採用毫米波/天線陣列設計　5G射頻系統架構翻新

圖1　5G標準演進方向

圖2　Massive MIMO實作設計

美商國家儀器(NI)於8月4日在美國德州奧斯汀揭開NIWeek活動序幕，會中除由該公司多位高階主管接力演說，勾勒下世代5G行動通訊的嶄新生活樣貌外，並集結來自產官學研各界的重要人士，以座談會形式共同探索5G技術演進方向，以及網路原型設計(Prototyping)的測試和驗證方案，期迎合行動資料爆炸式成長的需求。

事實上，在行動裝置和物聯網蓬勃發展的帶動下，網路資料量正逐年翻倍，至2020年恐將引爆百倍，甚至千倍資料容量需求，因而使行動通訊標準面臨傳輸速率須飛躍成長的壓力，刺激3GPP、歐盟5GPPP(5G Public-Private Partnership)和中國網路通訊(CNC)等國際標準研究組織，以及全球主要電信商和學界通訊實驗室加速推展5G方案，以接棒長程演進計畫(LTE)、LTE-Advanced等4G技術，持續強化物聯網發展所需的行動網路吞吐能力。

圖3　美商國家儀器總裁暨執行長James Truchard提到，該公司未來也計畫發展兼具自動化測試、巨量資料擷取和嵌入式控制功能的解決方案，加速物聯網設計成形。

紐約大學(NYU)電機工程系教授Ted Rappaport指出，為達到1GHz以上頻寬及100Gbit/s傳輸速率等5G基本條件，各國通訊研究機構的初步技術共通點，皆採用30GHz以上毫米波(Millimeter Wave)頻段(圖1)、天線陣列、大規模多重輸入多重輸出(Massive MIMO)(圖2)及波束控制(Beamsteering)方案，將完全顛覆現有射頻(RF)設計思維。

因此，今年NIWeek活動中，包括諾基亞通訊(NSN)、紐約大學無線中心(NYU WIRELESS)、三星(Samsung)和NTT DOCOMO等產學界要角，均緊鑼密鼓與美商國家儀器合作展開5G網路原型設計，期加速克服各種技術難題。

美商國家儀器總裁暨執行長James Truchard(圖3)表示，5G、物聯網(IoT)和巨量類比資料(Big Analog Data)應用，將為整個電子產業帶來全新契機；而儀器商面對這些新技術，必須透過整合高性能硬體、圖型化可編程軟體與標準PXI匯流排的儀器，才能提供足夠平行運算能力、功能擴充彈性，以及臻至奈秒(ns)等級的時序(Timing)與同步(Synchronization)精準度，解決各種RF測試挑戰。

技術層次大躍升　5G革新無線RF架構

圖4　美商國家儀器資深經理David Hall認為，5G將為整個RF元件、系統設計和量測產業帶來極大的變革。

美商國家儀器資深經理David Hall(圖4)指出，行動通訊技術從2G一路演進至4G，均使用6GHz以下頻段；然而，隨著資料量爆炸式成長，加上物聯網應用激增，5G標準正面臨現有頻譜資源和無線RF架構，與實際所需頻寬及傳輸速率需求落差甚大的桎梏；因此，產官學研各界皆將目光轉投至30GHz以上毫米波頻段，以解決目前行動通訊頻譜必須與各種WLAN技術共享，而導致資源匱乏的問題。

然而，Hall坦言，儘管超高頻毫米波頻段如同一片淨土，可輕鬆取得1G?2GHz頻寬，但基於其物理特性，訊號隨距離增加而衰減的情形嚴重，如60GHz訊號每公尺至少衰弱20dB，再加上高頻元件開發和測試成本相對昂貴，目前大多局限於氣象、軍方雷達等特殊應用；對廣域行動通訊技術發展而言，毫米波頻段係截然不同的境界，因此業界在邁入5G世代之際，勢將引發一連串RF技術及網路架構設計革命。

Rappaport強調，基於頻率愈高，訊號傳輸距離愈短的物理定律，5G運用毫米波頻段後，勢必要與無線區域網路(Wi-Fi)結合，並透過Small Cell，以及乙太網路(Ethernet)或光纖回程(Backhaul)技術，組成異質網路(HetNet)的新架構，才能滿足廣域行動網路的基本設計要求。

現階段，天線陣列、Massive MIMO和波束控制等新興RF天線技術，以及微型基地台(Small Cell)，幾乎已成為5G網路必要元素。包括電信營運商、網通設備業者、全球通訊標準組織和學術機構皆傾力投入研究，期大幅擴充基地台資料吞吐量，並能以波束控制技術，集中控制天線陣列的訊號發射方向以提高傳輸效率，同時利用大量部署的Small Cell做中繼站，以延展毫米波訊號傳輸距離，提高網路覆蓋率。

Hall分析，5G技術基於大規模天線和節點控制，因此在網路原型設計階段，研究機構須透過具備高運算效能、可編程軟體控制，以及時序和同步精準度達10-10?10-12秒等級的儀器才能驗證。這也是目前各國5G實驗室相繼導入LabVIEW加PXI自動化測試平台(圖5)的主因；其中，NSN、三星和NYU WIRELESS已在今年NIWeek發表多項研究成果。

圖5　5G行動通訊測試平台架構

現階段，各國皆馬不停蹄投入32GHz、38GHz或60GHz以上頻段的5G網路架構原型設計，期加速驗證技術可行性，以搶先掌握5G標準核心專利。Hall透露，該公司在NIWeek活動中，發布新款頻寬高達765MHz，並支援至26.5GHz頻率的RF訊號分析儀，就是針對5G高規格測試需求所做的重要布局，這一步可望讓美商國家儀器在當前5G網路原型設計案相繼啟動之際，搶先卡位市場，並收集大量研究資料，以縮短未來開發5G行動裝置量產端測試設備的技術學習曲線。

美商國家儀器近期更發表新版圖型化系統設計軟體平台-- LabVIEW 2014，將大幅提升PXI自動化測試方案性能與應用彈性，應對更複雜多元的5G測試挑戰。

LabVIEW 2014領軍　 PXI自動化測試儀迎戰5G

LabVIEW 2014除增強自動編程功能，協助工程師縮短研發與測試時程外，並增添大量開發工具及應用程式，同時強化個別儀器的時序與同步控制能力，有助增強整個PXI自動化測試系統性能，進而加速克服5G網路原型設計及相關技術驗證難題。

美商國家儀器LabVIEW開發者認證資深經理Jeff Phillips補充，此次LabVIEW 2014的更新著重三大層面，首先是強化自動編程功能，讓設計人員快速選取電路上各個功能區塊並自動連結，從而縮短開發時程；其次係拓增大量開發工具套件，以滿足各種自動化測試、嵌入式監控、硬體迴路和即時測試需求；最後則是引進新的LabSocket，讓LabVIEW與網路瀏覽器實現緊密結合。

此外，美商國家儀器近期致力發展LabVIEW RIO架構，利用系統單晶片(SoC)現場可編程閘陣列(FPGA)、高速類比和數位輸入/輸出(I/O)，積極在LabVIEW加PXI平台基礎上增加硬體性能。

Truchard分析，專注於追求高速硬體設計的傳統單機量測儀器，將難以因應未來世界既複雜又艱難的應用測試，同時也無法滿足半導體供應鏈、系統開發商對客製化量測功能及快速降低設計成本的要求；反觀該公司一向以圖型化軟體--LabVIEW為技術核心，再搭配PXI模組化架構，可靈活擴展RF訊號擷取/分析、FPGA平行運算與嵌入式控制能力。

尤其5G網路測試須藉由大量分散式儀器擷取訊號並做控制，使儀器之間的時序控制和同步精確度變得格外重要。對此，Truchard認為，一般單機儀器因軟硬體自成一個獨立系統，要達到幾近無延遲的同步相當困難；此將突顯PXI自動化測試方案的價值，可望逐漸躍居5G測試方案主流。