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5G 新無線電與毫米波射頻的挑戰

108-04-16

稜研科技副總經理  林決仁 

未來5G應用示意 (圖片來源:Shutterstock授權)

未來5G應用示意 (圖片來源:Shutterstock授權)

讓我們一起來想像一個很可能在 5 年內就會發生的未來:清晨,駕著 5G 連線的車輛,於日常再也熟悉不過路上放心的開啟自動駕駛功能,車輛透過 5G 網路不斷與公路周邊基礎設施以及其他車輛交換資料,一切及時且穩定可靠的進行。這時候,空出雙手的我在車上正透過擴增實境或虛擬實境 (AR/VR) 裝置與客戶進行遠端會議,4K 畫質的影像以人類不感到暈眩的低延遲傳輸著,路況資訊也同步投射至螢幕。這時客戶端的工廠裡,透過 5G 連網的機器人與生產線上的感測器有臭蟲 (bug),正透過低延遲的網路將錯誤訊息傳遞到我的 AR/VR 裝置,我們很有可能在下交流道之前就替客戶解決掉了呢!

5G 新無線電與毫米波

上述如電影場景般的生活,在第五代行動通訊 (5G Communucation) 將逐一實現。事實上,人們對影音串流應用及物聯網 (IoT) 應用的需求,正在加速催生 5G 網路的進程。根據 GSMA及 Ericsson 研究指出,4G LTE 頻寬將於 2022 年不敷使用 ,全球通信產業業者莫不積極發展 5G 通訊的相關技術以及解決方案。

5G 新無線電:毫米波是重點

5G 無線通訊致力於改善過往技術無法達到的頻寬及延遲,主要技術特徵有三:增強型行動寬頻 (eMBB),讓跨年晚會或高速公路塞車等高使用者密度的場景也能有順暢、低延遲的傳輸品質。高可靠度低延遲通訊 (URLLC) 則確保雙向通訊並保證最低延遲以及最高網路可用率。大規模機器通訊 (mMTC) 則是針對巨量物聯網裝置部署的場景得以實現,包含裝置間通,訊例如車輛雷達與高速公路感測器、機器人與產線感測器等。圖1 很好的闡述三大技術特徵。

為實現 5G 無線技術,更大的頻寬是唯一選項。ITU 及 3GPP (第三代合作夥伴專案) 制訂統一的 5G 新無線電標準 (New Radio, NR),2018 年 6 月提出 eMBB 與 URLLC 使 用案例的 Release 15 首度在行動通訊引入毫米波頻段:26 GHz、 28 GHz 以及 39 GHz 已規劃做為行動通訊的毫米波頻帶,高達100 GHz 的頻率都在 NR 的規劃範圍。

圖 1. 5G 三大技術特徵及使用場景介紹

圖 1. 5G 三大技術特徵及使用場景介紹

毫米波的技術挑戰

毫米波高頻短波長物理特性,因此信號傳遞所面臨的路徑損耗劇增,天線尺寸也僅有 sub-6 GHz 頻段的十分之一。這些物理限制造成過往人們對於毫米波用作通訊載波充滿疑慮。最主要論述有以下幾點:路經損耗導致覆蓋率不足、只能進行 LOS 傳輸、只能定點傳輸 (Fixed Wireless) 難以進行行動通訊、價格及模組體積等。

波束成形是關鍵武器

上述問題在近幾年各大廠包含移動端的巨頭高通、基站端的諾基亞及易利信等研究機構的努力下已有解決的途徑,毫米波本質上的高路徑損耗最佳解決方式為波束成型技術 (Beamforming):透過波束成形將能量集中在單一空間方向上獲致高增益即可有效克服路經損耗達成較遠距離傳輸。有了波束成形這個武器,接下來更可結合波束切換 (Beam switching)、波束移動 (Beam steering) 以及波束追蹤 (Beam tracking) 等軟硬體結合的方式克服其他難以實現毫米波行動通訊的難點。此外原來是缺陷的多路經效應 (path diversity) 及反射 (reflection) 等問題,反而提供毫米波信號的替代傳輸路徑。

5G 毫米波射頻前端開發痛點及解決方案

波束成形技術所扮演的關鍵角色在 5G 毫米波產品開發中不言可喻。然而過往毫米波應用多集中於利基型市場如軍工、航太及科研等,因此各大廠皆面臨毫米波/微波人才稀缺的問題。熟悉波束成形技術的公司或團隊在市場上並不多見。加上整個通訊鏈路除了波束成形技術,往前還牽涉天線產業,往後則涉及基頻傳輸及網路架構,因此在設計上的必須提早考量整合性。此外,毫米波前端進入門檻極高,而且是首度使用在商用領域。在尚未有明確訂單之前,國內通訊產業大多還處於評估階段。

波束成形開發套件 BBox™

稜研科技從2017年起注意到毫米波技術在市場上存有兩大痛點:首先,毫米波射頻前端 (mmWave RFFE) 需要高度整合,但市面缺乏專門為 5G mmWave 打造的套件。再者,在產業典範轉移的過程中,生產線必須率先準備好,尤其量產測試更是牽涉產業能否順利釋放其爆發潛力。針對兩大痛點,稜研科技 (TMYTEK) 打造了 5G mmWave BBox™ 做為解決方案。藉由控制中心平台及射頻組件子系統,提供 5G 研發人員研發彈性,並加快天線開發、模組及基頻系統的測試速度。

圖 2. BBox 場型測試結果顯示波束成形 (Beamforming) 及波束控制 (Beam steering) 皆正確。

圖 2. BBox 場型測試結果顯示波束成形 (Beamforming) 及波束控制 (Beam steering) 皆正確。

研發 vs. 產線

實際 BBox™ 在研發領域的使用案例:天線研究人員希望設計多款陣列天線並測試其波束成形性能。按照傳統方式,開發者必須從天線到高頻主動電路到控制軟體都自行完成。這在時效性上大打折扣。尤其不同天線都要設計製作一次電路有重造輪胎之嫌。因此 BBox™ 高度彈性的特點,讓該研究者只需要專注設計天線部分,其餘高頻電路到控制軟體皆由 BBox™ 代勞。如此大幅增加開發效率。

產線測試包羅萬象,其中隔空測試 (OTA, Over-The-Air) 在毫米波模組的生產扮演重要角色。傳統無線 OTA 測試手法用於 Sub-6 GHz 可行,但測試毫米波則會衍生設備昂貴且測試時間過長等問題。傳統作法將待測物 (DUT) 置於機械式轉台上旋轉,接收端用喇叭型天線 (horn antenna) 搭配測試信令或非信令 (signaling & non-signaling) 測試儀器觀測通訊調變解調的狀況。在毫米波頻段首先會遇到的問題就是:mmWave 的信令、非信令測試設備選擇少且價格非常高昂。再者,原來已經投資的 Sub-6GHz 設備就此捨棄並不符合生產成本。最後,機械轉台在量測速度上有其限制。

因此稜研科技針對毫米波產線推出以 BBox™ 為主的測試方案,協同稜研官方陣列天線,配合專為 5G 打造的升降頻器便可以經濟的 Sub-6GHz 設備測試毫米波待測物。

圖 3. 5G BBox 波術成形系統開發套件。

圖 3. 5G BBox 波術成形系統開發套件。

5G 通訊的下一步

Release 15 尚在實作階段,3GPP 已經開始釋出 Release 16 訊息,其中整合接取與後傳 (Integrated Access and Backhaul, IAB) 預計將進一步減降低毫米波基地台部署成本,即使在高密度部署需求下仍可符合經濟效益,其關鍵就在於很好的利用毫米波超大頻寬天生適合做為後傳設施以降低對長距離光纖的依賴。Rel-16 更擴充 52.6 GHz 以上頻譜以及 unlicensed 頻譜的使用,目標協助 license 頻譜的效能以及單獨組網使用。此外更有效率的載波聚合 (Efficient carrier aggregation) 搭配移動端主動選擇連網等技術用戶可以期待更加省電的使用體驗,更棒的未來生活等著我們實現並體驗。

我們的使命

稜研科技創立之初便專注於毫米波主/被動元件及系統的研發。是台灣極少數專注於毫米波頻段的團隊,除擁有堅實的毫米波硬體部門外,也同時有著優秀的軟體、韌體人才,因此能在5G毫米波中最為重要的波束成形技術 (Beamforming technology) 有所貢獻。除了天線陣列之外,毫米波電路以及相位、振幅的控制,加上波束追蹤 (Beam tracking) 演算法以及波束塑型 (Beam shaping) 以及與基頻晶片對接等都是稜研正在著手的重要工作。我們相信不斷精進,終有一天台灣團隊也能在全球 5G 甚至 6G、7G 的大舞台上協助人類實現萬物連網。