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趨勢觀點

B5G的現在與未來

鐳洋科技 技術長 周瑞宏


2030年即將進入B5G/6G時代,台灣應把握多年網通與半導體設計製造與優勢,插旗未來B5G/6G之技術領域

 

隨著全球5G開始落地運營,2020年7月3GPP宣布5G Rel-16技術標準完成制定後,推動了更多電信業者投入5G網路建置。至2021年4月中,全球已有435家電信業者投入5G網路建置、162家電信業者在68個國家推出5G商用網路;而目前5G用戶分布上,以中國和南韓為領先國家。在B5G市場發展上,目前已有多家業者發表對B5G之看法,並投入相關技術研究,潛在技術包括太赫茲通訊(Tera Hertz communication)、先進巨量天線(Advanced massive MIMO antenna)、低軌道衛星通訊(Low Earth Orbit, LEO communication )、零耗能通訊(Energy-free communication)、公分等級定位(cm-level positioning)、人工智慧(AI)等,而國際標準組織ITU、3GPP也陸續啟動B5G/6G情境、技術標準之討論,期關鍵技術指標如圖1所示,預計2030年後進入B5G/6G時代。

 


圖1 B5G/6G關鍵技術指標


B5G的現在-低軌衛星通訊技術

 

隨著5G落地營運後,各家營運商為了提供更高的傳輸率與更寬的通訊涵蓋範圍,造就基地台布建密度越來越密集,因此5G網路成本將比4G網路大幅增加。但5G通訊仍面臨涵蓋範圍不足,造成偏遠地區通訊品質不佳等問題。有鑑於此,加速了B5G通訊技術的來臨。其中一個技術,就是為了達到真正的全球通訊無死角:低軌衛星通訊技術。衛星通訊依照衛星運行高度區分如下圖2所示:

 


圖2 地心軌道高度分類 (資料來源:VIAT Technologies)

 

各運行軌道通訊優劣如下表1所示:

表1 各高度衛星參數表

Parameter

LEO

MEO

GEO

Satellite Height

500 ~ 1,500 km

5,000 ~ 12,000 km

35,800 km

Orbital Period

10 ~ 40 min

2 ~ 8 Hrs

24 Hrs

Number of Satellites

40 ~ 80

8 ~ 20

3

Satellite Life

Short

Long

Long

Number of Handoffs

High

Low

None

Gateway Cost

Very expensive

Expensive

Cheap

Propagation Loss

Low

High

Highest

Latency

20 ~ 25 ms

110 ~ 130 ms

250 ~ 280 ms

 

由表1可知,低軌衛星通訊除了可以達到高通訊覆蓋率外,亦可達成低傳輸延遲的特性。自2015年SpaceX陸續發射多顆低軌衛星,並於2020年開始試營運證明低軌衛星可達資料傳輸率為100 Mbps與傳輸延遲約45 ms,如圖3所示:


圖3 LEO資料傳輸率與延遲測試 (資料來源:Speedtest)

 

根據Speedtest測試結果顯示,低軌衛星通訊在傳輸率與傳輸延遲部分與固網業者特性相近,更大的優勢在於低軌衛星可以達到通訊無死角的特性,藉此特性補足了現今5G通訊的涵蓋範圍。
相較於SpaceX,另外一家低軌衛星服務業者OneWeb在經歷2020年破產重整後,截至九月為止也持續發射了322低軌衛星且第一階段目標預計達到超過648顆低軌衛星來達成通訊覆蓋。有別於Starlink營運模式為直接對應終端用戶,OneWeb於今年九月八日宣佈與美國電信運營商AT&T合作,將運用OneWeb低軌衛星為AT&T的客戶進行資料傳需求,補足通訊涵蓋範圍的需求。
截至目前為止,雖然有多家業者投入低軌衛星通訊運營發展,特別是目前發展進度最快速的SpaceX 與OneWeb,但現階段仍屬於試營運階段(filed trial),相關技術與商業模式至少須等到2025年後才會有顯著的成長。以技術發展觀點,兩家主導衛星公司雖然已有多顆衛星服役,但兩家正持續發展第二代衛星與地面接收站。今年四月SpaceX向FCC申請試用頻譜場域測試第二地的地面接收站(User Terminal, UT),其第二代UT比第一代的UT面積小一半,產品功耗至少降低40%。而OneWeb也發布將於2025年發射第二代的衛星,其新一代的衛星將達到更輕量化縮小化的特點,可同時支援的UT數量增加。從技術發展的角度來看,低軌衛星應用預計在2025年開始蓬勃發展。

 

B5G的現在-台灣低軌衛星產業現況

 

台灣在今年六月通過太空發展法後,積極發展太空產業,立志可以承襲台灣多年代工經驗,發展國內自主低軌衛星技術,爭取國外低軌衛星訂單。目前國內相關衛星產業發展如下圖4所示:

 


圖4 台灣衛星產業生態鏈 (資料來源:工研院)

 

鐳洋科技於2016年起開始布局低軌衛星相關產品,目前有低軌衛星產品產線測試方案與地面用戶終端產品整機設計,為了進一步拓展衛星商機,今年更參加2021美國華盛頓舉辦衛星展,為所有參展廠商中唯一一家台灣廠商,如圖5所示。在產線測試方案部分,鐳洋科技因應現行5G測試市場需求量不斷倍增,在應用領域從地面4G/5G服務基站,衍生LEO低軌衛星通訊。可以確定的是,生產端的製造與測試效率,將成為很重要的關鍵指標,同時也決定產品在市場中的競爭力。這部分必須由前端產品設計時,將生產與測試相關作業一併考量,提升整體產出效率與良率,所以這部分鐳洋科技推出完整的射頻產品設計、製造、測試等服務方案,加速設計開發導入量產時程。

 


圖5 鐳洋科技參加2021美國華盛頓舉辦衛星展

 

在產品部份,鐳洋科技應用於衛星產品有發射/接收陣列天線模組與升降頻模組等,目前產品可應用於低軌衛星酬載與用戶終端地面接收站應用。如圖6所示,鐳洋科技協助客戶完成衛星酬載用16x32接收端陣列天線模組設計、生產與特性量測。

 


圖6 (a)16x32接收端陣列天線模組, (b)場型量測圖

 

另一個產品為低軌衛星應用升降頻模組,量測結果顯示在400 MHz的載波頻寬條件下,升、降頻模組皆可維持<2% 誤差向量幅度(Error Vector Magnitude, EVM),遠低於低軌衛星訊號品質規格,協助客戶爭取更多系統裕度,如圖7所示。藉由實際與客戶進行產品設計(ODM),以及生產測試與校正規畫,協助客戶大幅縮短射頻前端模組設計、驗證、製造與產測時間,讓客戶正專注開發系統。鐳洋科技專業射頻設計與驗證能力獲得國外知名衛星大廠肯定,未來亦積極與國內知名企業結合組成衛星供應生態鏈,加速衛星產品量產時程,讓衛星應用更普及化。

 


圖7 (a)Ku band升/降模組, (b)量測結果

B5G的未來-次太赫茲、太赫茲通訊

 

近年來各國運營商或設備商為了再次世代通訊系統占有一席之地,於2020年開始輪番推出6G白皮書,其中一個潛在的通訊系統即為太赫茲通訊系統。次太赫茲(0.1 THz 至 0.3 THz)與太赫茲頻段(0.3 THz 至 10 THz)是無線通信的下一個亮點,因為它能夠使用更寬的未使用帶寬段,如圖8所示。儘管 100 GHz 以上的無線電信道鮮為人知,但近年來已經展示了幾種高速太赫茲通信鏈路。太赫茲通信的討論目前不多,因為業界目前專注於毫米波頻段(30 至 300 GHz)為5G移動設備提供每秒數千兆位(Gbps)的數據速率。此外,太赫茲通信將毫米波頻段目前面臨的問題提升到了一個全新的水平:由於分子吸收電磁波導致大量信號衰減導致的傳播損耗。
與毫米波通信一樣,太赫茲頻段可用作行動回傳,用於在基站之間傳輸大頻寬信號,另一個可取代光纖或銅纜場所應用是農村環境中的點對點通訊和宏蜂窩通信。更重要的是,太赫茲頻段可用於近距離通信,這包括電路板和車輛中的線束、奈米傳感器和無線個域網 (PAN)。上述應用可以一窺太赫茲通信如何通過提供比光纖網絡更低的延遲來改變遊戲規則,此外,太赫茲頻段可以在室內無線網絡的商業實現、位置定位研究和物聯網 (IoT) 應用。

 


圖8 太赫茲適用頻譜(資料來源:Research Gate)

 

那麼,太赫茲頻段通信的下一步是什麼?首先,毫米波通信通過消除小型蜂窩基礎設施部署和投資的障礙來加速無線寬帶部署,一旦發生這種情況,太赫茲通信可以在走廊、會議室、小型辦公室、實驗室和開放區域等室內環境中顯著補足毫米波。以阿爾託大學(Aalto University)在購物中心進行的140 GHz 傳播測量為例,使用通道量測系統將發射機 (TX) 和接收機 (VX) 放置在 200 m 處,並將 140 GHz 的全向路徑損耗與 28 GHz 無線通道進行比較。兩個頻段的路徑損耗數據的斜率和變化非常相似。同樣,紐約大學從事毫米波和太赫茲通信的研究項目 NYU Wireless 制定了一個 140 GHz 通道探測系統,該系統執行具有角度和延遲擴展的長距離傳播測量以及都普勒短距動態通道測量。
現階段太赫茲通訊技術距離實際商轉期尚有多項技術與門檻需克服,也造就了世界各大研究機構目前正積極地投入相關題目,而截至目前為止,此項通訊技術真正的殺手級應用仍在探索。因此,作者認為距離實際應用階段至少還有8 ~ 10年的時間,在此時間針對太赫茲通訊技術與應用將隨著5G營運後適應修正,台灣應把握多年網通與半導體設計製造與優勢在未來B5G/6G技術發展占有話語權,讓全世界再次看到台灣的設計實力。