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高頻毫米波技術應用與產品驗證
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無線通訊朝向更高速更大頻寬需求邁進,然而頻譜利用於6GHz以下的中低頻段已非常擁擠,於是30GHz以上的毫米波應用成為未來無線通訊技術的重點,下世代的Wi-Fi 802.11ad/WiGig與第五代行動通訊(5G)技術,都會採用高頻毫米波技術,5G更以此將傳輸速率提升到最高20Gbps,屆時,一部藍光電影僅20秒就可以下載完畢,而運行高畫質的直播或VR影片也沒有任何問題。 

只不過,毫米波技術隨高頻段特性而來的技術缺陷還有待克服,包括高頻路徑損失(Path Loss)、傳輸耗損(Propagation Loss)、穿牆性(Wall Penetration)等;另外,高頻元件的材料、效能、耗電等也有待突破。因此,本活動邀請研究單位與技術領先廠商擔任講師,剖析如何克服高頻毫米波技術瓶頸、技術發展現況與應用趨勢,測試驗證架構暨發展前景等。 

圖1 資策會系統所廖書漢博士表示,第五代行動通訊涵蓋範圍更甚以往,可說是引領未來10~20年高科技產業發展的動能。
3GPP主導5G技術發展 

從1998年開始,由全球主要國家與電信、通訊廠商組成的3GPP,成為國際授權頻段無線技術標準最主要的制定組織,接下來的5G也一樣在其推動下,逐步發展出正式的技術規範。第五代行動通訊涵蓋的範圍更甚以往,可以說是引領未來10~20年高科技產業發展的動能,資策會系統所廖書漢博士(圖1)表示,3GPP標準組織架構包括項目合作組(PCG)和技術規範組(TSG)兩類,負責技術制定的TSG又細分為四個:負責EDGE無線接入網(GERAN)、無線接入網(RAN)、系統和業務方面(SA)、核心網與終端(CT)。 

5G標準的制定從2015年9月在美國鳳凰城的3GPP Workshop on 5G正式確認三大發展目標,標準制定工作於焉展開,台灣此次也積極早期參與,希望能在5G時代扮演更重要的角色。廖書漢指出,3GPP有一套制定標準的嚴謹流程,除了依照技術特性分組之外,一般標準制定前都會將技術架構透過研議階段(Study Item),讓相關會員了解技術的價值與必要性,確認之後才進入實質制定的工作階段(Working Item)。 

另外,3GPP也將技術內容與相關文件都詳細分類並開放各界查詢,所有關心的專業人士都可以查詢公開的技術規格與標準結果。在與未來傳輸速率關係最直接的5G新無線電(New Radio)技術的制定部分,會影響通訊協定第一層(L1)的目標功能需求(Functional Requirements)在2017年3月已完成。在獨立與非獨立新無線電架構下,通訊協定第一層(Layer 1, L1)與通訊協定第二層(Layer 2, L2)應完成共同基礎技術的第三階段(Stage 3)的設計。其中,共同的第三階段設計目標完成時間是2017年12月。而獨立NR架構相關的元件或準則第三階段的設計目標完成時間為2018年3月,獨立NR架構完成目標期限為2018年6月。 

圖2 是德科技(Keysight)資深專案經理張式先說明,6GHz以下的中低頻段已占滿各式應用,要找到連續空閒的頻段非常困難。
毫米波技術挑戰高 

由於技術逐漸成熟,許多無線通訊技術近年都不約而同往高頻毫米波的應用發展。從毫米波的物理特性來觀察,是德科技(Keysight)資深專案經理張式先(圖2)說明,6GHz以下的中低頻段已占滿各式應用,要找到連續空閒的頻段非常困難,因此往高頻段發展就成了未來的趨勢。 

高頻毫米波在物理上的特性與6GHz以下無線電波不同,張式先說,毫米波的功能技術特性包括:高頻寬(Broad Bandwidth)、大且連續的頻段(Uncluttered Spectrum)、高訊號分辨率(High Resolution)、天線尺寸小(Small Antenna Size)、高整合度的SoC(Compact Integrated mmWave SoC)、大規模MIMO/波束成形(Massive MIMO/Beamforming)、高指向性(High Directivity)、大氣特性(Advantageous Use of Atmospheric Properties)等。 

這些特性部分有助於提供高頻寬與5G更好的使用經驗,有些則帶來許多技術瓶頸與挑戰,例如高頻路徑損失、毫米波應用經驗少且特性掌握度低、容易折射與散射(Reflection and Diffusion)、身體遮蔽與握持阻斷訊號、更小更脆弱的電纜/轉接器和配件、成本高、毫米波天線與前端整合、毫米波波束成形校準(mmWave Calibration for Beamformining)等等。 

圖3 SGS全球OTA技術主管廖兆祥認為,大規模MIMO天線透過陣列的方式,形成指向性波束,克服毫米波訊號衰減問題。
Massive MIMO為關鍵技術之一 

因應毫米波頻率高、波長短、傳輸距離短且訊號易受干擾的特性,必須採用許多新技術與設計加以克服,並提供穩定的高速傳輸速率,其中大規模多重輸入多重輸出(Massive MIMO)天線就是最常被提到的一種,SGS全球OTA技術主管廖兆祥(圖3)認為,MIMO是近年相當普遍的天線傳輸技術,大規模MIMO的天線數量在64支以上,透過陣列的方式,形成指向性的波束,以克服毫米波訊號衰減問題。 

Massive MIMO最主要的目的就是要藉由多天線訊號的傳送與接收,強化訊號速率與強度,未來5G基地台的陣列型天線設計形式將由4G的2D形態天線走向3D,錐形、圓柱形等各式不同的陣列天線會產生不同的訊號波束,成本會增加,但由於Massive MIMO天線具備高度指向性,所以透過波束成形技術,將能量集中在終端設備所在,可以有效提升能量效率。 

未來5G系統將同時採用6GHz以下的中低頻段與高頻毫米波頻段,廖兆祥指出,Massive MIMO資料的接收和傳輸並完成編碼為一大挑戰,也就是如何把通道狀態的資料從接收器傳送到傳輸器,以便預先完成編碼。因此透過以下方式:靈活的軟體定義無線電(Software Defined Radio, SDR)可擷取並傳輸射頻訊號;無線電站之間可達到準確的時間與頻率同步化;高輸出率的精確匯流排,可遷移並彙整大量資料;出色的處理效能可以用於實體層與MAC執行,藉此滿足即時效能需求。 

圖4 羅德史瓦茲技術開發部副理許銘仁進一步說,遠場量測的產品體積越大,頻率越高,所需量測距離越長。
高頻毫米波訊號測試挑戰高 

毫米波因為頻率高,每個天線之間的距離也隨頻率大幅縮短,天線的間距是二分之一波長,天線面積與間距大幅縮小,可以實現如前所述的Massive MIMO與小型基地台。不過要知道天線的設計是否適當?天線訊號的測試驗證就變得相當重要,一般而言,遠場量測所需的距離與產品的體積與頻率成正比,所以產品體積越大,頻率越高,所需要的量測距離越長,一般的量測實驗室無法建置這麼大的量測環境。 

羅德史瓦茲(R&S)技術開發部副理許銘仁(圖4)進一步說明,過去900MHz的手機只需要6公分左右量測距離,到了60GHz以上的V-band,將需要4公尺的測試距離,若待測物體積大,如基地台收發系統,過去900MHz時需要6公尺的距離,到了60GHz頻段,則需要400公尺,幾乎是兩座山頭。而測試方式則分為室外遠場(Outdoor Far-Field),環境較好建置,但易受干擾;室內遠場(Indoor Far-Field),可建置不受干擾的環境,但高頻產品就難測試,因此也有人採用緊縮場(Compact Range),透過訊號反射,將遠場測試的距離大幅縮小;還有近場(Near-Field)測試方法,可將測試結果透過公式轉換。 

在量測誤差部分,毫米波相較於低頻訊號更容易出現誤差,許銘仁說,主要原因就在高頻訊號的配對並不好做,一旦儀器與待測物配對產生誤差,測試結果就會出現誤差,解決方法有兩個,一是在路徑上加一顆衰減器,二就是頻率響應校正(Frequency Response Correction),可有效降低量測誤差。 

圖5 諾基亞技術總監陳銘邦指出,未來5G網路,是高度應用驅動的架構,所以網路切片(Network Slicing)概念非常重要。
2018年5G標準如期現身 

5G是未來幾年科技產業發展的重要趨勢,但除了傳輸速率之外,5G還可以達成更多過去做不到的功能,諾基亞(Nokia)技術總監陳銘邦(圖5)舉例,遠距開刀(Remote Guaranteed Surgery)、更觸動人心的網路應用(A Touchy-feely Internet)、自駕車(Self-driving Cars)、無人機(Drones)、虛擬實境(Virtual Reality)、受保障的使用體驗(Guaranteed Awesomeness)、家用寬頻(Home Broadband)。 

在3GPP的規畫中5G的第一個版本將在Release 15版本正式推出,其中又分成非獨立式(Non-standalone)規格在2017年底前完成,獨立式(Standalone)規格會於2018年6月完成,合起來就是第一個完整的5G技術架構。陳銘邦說明,非獨立式與獨立式新無線電(New Radio, NR)差異在於,有沒有兼容4G的核心網路與基地台,非獨立式的NR,會利用LTE的核心網路EPC與基地台,同時將控制指令(Control Plane)與資料(User Plane)分流處理。 

未來5G網路,是高度應用驅動的架構,所以網路切片(Network Slicing)概念非常重要,因應不同的需求提供不同的傳輸速率、網路延遲等。陳銘邦解釋,5G的調變應該會延續4G LTE採用OFDM,完全支援波束成形,頻譜應用從400MHz~90GHz,每個通道頻寬在6GHz以下頻段是100MHz,6GHz以上頻段可達400MHz,也支援網路切片與雲端運作。 

圖6 工研院資通所技術副組長陳文江說,2014年以前業界對於發展毫米波產業應用,多有質疑包括訊號損耗、成本太高等。
毫米波發展潛力無庸置疑 

高頻毫米波的應用現在已經是確定的趨勢,工研院投入的時間在2014年,工研院資通所技術副組長陳文江(圖6)說,當時在跟業界推廣毫米波的產業應用時,還有滿多雜音與質疑,包括毫米波的損耗、成本太高,不過到2015年這類質疑逐漸減少,可喜的是,與過去許多無線技術的發展來說,台灣這次投入並不算晚。 

5G網路架構在一個簡單的概念下,陳文江形容,就是在都市開很多的路與在鄉村開很大的路。6GHz以下的中低頻就像都市,透過異質網路還有更彈性的網路配置,讓聯網更方便可靠;而高頻毫米波就是鄉村,過去這裡地廣人稀,所以利用大頻段提供高傳輸速率。近期在毫米波頻段的應用上,比較有共識的是28GHz,大概有850MHz的可用頻段,另外就是38GHz的頻段,可用頻段約3GHz。 

5G一定會應用大規模的陣列天線,同時採用波束成形技術,以38GHz陣列天線為例,每個天線的大小約0.38公分,8×8的64根陣列天線約3.2×3.2平方公分,面積很小,但是天線越多訊號就越集中,因此每個波束就會更小,要如何讓訊號對準終端,必須要加入波束追蹤(Beam Tracking)技術,透過快速的掃描與相位變換,讓傳輸與連結不致因為終端的移動而中斷。 

綜觀未來5G毫米波的發展趨勢,陳文江解釋,毫米波相關技術與元件的整合度很高(Tightly Integration);另外,所有射頻前端的IC都是系統化的,包括天線、功率放大器與RF IC等,連設計都很難分開;更低的功率放大器(PA)輸出,與更高的天線陣列增益;波束掃描式的波束追蹤;智慧化的波束成型;線性化(Linearization)的功率放大器與模組化的相控陣列天線(Modular Phased Antenna Array)。 

圖7 明志科大電機系助理教授姜惟元指出,除了未來的5G系統之外,因為技術的突破,高頻微波將有更廣的應用發展。
毫米波應用多元廣泛 

毫米波因為5G的發展而備受矚目,事實上,相關的技術與應用在航太與軍事領域發展已久,明志科大電機系助理教授姜惟元(圖7)指出,除了未來的5G系統之外,因為技術的突破,高頻微波未來將有更寬廣的應用,24GHz就會是一個可以發展的頻段,24~24.25GHz已經被指定為ISM頻段,因為24GHz剛好是大家熟知的2.4GHz的10倍,訊號吸收也快10倍,能量集中度高100倍,效能吸收理論值可達1,000倍。 

毫米波發展與半導體材料也息息相關,從能帶隙(Bandgap)來觀察,最普遍的半導體材料矽(Si)能帶隙僅1.11eV,所以很難做為高頻元件的材料,砷化鎵(GaAs)能帶隙1.43eV生產毫米波元件也非常吃力,近年發展逐漸成熟的碳化矽(SiC)能帶隙高達3.26eV,不過其材料穩定,電子遷移率低,也難以成為毫米波元件材料,近年呼聲最高的氮化鎵(GaN)能帶隙高達3.42eV,電子遷移率也高,是未來實現毫米波元件的重要材料。 

此外,毫米波的微波源透過類似微波爐的方式,可以快速加熱,姜惟元說,病蟲害防治就是一個方向,利用24GHz的微波可以在5秒加熱到55度,用來殺死米倉裡的米蟲、蟲卵,而且不會對米造成傷害,用2.4GHz就要800秒,如果使用其慢慢加熱,就可能連米都受到熱傷害。毫米波的元件也因此有幾個特性就是尺寸變小、整合度變高、能量掌控能力變高、熱效應問題等。 

圖8 國家儀器大中華暨東南亞區域技術經理連俊憲認為,毫米波還存在很多技術瓶頸,但最重要的市場因素還是成本。
毫米波元件設計挑戰仍高 

即便毫米波已經成為無線通訊技術發展的重點,且毫米波的商業應用大概從20年前就開始推動,截至目前為止,毫米波還存在很多技術瓶頸,國家儀器(NI)大中華暨東南亞區域技術經理連俊憲(圖8)認為,最重要的因素還是成本,除非有一個重量級的業者提出一個消費者喜愛的應用,獲得產業鏈的支持,讓技術瓶頸得以突破,業者大量投入,以致毫米波產品成本大幅降低,否則毫米波要商業化應用應該還需要5~10年。 

高頻毫米波電路設計還存在三大挑戰,分別是金屬導體損失(Conductor Loss)、介電質損失(Dielectric Loss)、輻射損失(Radiation Loss),主要都是因為高頻電路許多特性與中低頻不同,需要新的材料、技術、設計方法、製程等加以突破。另外,基於波長的匹配元件,尤其是一些傳輸線;過去部分在低頻難以實現的元件如波導(Waveguide)未來也可以實現;毫米波元件電路微縮,電路變細、電路板變薄,所以訊號精準度也被要求越來越高。 

另外,封裝效應(Packaging Effect)避免高頻阻抗變高,封裝也要採用更高階的技術;連接器(Connector)另外還有一些驗證工具如SOLT、TRL與測試板的設計等。5G的發展會帶來很多新的概念,從設計與測試角度來說高頻率與高頻寬都帶來更多新的挑戰,不過上述這些挑戰,同時也帶來更多新的商機,預計在廠商的投入之下,毫米波元件價格會越來越便宜,也更接近市場可以接受的甜蜜點。

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