最佳化訊號傳輸效率　十大要素推助5G通訊發展

5G是下一代無線通訊的象徵。具備高容量、低延遲和大頻寬保證的5G技術雖然提供了一個令人興奮的前景，但只有將這項技術應用於實例上，與終端用戶互利互惠，才足以展現5G技術成就的價值。因此全球工程師都在努力將5G的優勢發揮在各種應用上，其中包括遊戲、虛擬實境(VR)、自駕車和無線監控等等，例子不勝枚舉。隨著企業已經開始利用增強的連線技術優勢，在每一種應用上，5G都有機會推動創新的商業模式。

然而，可以預見的是，要達到大規模應用5G技術所需的時間比預期還要長。確實，從近期莫仕(Molex)委託Dimension Research進行的一項調查顯示，幾乎有半數左右的電信營運商所部署的計畫相比最初預期還要落後。5G採用更高的訊號頻率造成了一些獨特的工程設計挑戰，例如訊號傳播、電源和熱管理，以及天線模組的配置。

不過現在，隨著5G在全球各地的推廣，工程師們的努力終於開花結果。根據Molex的調查顯示，89%的電信營運商對5G的前景感到樂觀，92%的營運商期望在未來五年實現5G的業務目標。另外有99%的營運商預計5G將在這段時間內為終端用戶帶來可觀的益處。所以，本文適時地對十項關鍵技術推動要素進行了評估，而這些推動要素對實現5G無線通訊有很大的助益。

(一)靈活回程網路基礎設施支援資料連接與性能

對行動網路低層基礎設施的大量投資推動了5G，特別是將基地台互連並進入公共通訊網路的回程網路(Backhaul)和傳輸層。由於人口密集的訊務基地台可利用回程網路的支援將大量資料傳到核心網路，靈活的系統整合方法已經成為滿足各種需求(例如容量和延遲)的最佳選擇。光纖X-haul網路可提供高彈性，同時可消除對於天氣條件和多路徑傳播的擔憂。但是，要鋪設光纖來連接基地台不一定可行，因為成本可能過高。這使得運用接取與回程整合網路(IAB)波的無線X-haul網路脫穎而出，在可用性和部署時間等方面擁有較大優勢。供應商靈活地雙管齊下，可以為適當的網路類型提供適當類型的回程技術。微波X-haul網路也正受到研究，因為它比IAB具有更長的範圍。

(二)前傳網路基礎設施支援更高資料傳輸量

隨著新的5G應用開始發展，人們越來越需要靈活的前傳(Fronthaul)網路解決方案，以滿足5G的延遲、吞吐量和可靠性要求。下一代無線接取網路(RAN)正在滿足此一需求，它提供射頻單元(RU)、分散單元(DU)和中央單元(CU)之間的光纖連接鏈路，由於CU的功能不被視為是即時運行的，所以可以部署在離DU位置十幾公里之外的地方。這也反映出它們彼此的互動對延遲不敏感。除了新架構之外，前傳網路的傳輸將利用增強型CPRI(eCPRI)協定，進而降低從RU到遠端DU的頻寬要求。3GPP 5G標準採用了一種方法，能夠在DU和CU之間分出部分4G LTE基頻功能，這將導致不同等級的性能。5G與4G LTE相比，性能將有所提高，具體取決於所使用的頻段，並且位元成本(Cost Per Bit)更低。

(三)波束成形改善5G蜂巢式基地台傳播路徑效能

5G對毫米波(mmWave)的使用帶來了一些挑戰，最明顯的是訊號傳播，因為與大氣、天氣條件、建築材料和植物等相關的吸收損失要高得多，甚至人體也會造成損耗。毫米波能以非常窄的波束傳播，允許這樣進行的程序稱為波束成形。另一個程序允許將波束導向所需的用戶設備(UE)位置，這稱為波束控制。除此之外，這些定向波束必須隨著用戶設備(例如行動電話)隨著用戶移動而改變位置。這就是所謂的波束追蹤。

毫米波顯著提高使用者吞吐量，並且提供了其他較大的優勢。毫米波訊號往往會被某些建築材料反射，這使得毫米波訊號可以用於最初未預料的方向。例如，如果反射計算正確，天線陣列可用於支援後方訊務。毫米波的傳播限制允許在比5G的6GHz以下(Sub-6GHz)頻率和4G LTE的700MHz頻率更短的範圍內重複使用這些頻率。這個過程實質上可釋放毫米波頻譜以用於其他領域，使頻譜的使用非常有效率。

(四)高功率密度電晶體支援MIMO所需小尺寸封裝

設備和基地台之間的5G空中介面在很高程度上依賴於多輸入多輸出(MIMO)相位陣列天線架構，以大幅提高端點與端點之間的資料速度。然而，大型MIMO架構所需的集束型天線配置為電子元件帶來了性能挑戰。在較高的毫米波頻率下，天線單元之間保持的物理距離極小。波長越短，捕獲該波長所需的天線單元就越小。天線單元越小，在給定的天線陣列空間裡可以放置的天線單元就越多，更多的5G元件和更高的頻率，意謂著需要為傳統無線通訊站分配更多的功率預算。在這樣的環境下，提供毫米波的射頻功率並耗散熱量極具挑戰性，需要在系統設計和材料的選取上有所創新。這就是工程師們逐漸轉向採用第四代氮化鎵(GaN)場效電晶體的原因，功率密度更高，進而滿足大型MIMO架構所需的小尺寸封裝。

(五)封裝技術有助於智慧手機從4G到5G平順過渡

涵蓋國家和國際間無所不在的5G覆蓋，不會在一夜之間實現，它將隨著電訊營運商採用不同的頻譜來建構自身的網路而逐漸實現，而覆蓋範圍、延遲和資料攜帶能力將各不相同。事實上，世界上的一些地區(主要是鄉村地區)也許永遠無法享受到高頻毫米波帶來的好處，可能只會得到Sub-6GHz頻率的支援。Molex的調查顯示，26%的電訊營運商認為毫米波的傳播問題為實現5G帶來挑戰，相反地，53%的營運商認為鄉村家庭接取5G將是實現重大新業務收入的主要用例。請注意，這些結果尚有爭議，因為部署鄉村網路的成本將高於同級城市和郊區網路，並且在許多情況下成本過高。對於在4G到5G的過渡期間發表新用戶設備(UE)的行動裝置設計者來說，這是一個挑戰。解決方案是在新設備中加入多個調諧天線，以處理除了5G之外的4G LTE波形；也就是說，毫米波與Sub-6GHz頻率的天線設計之間，不再是一個非此即彼的選擇。預計3G波形的涉入程度會較小。

(六)天線配置/設計量身訂作優化行動裝置輻射模式

在5G環境中，頻率相對較低的6GHz以下頻段，天線的配置只不過是影響效能的其中一個因素。在確定設備無線通訊的整體共振效能過程中，天線和行動裝置的內部組態之間存在著密切的關聯。考慮用戶對超薄型行動裝置的偏愛，天線工程師在調整天線設計時，必須仔細考慮物理設計、材料選取和內部的元件組態。不過，在毫米波頻率下，天線和手機機體之間的互動不用過度擔憂。相反地，挑戰卻在天線的覆蓋層上面，無線覆蓋層材料是金屬、玻璃、甚至是塑膠，在電氣上都不輕薄，甚至還會對下方天線的輻射效能產生負面影響。除此之外，天線相對於用戶手持裝置的配置，也會對毫米波的發射和接收產生影響。對此，設計工程師正在研究如何將自訂的天線設計和特殊的天線配置整合到採用槽孔的設計，或者頻率選取表面(FSS)的設計原則後，可以對行動裝置天線的輻射模式進行最佳化。而且，需要在用戶設備上使用多個天線來克服非理想方向上的波束傳播損失。

(七)天線調諧技術提高發射功率效率及電池續航

在設備印刷電路板上或附近的5G天線的射頻性能品質，取決於天線在產品中的有效整合。設備製造商比以往更加仰賴射頻工程師的技能和經驗，尋求最佳的射頻設計實踐，以最佳化每個設備的天線，增強無線性能。天線調諧技術包括孔徑調諧，也就是對天線的電氣長度進行校準，使其諧振更接近於所需的頻段；另外還包括阻抗調諧，意即天線的阻抗與射頻前端相關。這兩種技術都能在更大的頻寬上提高增益並延長電池壽命，因為比起未調諧的天線，經過調諧的天線消耗較少電流便可以提供相同程度的發射功率。在滿足消費者對下一代5G手機性能的期望方面，這是一個關鍵因素。

(八)連接器可保持訊號完整性並屏蔽電磁干擾

高頻的5G訊號也為互連、電路板線路、電纜元件及連接器等方面引發更深層的考量。在消費性產品中以5G標準規範速度於一系列元件中發送數百萬位元計的資料，將構成重大挑戰。連接器必須經過精心的設計和製造，使傳輸線上的阻抗變化減少到較低程度。外部訊號也會構成威脅，因此，連接器必須為系統提供充分的保護，防止電磁干擾和電容器感應器產生外部訊號，這在更高的速度下變得越來越困難。5G連接器還必須能適應現代行動裝置的狹小空間。堆疊式連接器可在填充密集的軟性和剛性電路板上使用。儘管存在著嚴格的物理限制，5G電子產品仍必須符合散射參數的嚴格要求，例如電壓駐波比(VSWR)和插入損耗(IL)等。精心設計的連接器可以大幅地減少訊號反射、衰減和失真，同時還要減小自身的物理體積；並且可以充分屏蔽，以有效降低電磁干擾(EMI)效應。

(九)專業5G測試設施可降低產品延後上市風險

設計和建置5G原型只是邁向新產品開發過程的第一步，還需要嚴格的新測試制度，以確保硬體符合嚴格的規範。這需要搭配新設備和設施的開發，例如能夠測試低頻、中頻和毫米波的5G吸波室(Anechoic Chamber)。充分的測試將使OEM廠商確信其產品和相關元件能完全適合用途，降低產品上市的後期延遲風險，或使用時性能不良的情況。

(十)先進製造以3D方式整合微型電氣與機械結構

在最小的空間內實現最大的性能，是5G設計工程師面臨的另一個挑戰。最新的成型互連設備(MID)和雷射直接成型(LDS)技術的投入，在三維上可以緊密整合各種複雜的電氣結構與機械結構，而這是現有2D技術無法完成的。這將使高性能設備結構變得精巧輕便。這種性能結合了MID的二次成型製程的多功能性與LDS技術的精度，創造出符合5G設備安全指引的精巧、高密度應用。對於希望在不影響性能的情況下實現小型化的5G設備製造商來說，這些技術提供了解決方案。

5G及未來

投資和創新確保5G網路不負眾望。設計工程師面臨的挑戰，在於要創造出適合大規模生產並滿足用戶期望的5G新產品。這意謂著必須選擇最合適的5G元件，並將其適切地融入高度敏感的環境中，同時還要確保精準的測試。

預計在二至五年內，廣泛部署的5G將在各種應用上為終端用戶帶來眾多好處，以及消費性和固定無線接取的直接需求，因此，OEM和通訊服務供應商選擇與相關技術合作夥伴攜手合作，是非常重要的事情。

(本文作者為Molex技術巿場經理)