管是直营店、加盟店,甚至是百货和商超中的货架,都可以全面数字化,变成智慧门店。

三、新零售的发展

从“无人超市”到“半小时送达”,从“三公里内理想生活”再到“新零售之城”,在即将过去的2018年,这些曾经新鲜的词汇已经融入不少人的日常。有统计显示,2018年新零售消费的占比已经达到22%。

2018年,电商巨头加速布局零售业。阿里提出打造“新零售之城”,孵化出的超级物种——盒马在16个城市的线下店已超过100家,主打生鲜百货1小时送达的“淘鲜达”已开通269个城市,660家线下商超门店;腾讯“智慧零售”旨在做零售商的数字化助手,以数字化手段助力零售业转型升级,与永辉、家乐福、沃尔玛等零售巨头建立深度合作;京东生鲜食品超市7FRESH启动北京、上海、广州、深圳、成都等城市开店进程。这一年,新零售为线下商业企业带来新的想象空间。无论是银泰百货、还是王府井百货、天弘股份,都在发力数字化、体验式、供应链,呈现营收及利润双增长态势。以苏宁为例,在智慧零售大开发战略的强力推进中,2018年苏宁累计新开店面近7000家,其中仅苏宁小店就近2900家、苏宁零售云近1900家,此外还有苏宁红孩子、苏宁极物、苏宁易购直营店,大润发、欧尚合作店等。

据前瞻产业研究院发布的《中国新零售行业商业模式创新与投资机会深度研究报告》统计数据显示,预计2018年,新零售在中国消费者商品零售总额中的占比将达到22.4%,这一占比相较于2013年的8%,近乎翻了三倍,预计到2023年占比将增至33%。未来几年新零售交易规模年复合增长率将达115.27%,预计到了2022年,新零售市场规模将突破1.8万亿元。

2018年1-11月全国网上零售额80689亿元,同比增长24.1%。其中,实物商品网上零售额62710亿元,增长25.4%,占社会消费品零售总额的比重为18.2%。

2018年1-11月全国网上零售额统计及增长情况:


是创新还是坚守,以哪种模式创新,成为每个零售企业思考的问题。但不可否认的是,数据驱动和科技应用的趋势已经成为共识,伴随消费升级的推进,零售业正在准备迎接新消费崛起的时代。

有业内专家指出,新零售发展潜力巨大,将为消费增长和经济发展注入新的活力。一方面,新零售推动了消费增长、带动了消费升级;另一方面,新零售能够在消费领域异军突起,也正是基于我国消费稳步增长加快升级的背景。

金准商业指出,一个“新消费时代”正在到来。95后消费群体的崛起、三四线城市消费潜力的发掘等,在不断迭代的商业基础设施和互联网等继续迅猛发展的助推下,都将释放新的消费红利。

商务部流通产业促进中心研究员陈丽芬指出,改革开放40年来,我国消费升级的步伐从未停止,当下迎来了消费升级的窗口期,消费被提高到前所未有的战略高度。“2018年,正值改革开放40周年,内部能量积累到位,外部压力扑面而来。这一年,注定要成为我国消费升级的历史元年。”

新零售未来的发展不可限量,而我国也会有越来越多行业涉足新零售领域,与我们的生活息息相关。美国“新零售教父”、“云经济学专家”、《云端时代》《数字化革命》作者乔·韦曼说过:中国企业有望成为新零售全球领导者。

总结

金准商业分析,本世纪的初期,当传统零售企业还未能觉察到电子商务对整个商业生态圈所可能产生的颠覆性作用之时,以淘宝、京东等为代表的电子商务平台却开始破土而出,电子商务发展到今天,已经占据中国零售市场主导地位,这也印证了比尔·盖茨曾经的所言:“人们常常将未来两年可能出现的改变看得过高,但同时又把未来十年可能出现的改变看得过低。”随着“新零售”模式的逐步落地,线上和线下将从原来的相对独立、相互冲突逐渐转化为互为促进、彼此融合,电子商务的表现形式和商业路径必定会发生根本性的转变。当所有实体零售都具有明显的“电商”基因特征之时,传统意义上的“电商”将不复存在,而人们现在经常抱怨的电子商务给实体经济带来的严重冲击也将成为历史。


金准产业数据 产业互联网分析

中国巨大的人口需求使得我国互联网飞速发展的二十多年时间里,造就了互联网在消费领域里的繁荣,出现了阿里巴巴、百度、腾讯以及京东这样的消费互联网巨头。从互联网发展的角度看,消费互联网市场已趋于稳定与饱和,未来的互联网发展将更多的体现在产业互联网领域。特别是在国家供给侧改革的体制下,金准人工智能判断产业互联网将迎来辉煌二十年。


一、“互联网+”的渗透率

“互联网+”是从C端到B端,从小B(分销)再到大B(核心企业)的过程,产业越来越重。在“互联网+”逆向倒逼的过程中,各个环节互联网化的比重也是依次递减。


互联网渗透率


最先被互联网带动的是消费者,中国互联网络信息中心(CNNIC)在京发布第42次《中国互联网络发展状况统计报告》。截至2018年6月30日,我国网民规模达8.02亿,互联网普及率为57.7%。我国手机网民规模达7.88亿,上半年新增手机网民3509万人,较2017年末增加4.7%,网民中使用手机上网人群的占比达98.3%。截至2018年6月,我国农村网民占比为26.3%,规模为2.11亿,较2017年末增加1.0%:城镇网民占比73.7%,规模为5.91亿,较2017年末增加4.9%。广告营销环节是最早互联网化的商业环节,我国互联网广告产业规模达到1535亿元,市场份额占整体广告产业的28%;其次是零售环节的互联网化,我国网上零售额达到38773亿元,同比增长33.3%,占同期社零总额的10.6%;再往上是批发和分销环节的互联网化,包括传统的B2B网站纷纷由信息平台向交易平台转型,整个国内批发、分销市场的互联网化比例估计为1-2%的比例;再往上倒逼就是生产制造环节,主要表现两个方面:一是个性化需求倒逼生产制造柔性化加速;二是需求端、零售端与制造业的在线紧密连接,这会导致制造业出现在线化、数据化的趋势。


二、传统产业互联网化呈现“逆向”态势

金准人工智能认为,在企业价值链层面上,表现为一个个环节的互联网化:从消费者在线开始,到广告营销、零售、到批发和分销、再到生产制造、一直追溯到上游的原材料和生产装备。从产业层面看,表现为一个个产业的互联网化:从广告传媒业、零售业、到批发市场,再到生产制造和原材料。


互联网化的四个阶段


从传播层面互联网化、渠道层面互联网化,再到供应链层面互联网化、价值链层面的互联网化,互联网化程度将会越来越重。但是,我国企业的云服务渗透率为21%,相比美国的63%有一定差距;我国中小企业运营中互联网使用率不到25%,而美国中小企业运营中互联网使用率高达85%;这说明产业互联网化的空间非常巨大。


三、我国正由消费互联网向产业互联网转型

消费互联网主要针对消费者个人体验,而产业互联网渗透领域更加广泛,主要以企业为用户,以生产活动为应用场景的互联网应用,体现在从产品设计、研发、生产制造到营销、服务等各个环节,彻底改变传统产业的商业模式。


产业链互联网化的过程


过去的二十年互联网改变了人们的生活方式,衣、食、住、行、娱、购无所不包,而随着消费互联网的饱和,将倒逼产业互联网的实现。互联网将在生产制造、仓储物流、产品交易、金融服务、原材料采购等领域产生巨大影响,极大的改变传统的产业形式,实现更高效率、更快速度。

产业互联网实现的是更大范围的融合,形成更加开放的平台,美国工业互联网联盟理事长理查德博士指出“互联网当中不存在单一的胜者,应该在开放的平台上进行分享。如果能把数据从供应商那里进行整合,给客户,把这种互联性通过产品的制造,通过供应商对供应进行共享,通过制造产品给客户带来价值化成现实,从长期角度来说,将会对所有的利益相关方带来巨大的利益。”

金准人工智能判断,未来二十年将是产业互联网的时代,教育、医疗、交通、金融、农业等与民生息息相关的产业都将被互联网化。


四、产业互联网的基础是宽带网络、大数据及云计算

产业互联网时代的生产资料就是大数据,新的计算及计算技术与应用正在将过去以“流程”为核心带向以“大数据”为核心,作为最为重要的生产要素,大数据及大数据处理能力会成为每个企业、每个行业的“新大脑”。


个人数据化与企业数据化


PC机的广泛运用以及智能终端的普及造就了消费互联网的“兴盛”,表现出来的是个人的数据化,实现的是消费者衣、食、住、行、用的更方便和更快捷;而宽带网络的不断升级、数据存储的便捷以及云计算的普及将造就产业互联网的“辉煌”,表现出来的是企业数据化,实现的是生产、交易、流通、融资的更高效,使得企业在生产制造、运营效率和资源配置方面的得到大幅度提升。


五、产业互联网实现的核心是商业模式创新

“互联网+”是技术、模式、规则的多重改变,产业互联网不是传统业态加一个互联网,而是一个创造新业态的过程,它是商业模式创新、技术实现以及规则制定的融合。没有创新的商业模式,产业互联网的价值就不会实现。

产业互联网时代商业模式创新的关键是构建独特的价值创造能力以及对整个产业生态系统的构建和合作上;产业互联网时代商业模式创新的能力体现在更好地建立和维系与客户的互动关系的能力,更好地为行业合作伙伴带来商机和价值共赢的能力。我在《开放式战略—互联网+商业模式颠覆式创新》一书中有过论述:无论任何时代和任何背景,企业的发展都不该偏离本属的核心—创造价值。特别是互联网时代,企业的边界已经完全开放,企业就必须更精准的回答:为什么比竞争者提供的价值更优和更持续。


商业模式创新的核心要素


互联网是迄今为止人们信息处理成本最低的基础设施,互联网天然具有全球化、开放化、透明化、平等化特点。互联网使得信息和数据在工业生产时代被压抑的巨大潜力爆发出来,转化成巨大的生产力,成为社会财富增长的新的引擎。


六、产业互联网实现的关键是供应链管理与供应链金融

据有关部门统计,我国目前B2B业务容量已达到近8万亿人民币,越来越多的企业开始重视线上交易平台的建立,由线下“产业群”向线上“产业带”转变。随着产业互联网的推进,生产、物流、交易、库存、信息、资金等业务流程的管理将是产业互联网实现的关键,而这些业务流程管理的核心便是供应链管理。

产业互联网要求实现的是线下所不能完成的交付与信息集成,加强物流、资金流、信息流的高效流转,使得产业互联网所主导的供应链能够以更低的成本、更低的库存来生产更高质量的产品。这个集成和统一的过程,便是企业降低成本、创造价值的过程。产业互联网和相对消费互联网最大区别在于,产业互联网能够促进企业高效运转,实现全新的经营形态。


互联网从内到外优化着企业经营的整个价值链

高效供应链管理可以使整个生产和流通结构得到改善和协调,为企业获得竞争优势提供有力支持,有效地降低企业的运营成本,而产业互联网的所要实现的目的就是如此。未来,“前端C2B客户服务+后端B2B柔性制造”的智慧供应链将成为竞争的核心。


除此之外,在供应链管理基础之上的供应链金融是产业互联网实现的另一个关键点。由于我国金融行业长期受体制因素的限制,众多中小微型企业无法获得高效的金融服务支持,制约了发展。而在物流、资金流、信息流高效运转的产业互联网领域,这一难题将得到本质的改变。在产业互联网领域,物流、资金流、信息流是开放和透明的,金融机构或者交易平台将把单个企业的不可控风险转变为供应链企业整体的可控风险,通过立体获取各类信息,实现到风险控制最低的金融服务。

综上,金准人工智能产业判断,互联网已成为未来经济发展的新引擎。产业与互联网的有效融合,将驱动传统产业的智能化转型,不断把技术渗透和扩散到生产、服务的各个环节,创造着全新管理与服务模式,打造出更高价值的产业形态,促进中国制造的2025目标的早日实现。


金准产业研究 2019年产业互联网的十大趋势

前言

刚过去的2018年,是步履维艰的一年,也是承上启下的一年。

这一年,人口红利消失殆尽,互联网企业集体进入寒冬,巨头纷纷调转航向,入局产业互联网。

这一年,更多的行业开始瘦身变革,由之前的劳动密集型改为技术驱动型,创新越来越成为一个企业做大做强的标志。

这一年,物美价廉不再是人们shopping的唯一标准,品质和体验开始成为C端市场不倒的新标志。

这一年,2C发展愈渐平缓,2B产业顺势兴起。

……

市场风云不断,企业重新确定业务方向,移动互联网正式进入下半场。为此,金准产业研究团队预测总结了2019年产业互联网的十大趋势,共同探索下一个时代的脉搏。 

趋势一:“云上战争”将贯穿整个产业互联网

磨刀不误砍柴工,这个理没错。

2018年下半年互联网圈最大的动作无非是腾讯调整组织架构,成立“云与智慧事业产业群”(CSIG),至此腾讯云正式被上升到战略层面

这并不是偶然,除腾讯外,在过去的一年里,场上硝烟已起,各个云计算玩家你来我往,互不相让。

已经占据优势的不断深挖护城河,高筑墙,广积粮,不断加大投入;优势较弱的备足粮草,伺机而动,时刻准备着虎口夺食。

云计算在产业互联网中扮演重要角色

产业互联网的大趋势下,云计算显然已经成为最先被引爆的一个行业。

作为B端市场的核心,云平台可以佐助企业完成升级改造,竞争属必然。相信在接下来的3年至5年内,“云”竞争都将成为主旋律。

趋势二:持续了N年的人工智能“泡沫期”正在结束

人工智能技术正在逐渐成为产业互联网下一块强有力的敲门砖。

随着AI技术的逐渐落地,一大批以原创人工智能技术为核心竞争力、聚焦不同方向的中小公司迅速崛起,成为巨头和资本市场的座上宾。

尽管经过了几年的“泡沫期”,但被外界传的神乎其神的人工智能技术终于开始步入正轨。AI视觉、AI听觉、AI大数据……从生产线优化到深度算法学习,从提高效率、降低成本到推动企业变革,在即将结束的2018一整年里,人工智能屡屡被推上产业互联网应用技术的风口浪尖。

尽管经济下行压力还将持续,但对于小企业来说,在新的一年精准定位,脚踏实地做出成绩,给投资人、给团队一个交代将比什么都重要。

人工智能吹团队画大饼的时代已经一去不复返了。

趋势三:“小镇青年”推动三四线2B市场内外变革

随着小镇青年的崛起,三四五线城市的企业格局正在发生巨大的变化。

数据显示,三线城市及以下的城市消费者占据全国人口的70%,这些消费者为中国贡献了59%的GDP,而这之中,消费主力便是23—35的年轻主力。

这些小镇青年具有超前的品质与服务意识,C端自发的消费行为促使B端市场进行变革,从漫而散的模式到个性化推荐、定制,低线城市的B端市场出现越来越多的数据驱动企业,这些企业主动完成自我革命,以适应新的消费群体。

三四五线城市成为一二线企业的发展方向

与此同时,越来越多的一二线企业将低线市场作为下一个发展的重要方向,采用从低纬到高纬,农村包围城市的模式,利用三四五线城市率先完成自己的产业下半场布局,从外部对市场进行重塑和改革。

一个是由内而外,一个是从外向内,两者今年的博弈结果将会决定三四五线城市的B端市场格局。

趋势四:2C市场的竞争定性——“存量竞争”

市场终于进入存量的竞争。

经过互联网上半场的用户教育,粗放类的经济模式逐渐消失。

最早期出现的一批企业利用从高纬到低纬的惯用模式,分批教育用户,凭借着用户从0到1的认知发家壮大,现在我们看到的老牌企业都是如此。

后来出现了以拼多多为首的专注下沉市场、赚取下沉市场人口红利的部分明星企业,但可以肯定的是接下来类似拼多多这样的企业将越来越难出现。

C端市场的存量竞争进入白热化

当人口红利被磨平,C端市场的竞争之能是存量的竞争,不论是社交、娱乐还是资讯,各家都不会放手到嘴边的肥肉,C端市场的争夺已经进入白热化程度。

以往的粗放模式被画上句号,真正检验企业硬核的时代来了。

用一句总结:是骡子是马,牵出来遛遛。

趋势五:政务、城市成为产业下半场的「先头兵」

智慧政务、智慧城市,在产业化的互联网下半场,政务和城市率先完成了对传统模式的颠覆与改变。

政务:解决了传统的跑腿问题,数据线上化、需求线上化、办公线上化。

城市:万物互联,数据打通城市脉络,建立城市闭环生态。

智慧城市成为产业互联网落地先驱

关于智慧城市,这有一组数据:截至2017年底,我国超过500个城市已明确提出或正在建设智慧城市,预计到2021年市场规模将达到18.7万亿元。

一个是群众最大的硬需求,一个是居住的环境,这两个不属于具体行业的特定方向率先利用各种前沿技术完成变革,成为互联网进入下半场的新标志。

趋势六:技术和SaaS服务成资本市场座上宾

纵观18年的整个投资布局,有两个明显特征,一是投资数量大幅减少,另一个则是投资方向逐步聚焦。

之前的电商、娱乐方向的投资除了原有的股东跟投外,并无过多的新资本方进入。

企业级服务以及大数据、AI、云计算等具备技术优势的公司正在逐步走进深水区,落地场景越来越多,与之对应的则是频频利好,投资事件频发。

工欲善其事,必先利其器,诚然如此。

趋势七:巨头不断打造 2B  IP 口号

互联网“上半场”接近尾声,“下半场”序幕被拉开,对传统企业来说,拥抱产业互联网,是提升生产效率,实现企业转型,重回市场高地的最佳契机。

其中尤以巨头们的动作最为明显,以科技赋能的名义,助力企业进行业务模式、运营模式和商业模式的数字化、智能化变革。

腾讯强调“扎根消费互联网、拥抱产业互联网”,利用云、支付、AI、安全、LBS等基础设施赋能产业合作伙伴,搭建新一代的智能产业生态。

云计算赋能产业合作伙伴

其余几家也纷纷提出口号,打造2B新模式,全面拥抱互联网下半场。

大象转身虽不易,但在时代和趋势面前,终究还是敏锐度要高很多,这其中甚至大有“兵马未动,粮草先行”的既视感。

不过说到底,主动求变与被动革新,终究还是存在一定的差别,这个道理大家都懂。

但有些事,不仅仅是说说那么简单。

趋势八:越来越多的细分行业独角兽被戴上“明星光环”

2018年是中国创投史上独角兽上市最多的一年,也是独角兽格局变化最大的一年。

从独领风骚,到合并成为“巨兽”,再到集体“逃亡港股”,独角兽的格局发生了巨大变化。

当变化来临时,往往置身其中的人最先有所感知,产业化毫不例外。

值得一提的是,这些独角兽背后都隐藏着巨头们的身影。

在互联网下半场,专注于特定行业的极致服务越来越受到市场的关注和欢迎,人们越来越能意识到“术业有专攻”的重要性,但这其中不能说没有vc和巨头们的功劳。

春江水暖鸭先知,放到哪个时代都是真理。

趋势九:巨头生态布局版图:从C端到延伸到B

2018年的巨头布局来看,其生态闭环已经由原来的单纯专注C端市场,开始转向B端市场为导向的市场闭环布局。

在之前的投资与布局逻辑中,用户需求是最强的闭环依据。而在过去的一年里巨头更专注赛道的布局,通过重点扶持或者投资重点赛道的几家企业,尤其是行业头部企业,进而辐射整个行业,完成对整个行业的布局。

在产业化的时代里,这些B端的企业将越来越重要。

趋势十:loT重新成为热门

物联网技术重新成为新热点,传统loT厂商2018年的销售额再次回春,而这也是产业互联网,即B端的最大抓手。

产业互联网下物联网技术再次成为热点

loT既是技术的载体,也是企业服务中不可或缺的必要要素,而这些技术同样将助力企业完成更大程度的升级迭代。

在接下来的2019年,随着5G、云计算、AI等技术的快速发展,物联网技术将会发挥出更大的作用。

任何抽象的事物,终究还是要建立在具象事物之上,lOT或许将成为产业化最大的抓手也未可知。

结语

互联网、大数据、人工智能正加速与实体经济深度融合。作为融合的产物和载体,产业互联网将带来哪些变革,又将为实体经济发展提供怎样的机遇?

金准产业研究团队认为,互联网将全面渗透到产业价值链,并对其生产、交易、融资、流通等环节进行改造升级,可以形成极其丰富的全新场景,极大提高资源配置效率。在加快发展产业互联网、促进实体经济高质量发展过程中,互联网企业应做好连接器、工具箱、生态共建者。

金准产业研究团队建议,夯实产业互联网的发展基础,要推进信息基础设施建设、促进云计算创新发展,以及在关键核心技术上进行突破。

金准产业研究团队表示,中国互联网特色的数字化路径在于以前端消费互联网带动后端产业互联网的发展,互联网下半场的重心将向产业互联网转移。

金准产业研究团队认为,中国在前端消费侧的数字化全球领先,消费行为高度数字化。反观后端,产业互联网总体上仍处于发展阶段。在此背景下,消费互联网的前端应用及商业模式的创新正沿着价值链,牵引着后端生产环节实现数字化协同。同时,消费互联网前端积累的海量数据将更好地赋能传统产业,推动产业互联网的发展。

如何制胜中国互联网下半场?金准产业研究团队对新兴互联网企业分析总结后得出两条发展路径:一是深耕产业,推进消费互联网与产业互联网融合,打破线上线下边界,沿着产业链深度融合线上能力和线下生产力;二是建立平台赋能产业,利用互联网企业本身的数字技术和资源建立产业赋能平台。百度公司副总裁、总编辑赵承表示,在消费互联网与产业融合的背景下,平台模式在互联网数字化的发展中尤为流行,通过开放的技术平台赋能小型企业,将成为中国产业经济一个重要的数字化转型模式。百度目前已经开放了语音识别、自然语言理解、图像技术、用户画像等超过150项人工智能核心技术能力,已有超过80万开发者使用,日调用数量超过4000亿次。

金准产业研究团队认为,当互联网企业将重心从熟悉的前端消费和应用向后端产业以及价值链上游转移,他们都将面临全新的挑战,包括如何实现组织转型、如何选取或颠覆行业生态、如何发挥平台化运营的优势,等等。同时,互联网公司进入传统产业将使传统企业和在华跨国企业走出舒适区,迎接从战略到运营等各方面的挑战。

未来永无人知晓,但一定可以想象。

从用户到市场,从技术到场景,从小B企业到独角兽,一切的一切似乎都在向我们显示着,一张产业互联网的大幕正在徐徐拉开。

一个精彩纷呈的时代。


金准产业研究 5G终端天线专题报告(下)

2.5毫米波天线封装带来机会

根据前面提到的,5G的低频波段对天线的形式不会产生本质影响。因为当频率高至毫米波时,信号在空气中的衰减会变得非常严重,而在半导体材料中也是遵循这个定律。例如在40GHz频率时,基底厚度为2mil的LCP材料中衰减高于1dB/cm,远高于在低频下的衰减。因此对于毫米波天线来说,需要到射频前端电路尽可能近距离以减小衰减和实现实时的波束跟踪和控制。因此小型化的毫米波天线将会很可能采用AiP(Antenna in Package)封装天线技术跟其他零件共同整合在同一个封装中。

封装天线是指将天线与单片射频收发机集成在一起从而成为一个标准的表面贴器件。传统方法的技术方法是将芯片级天线与RF收发机一起安装在PCB电路板上,但是天线占据的空间阻碍了系统的小型化。为了克服芯片级天线和配合毫米波通信,AiP封装技术得以实现。AiP的制造是在SiP(system in package)的基础上,用IC载板来进行多芯片SiP系统级封装,同时还需要用到Fan-Out扇出型封装技术来整合多芯片,使封装结构更紧凑。需要将天线、射频前端和收发器整合成单一系统级封装。

封装天线的结构自上而下依次为:天线、中间介质层(内部有空腔)、系统PCB。一般IC芯片封装天线将天线集成在芯片上表面,中间层即天线的下方有一个内部空腔,用来放臵其他RF模块。为了减少天线与腔体内RF模块的耦合,在两层之间加入了一个额外的金属层,可以把它看作天线的地平面,它通过四周均匀分布的金属过孔与整个RF系统地平面连接。

AiP将天线集成到芯片中,其优点在于可以简化系统设计,有利于小型化、低成本。以60GHz为例,片上天线单元仅为1-2mm(考虑到封装具有一定的介电常数),因此芯片封装不但可以放得下一个单元,而是可以放得下小型的收发阵列。

2016年Google推出的Project Soli就是这样的一个片上系统(如下图,四个方片状的金属片就是AiP)。

这款芯片由Google和英飞凌共同开发,是端到端60GHz毫米波雷达传感系统,专门用于跟踪和识别精细手势。

该系统的雷达传感器采用英飞凌的eWLB封装500µm引脚,下图是其研发团队发表在电路期刊IEEEJOURNALOF SOLID-STATE CIRCUITS中披露的封装底部和顶部照片,收发机位于芯片中间位臵,其中接收机通道连接4个Rx贴片天线,采用2x2配臵的方式。发射机通道连接两个差分贴片天线,分别位于两侧。天线全部位于eWLB的重新分配层。

eWLB是一种扇出型(fan-out)晶圆级封装(WLP)技术,由德国的Infineon在2007年首次提出。

Fan-out封装

除了用载板进行多芯片系统级封装外,扇出型封装(Fan-out)因可整合多芯片、且性能比以载板基础的SiP(system-inpackaging)要好,也备受市场期待。

传统的芯片封装通常首先把晶圆切割成单个的裸芯片后再进行封装,封装后的尺寸大于裸芯片尺寸。与之不同的是晶圆级封装Wafer Level Packaging(WLP),标准WLP流程在晶圆切割前先进行封装,然后再切割成单独的芯片。

WLP封装主要由两种形式,芯片级(chip-scale-packages,CSP)封装和扇出型(Fan-out)封装。其中CSP也叫做扇入(Fan-in)型。扇入扇出型封装的区别在于如何同重构层(RDLs)连接。RDLs实际上铜材质的接线,用来实现封装级不同部分之间的连接。RDLs的参数是线宽和线距,用来指代的宽度和接线间的距离,低密度的扇出封装线宽/线距大于8µm。这种WLP封装的尺寸和裸芯片的尺寸大小一样。但是小尺寸也有以一定的缺陷,就是芯片的引脚很难再做的非常多,如果半导体器件非常复杂需要大量的引脚时,这会成为一个明显短板。扇入型中所有RDL引脚线是向内排布的,因此扇入型的晶圆级封装的上限是200个I/O和0.6mm型材。

扇出Fan-out型晶圆级封装(FOWLP)技术则可成功避免这个缺点,它在不增加封装尺寸的前提下具有更多数量的引脚数。与标准WLP工艺流程相比,FOWLP中首先切割晶圆,然后将裸芯片非常精确地重新定位在载体晶圆或面板上。其RDL布线既可以向内也可以向外,因此可以做更多的引脚数量。

扇出Fan-out型晶圆级封装(FOWLP)技术又可以分为低密度和高密度型两种,例如Amkor,ASE,STATS Chip PAC是传统的低密度Fan-out封装公司。根于封装巨头日月光公司给出的定义,低密度扇出型封装通常指的是I/O数量小于500个且线宽线距大于8µm。而I/O数量大于500个且线宽线距小于8µm的高密度扇出封装针对中高端的应用,例如苹果的iPhoneX就使用了TSMC的高密度扇出型封装。低端市场中低密度扇出型封装也具有很高的市场价值,例如电源管理IC、雷达模组和RF模组都会使用这种封装形式。下面给了主流的FO-WLP封装厂商:

从长远来看扇出Fan-out型技术的成本会降低,可靠性提高,用户增加,所以在芯片市场中Fan-out技术长远看有投资机会。最原始的扇出技术eWLB(嵌入式晶圆级球栅阵列)在长时间缺货后供应量有所增加。台湾的日月光和进联工业正在筹备新的低密度扇出封装线。中国的专业封测代工厂也在向扇出型封装瞄准机会,一些封装厂商也在筹备面板级扇出封装用来降低成本。金准产业研究团队估计,扇出型封装的市场价值将会从2014年的2.44亿美元增长到2021年的25亿美元,而其中低密度扇出封装市场价值会从2017年的3.5亿美元增长到2022年的9.5亿美元。

相比倒装芯片球栅格阵列(FC-BGA)封装,扇出封装的优势非常明显。对于无源器件如电感、电容等,InFO技术在塑封成型时衬底损耗更低,外形尺寸更小,因此散热更好。在扇出型制造高性能的无源器件如电感和电容,与直接封装在衬底的片式(on-chip)电感器相比,厚铜线路的寄生电阻更小,衬底与塑封料间的电容更小,衬底损耗更少。因此对于射频电路来说,扇出封装具有很大优势,尤其是对于高频毫米波来说,无源器件电感电容性能受制于衬底性能,所以5G高频时代AiP和扇出封装一定会是热门议题。产业链上,台积电是主流的晶圆代工和封测厂商,大陆的封装厂商也有在积极布局,中国台湾的日月光、力成也是重要的封测厂商。

2.6 5G天线带来的其他问题

5G手机里的无线天线设计相比于以往难度更大,原因是天线设计不仅需要满足无线技术本身的要求,还要与摄像头、声音喇叭、电池、显示屏、指纹识别芯片、振子、陀螺仪以及无线充电系统兼容。

电池性能

电池性能一直是手机设计的一个重大瓶颈。WIFI和蜂窝网络的传输速度以每五年近乎十倍的速度在增长。然而手机中的电池在过去20年经历了三个主要的技术转变,nickel-cadmium(NiCd)电池、nickel-metal hydride(NiMH)电池以及目前主流的lithium-ion(Li-ion)电池。从1995年到2014年,无线容量增长了大约10万倍,但是电池电量的进步速度只有四到五倍。显然,这种技术断档是制约目前便携式设备进步和提高用户体验的一个关键瓶颈。因此手机UE设计需要考虑的一个重要方面是能量效率。

5G中设备中,MIMO技术和波束赋形都会带来能量消耗的进一步提高。除了天线的实时控制,还有多通路射频前端同时工作带来的能耗问题。5G模式下的手机具有更高的数据传输速度,将会支持更多应用场景,例如3D/高清视频、云办公、云游戏以及AR/VR等,再加上配合社交网络的升级。这些应用都需要随时接入网络。应用带宽的提高,以及手机应用后台的实时运行,都会增加对设备电量的要求。电池的滞后发展问题一直存在,手机对电量的需求和电池可提供电量之间一直存在供需缺口。这个问题会在后4G和5G时代变得更加突出。

从硬件角度看,无线系统性能依赖于SoC、PCB、机械设计和天线设计。SoC应该具备高能量效率、面积小、低成本和高良率的特点。目前的SoC设计受到限制的原因是进入纳米级制程后摩尔定律速度放缓。因此,能量效率的提高变得并不显著会继续为制约5G手机的设计。目前看来,新材料制程,如基于传统硅的三五族化合物,基于SOI的CMOS工艺,FinFET、SiGe以及InP可能会在5GSoC设计中贡献力量。

PCB设计

5G手机的多层板设计也需要更加紧凑,并且需要集成进入更多的SoC芯片组来增加各种应用、配合新标准和技术。如下图所示,手机主板中具有蜂窝网络/wifi射频收发机,天线开关模组、功率放大器、基带调制芯片、NFC、蓝牙、GNSS、应用处理器AP、PA控制单元、SRAM、电源管理单元等。这些高度定制化的芯片来自不同的供应商,用不同的工艺制造完成。与IC设计类似的是,PCB设计的趋势也是不断向更小的尺寸发展,同时要求高速和高可靠性,更多的芯片需要被设计在一个单独的主逻辑板上,这样的好处是减小插入损耗和容易做匹配。此前提到的FPCLCP是一个不错的选择。

手机后盖

天线在装配在手机壳当中后,还要求天线具有高效率和低SAR比吸收率。因此,手机中的天线设计是应该考虑到金属外壳、手机壳等的复合设计。手机外壳会对天线性能产生重大影响。窄边框和金属壳是目前手机的主流趋势,因为具有保护性能好、美观、可携带以及散热方面的优势。毫米波天线由于本身尺寸很小在空间排不上难度不大,但是手机金属壳会严重影响天线性能。

金属微波屏蔽罩

在信号传输时要考虑信号的完整性,例如时钟信号及其谐波信号可能会经过复杂的路径和调制最终在接收机一侧形成毛刺。因此,微波屏蔽层microwave shield cover通常用在主逻辑电路板MLB中来提高电磁兼容都和电磁界面特性。天线通过屏幕透过的辐射量应该最小,而应该在打电话时向头部的反方向传播最多的能量,然而这个屏蔽罩会增加手机的厚度。相机、喇叭、指纹识别、电池和MLB都应该配合电磁场的分布和影响来设计。

在整个5G手机系统设计的方面一个更严峻的问题是部件之间的连接和隔离。例如显示屏面板可以导致RF敏感度下降,因此金属微波屏蔽罩需要放在显示单元和硬件之间,可以减少显示器辐射。手机内部的显示器、高压包和电路板等元器件在工作时发出高强度的电磁辐射,屏蔽罩可以起到屏蔽的作用,将部分的电磁波拦在罩内,从而保护使用者受电磁辐射的危害,同时避免对周围其它电器的干扰、在一定程度上还确保了元器件免受灰尘,延长显示器使用寿命。

它的材料也是有区别的,例如锌锡镍合金的手机屏蔽罩。锌锡镍合金材料为日本研发的绿色环保材料,主要取代洋白铜做手机屏蔽罩,也常用于生产天线,调谐器盒,电视内部零件,音响内装散热板等。

三、与本文研究相关的A股产业链公司梳理

立讯精密:公司拥有射频模块、互联、光电三大产品线,主打产品将伴随5G浪潮量价齐升。苹果核心供应商,国内稀缺精密制造平台公司。公司产品线从单一的连接器拓展到声学、马达、

无线充电、Airpods等业务,以优良的管理能力横向品类扩张。1)声学部分:美律生产进入快车道。2)AirPods:作为AirPods重要供应商,受益渗透率提升。3)线性马达:良率提升快,响应客户能力极强。4)无线充电:已实现对无线充电的全系统测试,竞争优势显著。5)LCP天线:

未来将会把其他模组功能整合。公司已成为具备研发、管理综合能力的精密制造平台。

信维通信:公司以射频产品为核心,产品获得主流客户应用。公司天线产品线切入平板以及笔记本等产品线,获得大客户使用。同时无线充电接收端模组已实现全球一流移动终端厂商覆盖。

5G时代即将到来,2018年下半年高通发布了5G调制解调器以及相关5G终端解决方案。5G射频难道更高更负杂,并且价值量更大,公司加强天线等产品线研发投入,并且与芯片厂商合作推

5G毫米波解决方案,同时与国内基站厂商合作研发,做好相关5G产品储备。

FPC部分:A股上市公司鹏鼎控股,是FPC龙头企业,A客户是公司第一大客户,受益于智能机对FPC需求提升;其他FPC上市公司还有景旺电子、弘信电子等。FPC作为天线重要一部分,有望受益。

电池部分:国内手机电池模组龙头公司主要有欣旺达、德赛电池等,是A客户的重要供应商之一。如正文所言,电池性能一直是手机设计的一个重大瓶颈。5G时代的到来,瓶颈也即挑战与机遇。

结语

金准产业研究团队分析有以下风险:

智能终端需求不及预期的风险,随着宏观形势变化以及手机智能终端创新增速减缓,加上智能手机饱和度较高,2019年智能手机增速可能不及预期。

5G建设不及进展预期风险,5G尚未处于建设期,未开始商业化使用,未来存在建设进展不及预期肯能性。

技术路线改变风险,5G终端尚未开始商业化使用,研发出在初级阶段,存在技术更迭肯能性。


金准产业研究 5G终端天线专题报告(上)

前言

5G标准正在积极推进,新的通信模式下手机数据传输速率和通信带宽都将会大大提高。sub-6GHz和毫米波频率的加入,以及MIMO、载波聚合、波束赋形等技术的应用,会造成手机天线发生结构性的变化。而毫米波天线为了配合波束控制和高频衰减,集成度进一步提高,在此前提下我们关注的封装技术有AiP等技术。5G频率带来的天线变化还将会给手机整体设计造成影响。

5G通信技术的发展源自于人们对移动网络速度要求的提高。5G技术将拥有更高的传输速度和更宽的带宽,以支持三类应用场景,即大规模IoT、关键任务服务以及增强移动宽带服务。5G的标准目前正在积极推进,3GPP已经指定了5GNR支持的频段列表,分为低频sub-6GHz和高频毫米波两大频率范围。总体来看,5G的主要通信技术有MassiveMIMO、载波聚合和波束赋形等,配合这些技术,终端天线也将发生一系列的变化。

手机天线是接收和发射信号的设备,频率越高天线尺寸越小,且对应于不同应用将会使用不同的天线。5G手机中新频段的加入会引入新的天线。sub-6GHz天线相比于4GLTE手机中的天线尺寸不会发生较大变化,但是MIMO的应用会增加天线数量,以苹果为代表的手机供应商开始使用LCP天线替代原有的PI天线。目前手机中的天线主要采用软板FPC制成,但是FPC基材对高频性能影响敏感,LCP、MPI材料由于其低介电系数和高频性能将会在5G手机中加量。

毫米波天线在高频下传播损耗的问题严重,将会缩减天线和控制电路、射频电路之间的距离,因此会采用模组化的方式和射频电路封装在一起,例如已经发布的高通的QTM0525G天线模组。模组化的天线给手机设计带来一系列的影响,手机的内部空间必须重新分配,同时电池、后壳、屏蔽罩等也会配合毫米波天线衰减问题带来变化。另外一个值得关注的问题是天线的封装,AiP封装等适合于高频毫米波的技术。

5G推广不及预期风险;消费电子可能受到供需不足、价格下滑等宏观因素影响;5G天线技术路径改变等风险。

与本文研究相关产业链相关公司包括天线类的立讯精密、信维通信;电池模组类的欣旺达、德赛电池;FPC软板类的鹏鼎控股、景旺电子、弘信电子等。

一、从技术发展、应用、技术以及芯片角度初看5G

随着智能手机和其他便携设备的普及度提高,人们对数据流量的要求也越来越高。根据Ericsson’s Mobility Report给出的数据,2016年移动数据流量从每月3.5EB(艾字节,1EB=1012MB),2017年增长到每月5.5EB,增长率达到了57%,从2011年到2017年智能手机每用户流量的年复合增长率达到了35%。人们对数据流量的需求的日益提高,因此对网络容量的增加提出了要求,这也是5G网络建设的目标之一。社交媒体视频应用、实时视频通信以及安防视频的普及等等,都在驱动移动网络速度提高。金准产业研究团队根据Qorvo给出的数据,5G网络相比于当前网络的速度将会至少提高10-20倍。Cisco的“视觉网络指数”预测移动网络流量中,视频流量将占比75%之多。这说明未来人们对移动网络速度的要求将会越来越高。而5G网络应用后,高速的网络也会使得安全的自动驾驶、远程医疗服务和虚拟现实等成为可能。更进一步的,5G网络还会提供随时随地的联网服务,在复杂场景中,例如楼宇、工业和制造环境、拥挤场景、远程控制(陆地和海洋)、海陆空的高速行驶环境中,都能进行随时随地的高速通信。

1.1 5G简介及应用

5G是第五代移动电话行动通信标准,也称为第五代移动通信技术。与上一代4G技术相比,5G具有更高的数据传输速度、更宽的带宽、更强的可靠性和更低的时间延迟等特性。5G技术的进步还将会带来一系列应用的进步和更新,满足高速移动和充分网络接入的需求,提高连接对象和设备数量的从而为各种新服务提供更多可能。例如能源、健康、智慧城市、汽车和工业生产等将会大大提高自动化模式的比例。金准产业研究团队认为,5G服务将首先扩大以人为中心(human centric)的应用,例如虚拟和增强现实以及高清视频数据流等;另外以通信为基础的机器-机器、机器-人类型的应用,也将会更加安全化和便捷化。

5G不仅是4G基础上的一个提升,而是移动通信技术的一场革命,在各方面的表现上相比今天的网络,都会有数量级方面的提升。5G并不会替代4G,而是提供任务多样性上的升级,从这个角度看,5G可能提供的服务带来的变化将会在社会的方方面面。简而言之,5G技术如下:

5G应用场景

金准产业研究团队分析,5G的应用场景主要分为三大类:大规模IoT物联网,关键任务服务和增强移动宽带服务。大规模IoT指的主要是设备和设备(machinetomachine,M2M)之间的通信,同时尽可能避免人的干预。金准产业研究团队根据Ericsson预计,到了2021年IoT连接的设备数量将会达到280亿,其中150亿的设备是M2M方式通信和消费电子设备。大规模IoT应用的设备主要包括低成本低功耗的传感器设备,提供端对端的覆盖和向云端数据传输,采用短程无线电技术,例如蓝牙、WiFi。NGMN组织已经给出了具体的标准即mMTC。5G网络中大量支持mMTC的IoT连接设备必须具有低成本、高效率的特点,因为大量的设备会带来巨大的能量消耗。因此在低传输速率的应用需求时,IoT使用窄带通信,甚至会在低于1GHz的波段。低成本、低功耗的RF元件也会在IoT中大量应用,因此需要使用硅或者GaAs等工艺,配合小尺寸封装。在大规模IoT应用中,RF前端也需要兼容多个频段和标准。

关键任务服务的应用也有其自身特殊的需求,例如高速高吞吐量、对可靠性的超高要求以及数据传输极高的安全性。NGMN组织针对性的定义了uRLLC标准。除了很热门的自动驾驶,关键任务服务还还包括了公共交通系统、无人机、工业自动化、远程医疗(例如,监控,治疗和护理)、以及智能电网监控。为了保证这些服务的高可靠性,5G需要使用新型空中接口技术来满足多样化的数据传输类型。相比于目前的4G,RF连接上则需要做的更加多样化。5G中会使用小型基站连接产生更多的固定无线连接网络,其通信波段从600MHz到80GHz都将会被使用,相应的会带动GaAs,硅,GaN工艺的使用。支持关键任务服务所对应的5G通信技术有MIMO、载波聚合CA、毫米波和5G网络基础设施,如宽带接入,全球定位系统(GPS),点对点无线电和卫星通讯。

增强移动宽带eMBB服务即在随时随地的更快、更好的覆盖所有互联网应用程序和服务。支持5GeMBB的关键技术有LTEA和LTEA-pro、扩展频段/宽带固定无线接入(FWA)、毫米波(mmWave)、波束控制基础设施、小型基站等。然而目前拥挤的带宽下,运营商需要使用更有效地方式利用频谱。使用高频波段是一个很好的选择,高频传输可以拥有较高的带宽,但还短波会带来绕射能力差的缺点。在5G中将会采用的毫米波可以提供很高的数据容量,带宽可达400MHz,毫米级的波长带来的优势是可以使用更小尺寸的天线。毫米波支持几百米内的短距离传输,即使是相同城市内,信道也可以重复使用,大大提高了频谱的利用率。

1.2 5G频谱分配以及进展

4GLTE频谱包含了52个3GPP频段(band),其中35个使用FDD/SDL制式,17个使用TDD制式。这个频段支持6种信道带宽,1.4MHz,3MHz,5MHz,10MHz,15MHz以及20MHz。因此载波聚合(Carrier Aggregation,CA)技术被开发使用来拓展信道带宽,提高数据传输速率,例如R14标准规定载波聚合最多可以合并32个分量载波。而运营商的标准已经提高到了5CC载波聚合,也就是说,聚合5个20MHz信道后可以达到100MHz的带宽。通过CA技术配合4x4MIMO技术(下行)和256QAM,4GLTE的预期峰值下行数据速率可以达到1Gbps。但是对于各个运营商来说,4GLTE的频谱是分散分配的,因此运营商也开始在授权和非授权频段上使用载波聚合技术来增加数据容量,也就是LAA技术。例如Band46就是通过聚合授权频段和WiFi频段来实现LAA。

3GPP已指定5GNR支持的频段列表,5GNR频谱范围可达100GHz,指定的两大频率范围Frequencyrange1(FR1)和Frequencyrange2(FR2)。FR1就是我们通常讲的6GHz以下频段,频率范围是450MHz到6GHz,也就是通常所说的sub-6GHz;FR2频率范围是24.25GHz-52.6GHz,因为波长已经缩小至毫米级,也称为毫米波频段。

5GNR支持16CC载波聚合。由于5GNR定义了灵活的分量载波间隔,不同的分量载波间隔对应不同的频率范围和信道带宽,具体如下:

5GNR区别于4GLTE的一个重要方面就是6GHz以下的最大的信道带宽是100MHz,而6GHz以上的最大信道带宽可以达到400MHz。在6GHz以下可以通过载波聚合技术,聚合4个100MHz的信道实现400MHz的瞬时带宽,峰值速率将会远远超过4G。

然而,6GHz以下拥有100MHz信道带宽的波段目前只有B41(2.5GHz),以及5G将会使用的C波段(3.3GHz到4.2GHz,4.4GHz到4.99GHz)。在6GHz以上的厘米波和毫米波波段,也就是28GHz,39GHz和未来的80GHz,100MHz和400MHz信道带宽都比较容易实现。

全球5G频谱分配情况

国际上主要使用28GHz进行试验,2016年7月14日,FCC投票决定通过分配24GHz以上5G频谱,北美地区成为世界上第一个为5G网络分配可用频谱的地区。

欧盟委员会无线频谱政策组(RSPG)于2016年6月制定5G频谱战略草案,并在欧盟范围内公开征求意见。2016年11月9日,RSPG发布欧盟5G频谱战略。

国内频谱分配

国内主流的4G频段在1.8GHz-2.7GHz之间。而5G的工作频段分为高频频段和低频频段两部分。2018年我国工信部发布意见稿表明,3.3G-3.40GHz频段基本被确认为5G频段,原则上限于室内使用;4.8G-5.0GMHz频段,具体的频率分配使用根据运营商的需求而定。新增4.4G-4.5GMHz频段,但不能对其他相关无线电业务造成有害干扰。

2018年12月10日上午,工信部正式发文表示,向中国电信、中国移动、中国联通发放了5G系统中低频段试验频率使用许可。其中,中国电信和中国联通获得3500MHz频段试验频率使用许可,中国移动获得2600MHz和4900MHz频段试验频率使用许可。中国联通和中国电信获得了较为国际主流的频段,中国移动的情况则复杂很多。细分来讲,中国移动获得2515MHz-2675MHz、4800MHz-4900MHz频段的5G试验频率资源,其中2515-2575MHz、2635-2675MHz和4800-4900MHz频段为新增频段,2575-2635MHz频段为重耕中国移动现有的TD-LTE(4G)频段。目前我国在24.75-27.5GHz、37-42.5GHz高频频段正在征集意见。

通信工作频率的提高,带来的先是信道带宽的提升,这意味着网络速度的提高。不过带来的坏处是波长的变短,众所周知,波长越短,电磁波的绕射能力越差,传播过程中的衰减越大。因此单个基站信号覆盖的范围就越小,为了确保信号覆盖,基站的数量需要增加。5G的sub-6GHz工作频率与4G工作频率依然接近,因此从基站设施的角度看,成本提升较小;在高频下需要增加更多的基站,成本提升也比较高。不过从终端的角度看,由于频率的变化,对终端天线、无线通信芯片、终端架构设计等等都会带来很大影响,可谓牵一发而动全身。在关注终端变化之前,我们首先看一下5G通信技术的变化,然后分析随之而来对终端硬件的影响。

5G标准进展和现状

3GPP在2018年6已经发布第一个独立组网5G标准,根据3GPP官网发布的消息,R15和R16标准可以满足ITUIMT-2020全部需求;其中R15是5G基础版本,重点支持增强移动带宽业务和基础的低时延高可靠服务;R16为5G增强版本,支持更多的物联网业务。

考虑到5G将会较长时间和LTE共存,并且各个运营商拥有的频谱、部署节奏和5G网络服务定位有差异,3GPP标准分阶段支持多种5G组网架构。5GR15标准分为三个步骤向外界提供,具体如下:

3G向4G演进时,无线接入网和核心网是整体部署的模式。但是在4G向5G演进时,无线接入网和核心网将会分别单独部署。5G的部署安排将是混合进行的,5G无线接入网(NewRadio,NR)、5G核心网、4G核心网和4G无线接入网(LTE)会混合搭配,组成多种网络部署选项,也就是不同的Option。

5G组网方案分为独立组网和非独立组网,独立组网方案有Option-2和Option-5,非独立组网方案有Option-3、Option-4和Option-7,详细情况如下:

5G第二个标准版本R16计划于2019年12月完成,2020年3月冻结。届时5G标准将会全面满足eMBB、

URLLC、低功耗场景mMTC等各种场景的需求。可以说2020年3月形成的5G标准才是完整的5G标

准。

1.3 5G的几个主要通信技术

Massive MIMO技术

MIMO是通过使用多个发射和接收天线在单个无线信道上同时发送和接收多个数据流的多天线技术,用于提高移动设备带宽、增加数据吞吐。MassiveMIMO的理论基础是,天线与终端之间相互传输的数据经过了周围环境的滤波。信号可能会被建筑物和其他障碍物反射,这些反射会有相关的延迟、衰减和传播方向。天线与用户终端之间甚至可能没有直接路径,但是这些非直接传输路径同样有利用价值。

MIMO的阶数代表可以发送或接收的独立信息流数量,它直接等同于所涉及天线的数量;阶数越高,链路支持的数据速率也越高。MIMO系统通常涉及基站发射天线数量以及用户设备接收天线数量。例如,2x2MIMO意味着同一时刻在基站有两个发射天线,在手机上有两个接收天线。Massive意指基站天线阵列中的大量天线;MIMO意指天线阵列使用同一时间和频率资源满足空间上分离的多位用户的需求。

其实历代的无线通信技术都有过使用先进的天线技术来提高网络速度。3G时代使用了单用户MIMO技术,它从基站端同时发送多个数据流给用户。多用户MIMO技术是4G时代使用的,它为多个不同用户分配不同数据流,相比于3G大大提高了容量和性能。而5G时代将会使用的是大规模MIMO技术,进一步将容量和数据速率提高到20Gbps。

载波聚合技术

前面提到,4GLTE频谱由52个频段组成,其中FDD/SDL为35个,TDD为17个。4GLTE频谱支持6个信道带宽,为1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz和20MHz。然而最大的可聚合载波数量是5个,因此4GLTE载波聚合后的最大带宽是100MHz。在FDD制式下,下行链路和上行链路的载波数量并不相同,通常下行链路聚合载波数量要多余上行链路,不同载波的带宽也可以不同。而在TDD制式下,上行下行的带宽和分量载波数量都要相同。

波束赋形技术

波束赋形是指根据特定场景自适应的调整天线阵列的辐射图。波束赋形是配合MIMO多天线技术使用的。波束赋形和MIMO有时候两个概念也会混用。通常来讲波束赋形是MIMO概念下的子技术,它是通过使用多个天线控制天线电磁波传播的方向来合理确定单个天线的信号幅度和相位。也就是说一个天线会受到来自不同位置天线发射的相同信号,通过确定接收机的位置,天线可以合理调整传播方向和相位,来达到信号发射和接受的效率最大化。这个技术在毫米波技术下是非常必要的,首先高频毫米波带来的衰减导致其必须采用MIMO技术来接受到可靠的信号,而多天线技术必然带来功耗的大幅度增加,使用波束赋形技术可以有效减少不必要的能量损耗。

1.4 5G芯片研发:高通华为均已推出

2018年7月23日,高通宣布推出全球首款面向智能手机和其他移动终端的全集成5G新空口毫米波及sub-6GH下射频模组:QualcommQTM052毫米波天线模组系列、QualcommQPM56xxsub-6GHz射频模组系列。高通表示,QTM052天线模块等上述最新零组件目前正在送样客户,预计将在2019年初第一批问世的5G手机当中应用。

2018年12月高通发布了骁龙8555G芯片组,相比于之前的845平台,855使用了7nm制程,搭载Kryo485CPU,速度提升了45%。骁龙855还使用了更先进的天线技术,不仅在LTE制式下可以达到2Gbps的速度,还能支持60GHzWiFi,速度高达10Gbps。骁龙855还搭载了射频前端,提供从调制到天线的一系列解决方案,采用QTM0525GmmWave天线模组,Qualcomm Adaptive Antenna Tuning,Qualcomm Envelope Tracking,High-power transmit(HPUE)。值得一提的是,片上AI引擎,配合5G的XR实时4k高清游戏体验等也都是骁龙855芯片平台的两点。

2019年1月24日,北京华为正式面向全球发布了5G多模终端芯片Balong5000(巴龙5000)和基于该芯片的首款5G商用终端华为5GCPEPro。除了支持智能手机外,还可以配合家庭宽带终端、车载终端和5G模组等。能耗更低,性能更强,时延更短,7nm工艺,支持NSA和SA双架构,支持业界最广泛频段,支持毫米波。同时还华为推出业界首款5G基站核心芯片——天罡。算力比以往增强2.5倍,用单芯片控制最强的64T,支持超宽频谱,是业界唯一一家支持200M频宽的5G部署,一次部署可以满足未来需求。华为的5G基站也同时亮相。据华为运营BG总裁丁耕介绍,华为5G基站较传统基站,将天线和射频集合在一起,体积更小,而容量是传统基站的20倍。

2019年2月19日,第二代5G基带芯片骁龙X55,采用7纳米工艺的单芯片支持5G到2G多模,同时支持毫米波以及6GHz以下频段,支持TDD和FDD,支持独立和非独立组网模式。这是高通在继2017年推出全球首颗5G基带芯片X50后的又一次跃迁。同时高通还推出了5G第二代射频前端解决方和QTM5255G毫米波天线模组,这是继2018年7月高通推出首款面向智能手机射频模组方案后的升级。据集微网称,骁龙X55正在向客户出样,采用骁龙X55的5G商用终端预计于2019年年底推出。

二、终端天线:5G带来天线行业新机遇

天线是将高频电流或波导形式的能量变换成电磁波并向规定方向发射出去,或把来自一定方向的电磁波还原为高频电流的一种设备。无线电发射机输出的射频信号功率,通过馈线(电缆)输送到天线,由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后,由天线接下来(仅仅接收很小很小一部分功率),并通过馈线送到无线电接收机。可见,天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备,没有天线也就没有无线电通信。

手机天线是手机用来接收和发射信号的设备,无线电发射机输出的射频信号功率,通过馈线(电缆)输送到天线,由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后,同样是天线接收(仅仅接收一部分功率),并通过馈线送到无线电接收机。因此,天线是发射和接收电磁波的重要无线电设备,没有天线也就没有无线电通信。一般情况下天线长度一般为波长的1/4~1/2,因此传播频率越高,天线的长度越短。目前手机中多采用的天线是内置天线。在手机通信技术发展的过程中,随着通信波段、带宽以及使用技术的不断发展和变化,手机天线也需要做出相应的调整。在5G时代,毫米波高频率通信、载波聚合技术带来的信道拓宽、MIMO多天线技术的采用等都会对天线技术和射频前端产生关键性影响。

2.1手机天线的发展

最早的手机天线是四分之一波长天线,它是一根单独的天线,也叫做套筒式偶极天线。由于最早的1G手机频段为800MHz,所以天线的长度有9.4cm。这种天线已经在目前使用的手机上很难见到,而是被大量的用在无线LAN接入点上。

20世纪90年代的2G手机天线则有两个天线单极和螺旋,只能支持单个频段。诺基亚1011和摩托罗拉M300只能支持单个频段的通信。

1997年摩托罗拉发布了首个双频GSM手机mr601,可以支持GSM900和GSM1800双频,因此有螺旋和鞭状两根天线。1999年诺基亚推出了Nokia3210,是一个完全内置的天线,可以支持GSM900和GSM1800双频。

2004年推出的3GNokia6630手机,可以真正意义上支持全球漫游,是第一个双模三频段手机,可以支持GSM900/1800/1900和UMTS2100,所使用的天线也是多天线内置。

下表给出的是从手机诞生以来的通信频率和对应系统及天线的变化。可以看出手机的通信频率在逐渐从最初的kHz发展到目前的4G系统,达到了GHz频段,而天线的尺寸也经历了从大到小,从外臵到内臵的变化。个人终端的发展趋势是小型化和个人化,而天线为了配合整体设计以及高频段的传输,也需要做到小型化紧凑化。一种典型的天线设计方式就是改进型PIFA天线,之所以叫做改进型是因为相比于传统的PIFA天线它的外观已经有了很大的变化。改进型的PIFA天线是最早用在GSM手持设备中的天线,目前被广泛用在个人设备当中。

对于目前的手机及来说,印制天线被广泛用在终端中,相比于其他安装式天线更加小巧轻薄。从组成上看,印制天线内部有介电材料和接地平面,设计时需要考虑高效率、高增益和辐射模式。天线的设计主要从以下几个方面考虑:

多频段、内臵化

配合UE设计的小型化

功能化,例如配合自适应和MIMO进行高速率传输

出于对射频前端及基带处理的设计考虑,目前天线的设计方式是针对不同的应用,设计成不同的窄带天线。除了主通信芯片用于访问运营商网络,手机还有Wi-Fi功能、蓝牙功能、GPS功能,以及NFC功能,都需要不同的天线。甚至,现在逐渐流行的无线充电,用的充电线圈也是一种天线。

以三星旗舰智能机S9为例,内部有传统的移动通信主天线(配合高通骁龙845基带,支持4X4MIMO、5个分量载波聚合),位于手机的下部和左下部。GPS天线位于左上部,近场通信天线(NFC,Near Field Communication)和无线充电线圈在手机中部,此外还集成了最先进的磁性安全传输线圈(MST,Magnetic Secure Transmission)位于摄像头附近。MST是一种移动支付技术,是利用手机发射信号来模拟传统的磁条卡。

针对5G通信,手机厂商将会在原有的基础上做增量,也就是说在支持之前所有通信频段的基础上,增加新的频段传输功能。根据前面提到的5G通信频率的变化,sub-6GHz和毫米波通信由于本身的频率差别很大,在手机天线设计上会产生不同的影响。

首先我们关注最先落地的sub-6GHz,也就是5G中的低频频段。目前4G通信的波段是1-2.6GHz,而5G使用的通信频段也在6GHz以下。所以在天线的尺寸仍然会是厘米级,与4G使用的天线区别不会太大。虽然由于MIMO多天线技术的使用,天线的数量会大大增加,不过从天线本身设计角度看并不会发生本质变化,而是在4G天线原有的基础上做出更多性能上的提升。

2.2 sub-6GHz天线的设计关键

前面提到sub-6GHz对天线本身的影响并不大,但是数量上会有所增加。所以我们首先看一下4G时代手机中的天线主要怎么样的设计的。目前手机中的天线是隐蔽式、内臵式的,并且集成了Cellular(LTE/TD-SCDMA/FD-SCDMA/WCDMA/CDMA2000/GSM等)、BT、Wi-Fi、GPS、NFC等诸多针对不同应用的天

线。以iPhone6s为例,其通信模块包括:2/3/4GCellular模块,用于无线局域网连接的Wi-Fi模块,用于无线私域网连接的BT模块(蓝牙模块),用于全球定位系统的GPS模块,以及用于近场通信的NFC模块(功能包括信息识别、文件传输、刷卡消费等),每个部分都需要不同的天线设计。终端设备天线具有多样化的应用环境和工艺方案,软板已成为主流工艺。苹果公司在2017年发布的iPhoneX/8Plus/8均使用liquid crystal polymer flexible printed circuit board(LCPFPCB)制作的天线。根据Apple insider网站的报道,2H18新机型iPhone models(XSMax,XS,andXR)中有6个LCP天线。

在介绍LCP之前,我们先看一下FPC及其构成。FPC是flexible printed board circuit的简称,中文名叫做软板又叫做柔性电路板,是以柔性覆铜板(FCCL)制成的一种具有高可靠性,可挠性的印刷电路板,具有配线密度高、重量轻、厚度薄、弯折性好的特点。软板使用塑料膜中间夹着铜薄膜做成的导线,在几乎所有电子产品中都有应用,例如硬盘的带状引线、数码相机、仪器仪表、医疗设备和汽车电子中。软式印刷电路板可以三度空间布线且外型可顺空间的局限做改变,从而达到元器件装配和导线连接的一体化。

在便携设备中,如手机、平板电脑和笔记本电脑中,软板被用来制造射频天线和高频传输线。在5G的推动下,天线数量的大幅度增加也会拉动软板天线的大幅需求。

照导电铜箔的层数划分,分为单层板、双层板、多层板、双面板等。单层板的结构是最简单结构的柔性板,原材料由基材、透明胶、铜箔构成,保护膜和透明胶是另一种原材料。在制作时,通过对铜箔等进行刻蚀等工艺处理来得到定制的电路,保护膜要进行钻孔暴露出相应的焊盘。清洗之后再用滚压法把两种材料结合起来,接着在焊盘部分电镀金属等制作保护膜。

双层和多层板的结构适用于电路线路复杂以及需要铜箔以进行接地屏蔽的情况。多层板与单层板最典型的差异是增加了过孔结构连结各层铜箔。因此多层板在基材+透明胶+铜箔上的第一个加工工艺就是制作过孔,在基材和铜箔上钻孔并清洗之后镀上一定厚度的铜即可,之后的制作工艺和单层板几乎一样。双面板的两面都有焊盘,主要用于和其他电路板的连接。虽然它和单层板结构相似,但制作工艺差别很大。它的原材料是铜箔、保护膜和透明胶。先要按焊盘位臵要求在保护膜上钻孔,再把铜箔贴上,腐蚀出焊盘和引线后再贴上另一个钻好孔的保护膜即可。

因此,软板主要的构成部分如下:

与传统的PCB中情况类似,决定FPC性能最重要的材料就是基材,要想提高FPC整体的技术参数,就要提高基材的性能。基材的作用是提供导体载体,作为导体之间的绝缘介质,并且要有弯曲和挠性特性。用于软板的基材包括PI(聚酰亚胺)膜和PET(聚酯)膜,除此之外还可以使用聚合物膜,如PEN(聚对苯二甲酸乙二醇酯),PTFE和芳纶等。用于柔性覆铜层压板(FCCL)的主要基料保护层是PI,它一种热固性树脂,具有耐高温的特性。与其他的热固性树脂材料不同的是,在热聚合后PI仍能保持柔韧性和弹性,并且有耐热性和优秀的电学特性,这也是它被用作FPC基材的一个重要原因。但是PI也有其缺点,例如吸湿性差和延展性差的特点。吸湿性(Moisture absorption)是纤维的物理性能的指标之一,通常把纤维材料从气态环境中吸收水分的能力称为吸湿性。即使是改进型的PI基材,吸湿性也有0.7%。

为了制备长寿命的半导体器件,就要求封装材料具有高可靠性,包括耐热氧老化和紫外老化、低的热膨胀系数(CTE)、低应力、低吸湿性等特点。

为了克服PI材料的缺点,以苹果为代表的手机厂商开始使用LCP作为软板的基材。在制造上,具有热塑性的LCP薄膜覆盖铜箔,然后经受恒定的热压,可以制作成单面或双面软板。根据Transaction son Microwave Theory and Techniques给出的数据,这种软板的吸湿性可以达到0.04%,相比于PI基材提高了接近20倍,其介电常数在1GHz时可以达到2.85,因此可以与高速数字电路和射频电路兼容。

天线通俗来讲就是一根具有指定长度的导线,因此它可以制造在PCB和FPC上。而由于设备的小型化和便携化,留给天线的设计空间已经很小,因此目前主流的方案就是使用FPC制造天线,即可折叠式天线。可折叠式天线就是由软板制成,可以弯曲成任意的形状,从而应对人们对便携设备尺寸和设计的更高要求。

天线和普通电路的重要区别一点就是需要工作在高频段,而LCP具有很好的高频特性,且在5G模式下,频率的提高和数据传输速率的大幅度增加对天线和连接线都提出了更高要求。根据Apple insider网站披露,目前的4G手机中,苹果公司在2017年发布的iPhoneX/8Plus/8均使用LCPFPCB制作天线,在iphoneX中总共有四个之多,2018新机型iPhone models(XSMax,XS,andXR)则中有6个LCP天线。

5G时代,不仅在天线当中,高速传输的数字导线也需要大量的LCP基材材料。

2.3天线设计材料之LCP

LCP具有低的介电系数,可以广泛用在可折叠式天线中,并且其能弯折、扭曲、旋转,是名副其实的“可折叠材料”。LCP还是优秀的的热塑性有机材料,由具有刚性和柔性单体单元的分子组成。

刚性单体使得LCP材料具有高温性能和高机械性能,而柔性单体有助于其进行工艺加工。特殊的分子结构使得LCP兼具晶体和无定型聚合物的优势,例如其尺寸和结构的稳定性、吸湿膨胀系数低,高强度、高耐热性、吸湿性低和环保的特点。在毫米波应用上,LCP还展示出了优秀的电学特性,在高达110GHz频率范围内仍具有稳定的介电常数和低介电损耗。

LCP也是RF系统中使用的重要基材。随着无线通信频率的提升,RF系统的材料技术和集成技术都面临诸多限制和挑战。在微波毫米波频率,RF基材在水和气体的渗透性方面的性能会严重影响器件的可靠性和寿命。尤其是在GHz频率以上,基材的吸湿性会引起天线、滤波器和传输线的损耗。高频下的工作的电路尺寸很小,因此材料的膨胀率低对于电路可靠性至关重要,而材料膨胀率又和吸水性能息息相关。另外,对于封装材料来说,重要的一点是把不同部件集成形成系统的能力。最后是材料的低成本要求。新型的材料技术必须同时满足以上几个要求,同时考虑到频率和环境变化的不变性。

目前天线中的基片衬底材料不仅成本高且性能差,例如常用的的FR-4、PTFE、CTE等材料。而LTCC层板目前在微波的衬底领域很受欢迎,具有优良的电气特性,紧凑的多层电路,封装气密性好等特点。但是缺点是成本高、高层压温度、密度问题、设计时间长以及工具成本和性能问题。LCP层板由于在毫米波方面的优势成为了可折叠毫米波基板材料。下表总结了LCP、LTCC和其他材料的对比。

在微带天线设计中,衬底基片是设计的重要一环,其机械性能、热学性能、电学性能都是需要考虑的重要方面。而LCP由于其以下重要特性成为制成毫米波微波天线的优良材料:

成本优势

低介电常数(2.9-3.2频率<105GHz)

低吸湿性(吸水率<0.004%),因此可以适应多种应用环境

LCP材料具有热塑性,不需要使用其他粘合剂层

在手机中的毫米波芯片当中,LCP天线必须外臵,而由于高频传输的高衰减特性的特点,毫米波天线更有可能采用AIP的封装方式坐在芯片内部。但是由于5G手机高传输速率和sub-6G频率的提升,相信手机厂商更多的会采用LCPFPC做排线和较低频天线。而在其他便携式设备甚至小型化基站中,毫米波天线可以使用LCPFPC材料制造。根据Apple insider报道,2019年iPhone可能会采用4个MPI天线加2个LCP天线的组合。MPI是一种改进型的PI材料,转向MPI材料的原因是因为苹果目前在MPI材料上的议价能力更有优势,供应商可以达到5家,目前LCP材料供应商只有2家。随着MPI材料可靠性和良率的提高,MPI可能会更大程度上替代LCP。在向5G过渡的阶段,MPI材料可以发挥一定的作用,但是到了毫米波真正投入使用的时候,LCP仍然有不可替代的高频性能方面的优势,5Gsub-6G的天线长度和4G差别不大。但是为了达到更高的速度要求,5G会使用更多根天线,即MIMO技术,例如8×8MIMO就是有8个发射端天线,8根手机端天线。这样看来,5G低频造成的影响主要是天线数量的增加。多个天线之间的形状重新排布会对手机后盖和走线提出新的要求以达到更好的效率。

2.4毫米波天线的设计考虑

毫米波之所以成为毫米波,是因为几十GHz的频率导致其波长已经缩减到了毫米级。波长的大幅度减小带来的问题是电磁波绕射能力变差,衰减变得异常明显。因此为了改善衰减,提高传输速度,5G技术中将会采用MIMO多天线技术、beam forming波束赋形、以及空间分级复用等技术。

关于高GHz频率,也就是毫米波的设计难点主要在于传播损耗,相比于sub-6GHz尤其严重。传播损耗通常用dB作为单位,数值越大损耗越严重。宏蜂窝是覆盖范围较远的基站,微蜂窝是覆盖范围较近的基站。视距(Line-Of-Sight)表征从发射源到接收可以直线传播的场景,非视线(NLOS)表征两者之间存在影响直线传播的障碍物。如图表所示,非视线(NLOS)的路径损耗远大于视距(LOS)。

城市宏蜂窝(UMa)LOS场景的具有与城市微蜂窝(UMi)LOS场景类似的路径损耗。

对于所有场景,28GHz和39GHz的路径损耗比LTEBand41至少大20dB。为了应对如此大的路径损耗,FCC标准允许基站(BS)进行高传输功率(75dBm每100MHz)。除了路径损耗和大气或雨衰损失外,建筑物的穿透损耗还取决于不同的材料,特别是对于混凝土墙壁,穿透损耗随着频率的增加而显著增加。对于28GHz,它可以高达117dB。鉴于这些挑战,基站和UE端都必须进行波束赋形。

可以看出,在所有测试环境中,可以看出28GHz和39GHz相比LTEBand41,路径损耗至少多出20dB,在用户端做毫米波的波束赋形比基站上的难度要大得多。IEEEAccess论文中同时提到,多天线对信号波束的实时监测和调整可能会使得手机一直处于高能耗状态,因此高能量效率和电池寿命都手机设计的限制因素。相应的,对于天线来说,也就是MIMO天线,从设计上会分裂成多个天线,多天线之间存在隔离度问题。MIMO天线不再是传统的一根导线分频段取信号模式,在手机狭小的空间中,连续成片设计天线区域有限,后盖应该是最佳的布设天线的区域。而波束赋形是针对信号来源方向对天线的方向性进行调整的一种技术,因此需要对每个天线进行单独的实时控制,这在技术上需要射频前端电路配合。

高频带来的衰减问题,从空间传播上可以用MIMO多天线和波束赋形来解决,但是在手机内部为了保证信号的完整性,也需要射频前端RFFE尽可能靠近毫米波天线。而毫米波天线的小尺寸,给天线和RFFE共同封装提供了可能。

例如2018年7月23日,高通宣布推出全球首款面向智能手机和其他移动终端的全集成5G新空口毫米波及sub-6GH下射频模组:QualcommQTM052毫米波天线模组系列、QualcommQPM56xxsub-6GHz射频模组系列。QualcommQTM052将无线电收发器,电源管理IC,RF前端组件和相控天线阵列集成在一起。

2018年10月最新发布的QTM052模组尺寸进一步减小25%,并且满足5GNR智能手机的使用,为手机UE设计提供了更多可能。QTM052是配合高通骁龙X505G平台使用的天线模组,里面包含了超小尺寸的相控天线阵列,适用于手机需要四组模组。该天线模组支持波束赋形、控制和跟踪,大大改善了毫米波信号的传输范围和可靠性。QTM052模组支持26.5-29.5GHz(n257),以及整个27.5-28.35GHz(n261)和37-40GHz(n260)mmWave频段的高达800MHz带宽。QTM052模组在非常紧凑的面积中集成了所有这些功能,最多可以将四个模组集成到智能手机中以支持MIMO。

2019年2月9日,高通发布了骁龙X55的最新5G平台的同时,还发布了最新的射频前端解决方案QTM5255G毫米波天线模组。在原有的毫米波天线模组的基础上减小了高度,8mm的高度可以用在纤薄外形的5G手机中。QTM525增加的频段可以支持全球毫米波频段,包括n258(24.25–27.5GHz)、n257(26.5–29.5GHz),n260(37–40GHz)和n261(27.5–28.35GHz)。

从手机UE设计的角度看,在手机天线设计的起始阶段,就要注意寻找合适的位臵来配合合适的频段。

在手机中,最适合5G天线的位臵是两端,尤其是上端部。然而天线的数量及种类增加,会导致传统的布设天线两端空间拥挤,天线效率下降,部分天线需要移位至其它地方。这就对手机结构和材质、设计等带来了新的挑战。

天线如何摆放以配合UE的设计

毫米波通信的商用化给5GUE设计带来了挑战是多方面的,首先是RF带宽使得数据速率大幅提高,其次是毫米波通信会大大减小天线的尺寸,在原有UE设计的基础上还要辅助波束赋型和空间复用技术。

对于针对波束赋形的天线阵列设计,天线单元之间的距离是设计的关键,因为MIMO要求天线之间的距离至少为半个波长来避免旁瓣辐射,旁瓣辐射会引起增益和辐射效率的降低。在解释旁瓣辐射之前,我们首先了解一下什么事天线方向图。天线方向图是指辐射场的相对场强(归一化模值)随方向和距离而变化的图形,通常采用通过天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示。

天线在方向图上一般呈花瓣状,故方向图又称为波瓣图。最大辐射方向所在的瓣称为主瓣,主瓣宽度表示能量辐射集中的程度。其余的瓣称为旁瓣或侧瓣,旁瓣的大小表示有部分能量分散辐射到这些方向上去,在天线设计中希望它越小越好。

天线之间的隔离同时也是为了保证空间增益,相邻的天线单元之间的距离取决于具体的天线设计和使用方式,以均匀方阵天线为例,相邻的天线要保证1.5个波长。因此UE端的手机系统设计既要多场景下的考虑波束赋形也要考虑空间复用。

如图所以给出了针对5G手机提出的一种分布式相位阵列MIMO结构的手机设计方案,其中有8个相控阵列单元形成波束赋形模组,内嵌在手机壳背面下方。

8个天线将会配合不同的用户使用场景进行工作。针对不同的应用场景,会有不同的来自人体对电磁波的阻挡方式。这种电磁波阻碍在低频下可能显得并不严重,但是在高频毫米波工作方式下,信号的衰减尤其严重。因此针对不同的场景,手机中的天线将会配合工作,有针对性的发射和接受信号,这一方面可以降低手机功耗,还可以更大程度上保证信号的稳定性。

下图给出的是一种针对毫米波的射频前段解决方案。可以看出,从系统上讲,与天线配合工作的射频前端芯片需要针对每个天线单独控制,因此不仅是MIMO天线数量的会直接增长,射频前端电路的需求量和天线是同步的。