5G 5G NR NB-IoT LTE CA mmWave MIMO

Mobile IoT關鍵技術開發論壇特別報導

5G行動物聯網前哨戰開打 SIMCom次世代M2M方案出籠

2019-09-25
5G商用服務邁大步。5G行動物聯網的基地台基礎建設、電信服務接連啟動,就連終端設備亦相繼出籠,為M2M提前帶來一波商機爆發。看準此商機,M2M模組廠商不僅提供模組硬體方案,同時還支援EAT應用系統,促使5G行動物聯網發展飛快成長。

根據GSMA的預測,5G在未來15年將帶動全球經濟高達2.2兆美元產值,影響層面遍及各類型應用,大頻寬、低延遲、大量連結等特性也將在車聯網、智慧城市、共享經濟、智慧製造等領域大顯身手。5G技術不僅將無線通訊效能大幅提升,更帶動龐大規模的市場商機。

M2M模組供應商芯訊通(SIMCom)多年來致力於2G/3G/4G以及衛星定位等多種技術方案研發。為協助台灣廠商快速掌握下一波科技產業搖錢樹,本文將深入剖析5G產業發展動態與LTE-A M2M模組關鍵技術開發對策,完整探討5G/LTE-A技術產品布局關鍵,協助設備商在下世代行動通訊潮流中,找到了一個乘浪而起的新機會。

芯訊通無線科技總裁楊濤(圖1)表示,該公司是最早投入5G的模組商,亦是整個通訊模組產業中投入資源最多的廠商,在公司成立至今已先後投入20億以上人民幣。在經營面上,已獲得晶片商、電線商及相關供應鏈的肯定與支持,面對席捲而來的5G行動物聯網網路商機,SIMCom已做好萬全準備,搶占5G市場大餅。

圖1 芯訊通無線科技總裁楊濤表示,該公司已做好萬全準備,搶下5G市場版圖。

蜂巢式網路備受看好 IoT聯網三管齊下

芯訊通國際銷售部副總經理李斌(圖2)表示,物聯網技術可分為三大塊,一是以基地台為基礎,提供蜂巢式網路連接的技術;二則以藍牙、Wi-Fi短距聯網為主,採用量是所有聯網技術最大宗;第三為通訊衛星,例如GPS應用。整體看來,蜂巢式網路成長速度最快。根據愛立信(Ericsson)2018行動報告及ABI預測,2024年蜂巢式物聯網連接數將達到41億,每年將以27%的速度成長。

圖2 芯訊通國際銷售部副總經理李斌表示,2020年東京奧運將帶動5G發展。

從目前蜂巢式物聯網提供的服務看,以性價比因素作為考量基礎,2G仍舊是目前全球蜂巢式物聯網最主要的連接方式,占據所有連接數的42%,其中中國移動2G連接占據全球2G蜂巢式物聯網連接的大部分,主要應用包括個人醫療設備、追蹤器與OBD等應用。雖然2G價格價低廉,但陸續有多個國家相繼終止電信2G和3G服務,以備戰更高頻段與更快速的網路布建。電信商逐步2G退網計畫,預計2025年2G連接數迅速降到0%,NB-IoT/LTE-M接手迅速成長。

全球主流電信商LTE/LTE-A網路逐步完善,以及使用者端移動資料量逐步提升,需要更高的頻寬和低延遲蜂巢式物聯網技術提供支援和服務,主要應用包括安防監控、車聯網、T-BOX、車載DVR、行動支付、無線閘道器、工業DTU。

滿足LTE-A/LTE-A Pro CA/MIMO技術不可少

LTE-A技術與LTE技術保持良好的相容性,同時可以提供更高的峰值速率和輸送量,下行的峰值速率可超過1Gbps,上行的峰值速率為500Mbps,從而實現更高的頻譜效率。整體看來,LTE-A關鍵技術包括載波聚合(CA)、64正交振幅調變(QAM)、甚至256QAM等先進無線技術、單載波調變(SC-FDMA)與正交頻分多重接取技術(OFDMA)方式。

芯訊通無線科技產品部市場產品經理嚴永傑(圖3)談到,傳統的Cat.4不具備載波聚合的能力,只能提供20MHz頻寬;而LTE-A與LTE-A Pro則導入了載波聚合技術,其LTE可支援兩個20MHz的無線電通道(Radio Channel),4G網路速率提升兩倍,相同的LTE-A Pro則是支援三個無線電通道,其網路速度提高四倍之多。SIMCom針對LTE解決方案主要鎖定在無線閘道器、筆電、線上直播串流裝置、4G CPE、影像監控及工業平板電腦等應用。

圖3 芯訊通無線科技產品部市場產品經理嚴永傑指出,CA是影響LTE-A/LTE-A Pro效能的關鍵技術。

2020年5G方興未艾 SIMCom聚焦四領域

李斌認為,2019年是5G爆發元年,同年6月澳大利亞宣布採用sub-6GHz,而美國Verizon開始進行毫米波實驗。以全球5G發展來看,預計sub-6GHz將發展較為快速。在2020年日本東京奧運的驅動下,5G進展將愈趨明朗化,預估5G手機也會如雨後春筍般冒出頭來,加速5G鋪天蓋網的布建。

李斌分析,該公司5G的布局可分為四個領域,包含在終端裝置提供演算法的智慧(Smart)能力、增強型行動寬頻通訊(eMBB)、大規模機器類型通訊(mMTC)與汽車(Automotive)等。主要搭配高通(Qualcomm)與聯發科(MediaTek)的晶片,提供5G毫米波(mmWave)、5G sub-6GHz、LTE、C-V2X、NB-IoT、LTE-M與定位解決方案。

芯訊通無線科技硬體總監王國強(圖4)表示,5G頻譜主要分成sub-6GHz頻段(3.3GHz~5GHz)及毫米波(24~40GHz)頻段。頻段越來越高天線尺寸越小,傳輸能量也會跟著變少。為了幫助5G毫米波接收訊號可維持一樣,則須採用更多天線,形成大規模多重輸入多重輸出(Massive MIMO)設計,提高訊號接收的能力,但這也導致方向性變差的問題。基於此,Massive MIMO搭配波束陣列(Beamforming)技術,將能有效把最大能量訊號指向終端,抵抗不同用戶之間干擾並提高天線增益。

圖4 芯訊通無線科技硬體總監王國強表示,Massive MIMO、波束成形將助於解決毫米波訊號衰減問題。

王國強指出,搭配Massive MIMO還有一個關鍵技術,就是探測參考訊號(Sounding Reference Signal, SRS)。傳統天線對上行傳輸(Uplink)沒有訊號探測功能,不過在5G NR的規範中,發展出天線探測技術,使裝置發射訊號時,在不同天線之間會不停切換,方便網路設計統計通過信道的預估數據,進而優化參數。相比於沒有SRS功能的天線設計,離天線最遠的裝置可獲得40%天線增益。

SIMCom 5G通訊模組的毫米波天線主要採用高通天線模組方案,主要有兩類型的天線模組規格,一種是QTM525-2支援雙頻n257、n258;另一種是QTM525-5三頻模組,支援n258、n260和n261。

王國強談道,一個毫米波天線需要兩個中頻訊號,中頻訊號頻率須高達10Gbps,對於該公司模組來說,必須支援4組天線的數量,故須額外增加8根天線接口。另一方面,若是sub-6GHz方案則須額外增加6根天線,假使設計成4根天線,則須要外加分頻器,此設計方式將帶來額外的訊號損失及功耗增加等問題。通常終端廠商使用毫米波天線時,對於中頻訊號的損耗要求小於7dB,且每個天線模組的中頻訊號之間需要有35dB的隔離。

EAT應用系統加持 降低通訊模組成本及功耗

芯訊通無線科技模組應用技術總監孔凡兵(圖5)表示,SIMCom近期推出新的EAT(Embedded Application Task)應用系統方案,讓某些終端產品在通訊模組上執行MCU功能,進而降低開發成本、功耗、縮小裝置體積,再者C語言程式設計容易移植。

圖5 芯訊通無線科技模組應用技術總監孔凡兵談到,EAT應用系統將有助於降低系統成本開發及功耗。

如何運行EAT應用系統呢?孔凡兵指出,EAT執行方法很簡單,首先開放通訊模組部分的運算能力或數據儲存,讓之前運行於MCU上的應用程序或Task嵌入至模組中,意味著在某些應用領域中,可採用通訊模組的能力取代部分MCU的功能,進而節省MCU成本。

舉例來說,過去有客戶在做煙霧感測器,可能要增加一顆5~6人民幣的MCU與通訊模組形成無線煙感應用。但有了EAT應用服務,該廠商可能僅須購買一個通訊模組,除了支援通訊功能之外,同時還提供雲平台交互的任務,以及部分低階MCU數據採集功能。

對於競爭劇烈的通訊模組產業,單就1~2人民幣的通訊模組費用就讓設備商難以取捨選用方案,透過EAT應用系統優化成本,並節省MCU體積與耗能,其能在通訊模組的紅海市場中,創造另一波成長高峰。

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