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高頻導致功耗/重量激增 5G基地台挑戰布建難題

2018-12-25
2018年6月5G R15規格底定,英國、韓國與美國等國家陸續啟動5G頻譜拍賣,而各國電信商與設備業者也持續投入5G基礎建設開發,盼能加速5G服務商用化時程。5G商用頻段朝更高的頻段發展,因此可提供大頻寬、高傳輸速率與低延遲的服務,但高頻特性同時也為5G基地台從設計、開發、布建到日後設備維護帶來全新的挑戰。

2018年6月5G R15規格底定,英國、韓國與美國等國家陸續啟動5G頻譜拍賣,而各國電信商與設備業者也持續投入5G基礎建設開發,盼能加速5G服務商用化時程。5G商用頻段朝更高的頻段發展,因此可提供大頻寬、高傳輸速率與低延遲的服務,但高頻特性同時也為5G基地台從設計、開發、布建到日後設備維護帶來全新的挑戰。

5G朝高頻段發展

5G頻譜包括6GHz以下以及6GHz以上的毫米波頻段,依照各國現階段釋出的頻譜來看,首波釋出的頻譜6GHz以下以3.4GHz~3.8GHz為主,而毫米波頻段則以24.75~27.5 GHz及28GHz最為熱門。

遠傳電信網路暨技術群區域維運處資深協理郭峻杰(圖1)表示,為了尋求更大的可用頻寬以提供更高品質的通訊服務,行動通訊不斷朝高頻發展。而隨著頻率越來越高,訊號的特性也會有所改變,不論是3.4GHz~3.8GHz頻段還是毫米波頻段,其訊號穿透性、傳輸距離都較4G主要幾個頻段(700MHz、900MHz以及1800MHz)還要差。因此,若要提供5G大頻寬、高傳輸速率與低延遲的行動服務,必須因應頻譜與訊號特性做出更精密的考量與規畫。

圖1 遠傳電信網路暨技術群區域維運處資深協理郭峻杰表示,行動通訊演進的同時,也持續朝高頻段發展。

因應高頻訊號特性 5G基地台設計大有不同

在5G發展初期,有許多討論著重在毫米波頻段為5G基地台與終端裝置所帶來的設計挑戰。毫米波屬極短波長且極高頻率的載波通訊,是除了多天線、多工調變方法之外,另一個能直接大幅提升資料傳輸速率的途徑。不過,毫米波技術也因其物理特性而面臨到傳輸路徑損耗(Path Loss)、集膚效應(Skin Effect)等問題,導致通訊距離短、覆蓋範圍小、易受干擾且易被人體及建築遮蔽。

事實上,5G 3.4GHz~3.8GHz的頻段也面臨到上述挑戰,諾基亞(Nokia)行動網路事業部解決方案經理黃世翔(圖2)進一步解釋,即使以3.5GHz頻段來看,也比4G常用的900MHz以及1800MHz頻段還要高,通訊距離與訊號的穿透性都會有所影響。此外,各國釋出的3.4~3.8GHz頻譜頻寬約落在100~300MHz,比毫米波頻段動輒800MHz的頻寬還要小,因此若要利用3.4~3.8GHz的頻段,提供低延遲、大傳輸量的5G服務,會面臨到的挑戰並不亞於毫米波。而5G行動通訊導入大規模陣列天線(Massive MIMO)、波束成形(Beamforming)等技術,就是為了要克服上述問題。

圖2 諾基亞行動網路事業部解決方案經理黃世翔指出,5G基地台開發在5G 3.4GHz~3.8GHz的頻段也面臨諸多挑戰。

談到5G大型基地台與4G大型基地台在設計上的差異,黃世翔表示,5G與4G基地台的差異來自於5G基地台導入Massive MIMO技術。雖然4G時代也有使用Massive MIMO技術,但並不普遍。而要探究Massive MIMO技術為5G基地台設計帶來的變化,可以從天線陣子數、天線通道數以及天線系統的類型三個面向切入。

為克服高頻訊號所帶來的挑戰,5G基地台的天線陣子數大幅增加,約為4G基地台的2~3倍。據了解,4G基地台天線陣子數最多達64個,而現階段開發的5G基地台天線陣子數最多達198個。天線陣子為輻射單元,黃世翔比喻,天線陣子就像是電暖器的葉片,葉片數量越多,電暖器供熱的效果就會越快、越好,而天線陣子數的增加,可提升高頻訊號的覆蓋範圍。

另外,為提供大寬頻的通訊服務,5G基地台的天線通道數也會大幅增加。從目前的發展來看,現階段5G商用天線通道數最多達64TRx,除了大型的64TRx天線系統外,5G基地台也會採用16TRx、32TRx天線系統進行布建;而4G基地台常見的規格則為2TRx、4TRx及8TRx天線系統。換句話說,5G基地台的天線通道數比4G時代提升8倍左右。通道數的增加除了可提升系統傳輸的流量,也可藉由Massive MIMO技術實現波束成形,更精準地控制波束,進而減少訊號間的干擾。

至於未來5G基地台的天線通道數是否會朝64TRx以上發展,黃世翔說,從實際發展情況來看,現階段最多只會用到64TRx。原因是天線數量增多,基地台的功耗、尺寸與重量也會跟著增加,但從目前研究與測試的結果看來,天線通到數增加至64TRx以上,增益效果有限。

5G採主動式天線系統 天線/射頻元件大幅整合

除了天線陣子數與通道數之外,5G天線系統的類型也與4G天線系統有很大的差異,4G基地台採用被動式天線系統,天線系統只包含被動元件,而5G則採用主動式天線系統(Active Antenna System),將主、被動元件整合進天線系統。

工研院資通所新興無線應用技術組組長丁邦安進一步說明,為避免將過多的元件安裝在電塔的高處,傳統基地台在設計上,會將天線與功率放大器等射頻元件分開,將射頻元件系統安裝在較低處,再透過纜線(Cable)將訊號傳輸至天線系統,方便設備維護。雖然訊號透過纜線傳輸的過程中會有損耗的情形,但4G採用的頻段較低,所以耗損情況並不嚴重,可透過訊號校準來修正。

5G大型基地台開發三大挑戰

不過,他也指出,隨著5G朝高頻段發展,訊號耗損的情形將越來越嚴重。而為解決傳輸路徑耗損的問題,5G基地台在設計上會將天線與射頻元件整合在一起。而這項設計的改變,卻也為5G基地台在開發與布建上帶來新的挑戰。

5G基地台採用Massive MIMO技術,天線數量大幅提升,同時也將射頻元件整合進天線系統中,因此天線系統的功耗、重量與尺寸勢必增加。但由於現存的基站載重、可供電量與空間都有限,若要將5G基地台融入現存的基站,必須設法降低5G基地台的功耗、重量以及尺寸。

而其中又以功耗與重量的問題最為棘手。黃世翔解釋,雖然5G基地台將導入更多的天線,但從物理特性來看,頻率越高天線尺寸會越小,因此天線系統的尺寸不會增加太多。

然而,在功耗的部分,由於5G天線數量大幅增加,同時又整合更多的主動元件,導致功耗大幅提升。從目前開發的情況來看,Massive MIMO系統的功耗約1000W,是4G天線系統的兩至三倍。而Massive MIMO系統的重量更高達40kg,比傳統的10~15kg高出兩至四倍。而外國研究單位也預估,在天線系統重量達40kg的情況下,將有40%左右的現有站址必須改建。

黃世翔也談到,天線系統必須將資料傳送至基頻(Baseband)做進一步的處理,然而,5G的頻寬與天線通道數都比4G大,因此傳輸量也比4G大許多。而部分天線系統與基頻距離較遠,在此情況下,5G的大流量將會帶來龐大的傳輸負載。為解決此問題,在設計5G基地台架構時,會將更多的處理功能放導入天線系統中,讓資料經過初步處理、壓縮後再傳送至基頻,以減輕網路架構的傳輸負載。不過,這麼做卻也導致天線系統的功耗與重量增加,使得天線系統的功耗與重量成了一大難題。

為克服Massive MIMO系統所帶來的功耗與重量問題,電信設備業者也持續投入研發,以Nokia而言,其推出的第二代5G基地台,在重量上比第一代減輕15%,功耗也降低了20%。此外,目前該公司也投入射頻IC(RFIC)技術的研發,利用電路板將射頻元件整合成IC封裝,取代傳統天線系統大量的元件。Nokia預估,RFIC技術可降低50%的天線系統重量,功耗也會降低。黃世翔表示,目前5G基地台的RFIC技術,仍在開發的階段。而若能成功量產,將為人口密集、站址空間與供電量有限的國家帶來許多幫助。

5G商轉須逐步克服布建/維修挑戰

5G基地台在開發上面臨諸多新挑戰,但丁邦安認為,在產業共同努力之下,勢必能藉由新興技術突破開發上的瓶頸。相較之下,5G基地台在實際布建與設備維護上,可能會遭遇更多難題。

如上所述,過去電信營運商在布建基地台時,不會將射頻系統掛在制高處,以利進行設備的拆卸與維修;此外,將天線與射頻系統分離,也可減少天線因迎風面過大而被強風吹毀的情形。然而,為因應高頻訊號特性,5G基地台將天線與射頻系統整合在一起,導致射頻元件布建的高度變高,且天線系統的重量也更重,拆卸更為困難,維修挑戰更高。而這也是5G商轉過程中須一一克服的挑戰。

對此,郭峻杰也從電信營運商的角度分析,他指出,系統要達到更高的效能,對於元件用量與功耗需求必然也會提升,舉例來說,5G的網路容量是4G的五倍,功耗也可能提升到五倍。從整體效益來看,不難理解5G電信設備功耗與重量大幅增加;但在實際的布建上,除了要評估現有站址的載重與供電量,還必須考量居民的觀感及設備維護等問題。因此,未來在進行布建時,電信營運商會依照該地區的網路用量需求以及現有基地台站址的條件去衡量,選用16TRx、32TRx或64TRx的天線系統,藉由多種天線通道數的搭配,提升布建的可行性與彈性。

不可否認要完成全區域的5G網路建設,對於電信營運商與設備業者而言都是很大的挑戰,因此郭峻杰強調,產業必須循序漸進,如同固網的部署一樣,從人口密集的區域著手,並不斷尋找更成熟的技術與更高效益的布建方式,慢慢完成全台且高密度的布建。

展望5G基地台市場發展

縱觀全球基地台市場,工研院產科國際所分析師陳梅鈴指出,由於目前5G商業部署剛起步,只有少數國家在進行區域布建,所以5G基地台的市場規模仍非常小,目前全球基地台市場仍以4G基地台為主。而根據市調單位的預測,要到2020年5G基地台的出貨量才會有明顯的提升,達到10%的市占率。

而在小型基地台方面,陳梅鈴表示,雖然有部分業者看好小型基地台在5G毫米波應用的發展潛力,但目前產業對於要運用毫米波大頻寬、低延遲技術,來提供什麼樣的服務,仍未有明確的方向,再加上市面上小型基地台的晶片解決方案少,市場需求不明顯,目前小型基地台市場發展呈現停滯狀況,可能等到晶片解決方案陸續推出、應用情境明確後,才會有進一步的發展。

對此,丁邦安也表示,從技術上來看,小型基地台確實可以扮演「補洞」的角色,以提升5G的覆蓋範圍。然而,從過去布建的經驗來看,小型基地台在商用布建過程中,可能會面臨土地取得不易、土地成本過高等問題;若將小型基地台布建在室內,民眾的接受度、維修成本與損壞的責任歸屬也將成為另一項難題。因此,他認為,小型基地台若要找到成功的商業模式,必須先跳脫「輔助大型基地台」的角色,朝垂直應用市場或強調資訊隱私的私有網路發展,也許能在「解放頻譜資源」的趨勢下,創造出成功的商業模式。

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