5G 5G NR 毫米波 eMBB uRLLC mMTC NSA SA mmWave EIRP OTA CATR

5G商機蓄勢待發 毫米波終端開發衝一波

2019-10-08
5G訊號的衰減與覆蓋率出現許多漏洞,尤其是高頻毫米波應用,因此在過去大型基地台與終端裝置間,出現各式不同類型的網路設備市場機會,如小型基地台、戶外型CPE、室內型CPE與家用熱點,未來都是5G網路建設的一環。

5G商機隨著美、韓電信商的開台正式引爆。根據統計2019年底預計將有40個5G網路啟動商轉服務,2020年更將邁向大量開台,5G產品勢必跟隨相關服務大舉出籠。產業研究機構Strategy Analytics預測,5G市場將在2021年開始建立真正的發展動力,並於2024年占據無線通訊市場26%的營收比重,卡位5G商機已成為通訊晶片、網通設備、網路服務等廠商的發展重點。

毫米波(mmWave)是5G的應用重點之一,其高頻寬的特性可以大幅提升傳輸速率,但是高頻訊號易衰減的特性,也是現階段亟需克服的技術瓶頸;因此,5G基礎環境需要布建更多的網路節點,包括:小型基地台(Small Cell)、5G路由器/Access Point(AP)等,為台灣廠商帶來龐大的商機。本活動剖析5G毫米波技術發展趨勢,並挖掘5G小型基地台、路由器/AP等終端產品的關鍵技術與設計要點。

5G商轉進度快馬加鞭

過去4G LTE標準制定完成後約兩年,電信服務正式上路,然而第一版5G標準出爐僅一年左右時間,電信商已經推動商轉,Nokia客戶營運部技術總監陳銘邦(圖1)指出,5G進展速度明顯快過4G,截至2019年7月,已經有35個營運商在全球20個國家推出5G服務,市面上業已出現13種5G終端、39家製造商、4家5G晶片商、9款5G手機問世。

圖1 Nokia客戶營運部技術總監陳銘邦指出,5G標準出爐僅一年左右時間,電信商已經推動商轉,5G進展速度明顯快過4G。

從技術標準發展的角度來觀察,陳銘邦進一步說明,5G的發展大致是從高頻寬的eMBB,進展到高可靠與低延遲網路的uRLLC,最後一階段是大量連結的mMTC。3GPP的標準發展,R15最早推出非獨立式(Non-Standalone, NSA)架構,很快就會由中國的電信商為首轉換到獨立式(Standalone, SA)架構,2020年6月R16標準將全面優化第一版5G的效能,進一步推出工業物聯網(Indutrial IoT)、有線與無線融合、車聯網(V2X)、私有/專用網路、5G NR運行於非授權頻段等技術。

而R17版本內容將著重在發展比eMTC和NB-IoT具有更高傳輸速率、更高可靠性與更低延遲,比eMBB具有更低成本、複雜性且更為省電,也比uRLLC有更廣泛的覆蓋範圍的NR-Lite;高移動性與高海拔的網路延伸技術,人工智慧/機器學習5G網路,5G NR於52.6GHz以上的頻段的應用等層面,R15、R16及R17應該是5G的主要標準架構。

高頻毫米波是5G時代重要的應用之一,高頻寬能大幅提升行動通訊系統的傳輸速率,但高頻率短波長,讓毫米波不存在繞射的特性,訊號容易衰減,陳銘邦直言,毫米波傳輸在視線(Line Of Sight, LOS)範圍內的傳輸效能更容易顯現,在終端裝置距離基地台200~500公尺內,傳輸速率可達2~4Gbps。另外,在美國紐約的曼哈頓地區實際測試,直線視線範圍內的傳輸距離達到280公尺,非視線範圍有效傳輸距離只剩下90公尺,室內遇到障礙物的訊號衰減更加嚴重,5G基地台的建設位置與密度非常重要。

RF IC採CMOS製程整合度高

5G毫米波訊號傳輸產生瓶頸,基地台不能再像過去以大型基地台Macro Cell為主,更多短距、室內、小功率的接收裝置,將建構完整的5G毫米波網路架構。Anokiwave技術應用工程師陳柏嘉(圖2)指出,以有效全向輻射功率(Effective Isotropically Radiated Power, EIRP)50dBm為界線,高於這個標準大型基地台與小型基地台,EIRP超過50dBm,天線數量約64~256個,多建置於戶外,使用功率超過250瓦;戶外型的CPE、室內型的CPE與小型熱點(Hot Spot)等設備,EIRP不超過43dBm,天線數量約16~64個,耗電量在25W以內。

圖2 Anokiwave技術應用工程師陳柏嘉表示,更多短距、室內、小功率的接收裝置,將建構完整的5G毫米波網路架構。

陳柏嘉解釋,室內型的CPE一般體積較小,就像網路閘道器,價格約100~200美元,整體市場規模上看數千萬台;戶外型CPE價格較高,約500~1,000美元,由於裝置在戶外,通常會有防水設計,市場規模約數百萬台。Anokiwave提供這些裝置的核心RF晶片,採用CMOS製程,整合功率放大器(Power Amplifier, PA)、低雜訊放大器(LNA)、RF開關(Switches)等元件。

為了提升元件效率與系統功率,陳柏嘉說,Anokiwave的毫米波元件透過波束控制(Beam Steering)技術,可動態控制使用天線元件的數量。一般毫米波元件可能會使用砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)還有矽製作不同的元件,該公司使用一致的CMOS製程,搭配ZERO-CAL技術,能夠免除天線陣列校正,以及昂貴、不必要的工廠測試,並提升效能的可預測性。而一般系統設計時,最主要考量的問題不外乎:波束成形(Beamforming)、半功率波束寬度(Half Power Beamwidth, HPBW)、散熱、天線間距(Antenna Lattice Spacing)、饋線損失(Feed Loss)等。

毫米波應用克服阻擋衰減為關鍵

針對毫米波的電波特性,為了克服其易衰減的特性,從晶片到終端的設計都更為挑戰,耀登科技前瞻研發中心技術長周瑞宏(圖3)不諱言,要讓設計步入成熟的階段可能還需要三~五年。毫米波訊號遇到障礙物的衰減與產業對其通道特性不夠理解,是目前設計上遭遇最大的挑戰,未來技術若能有效克服,毫米波的應用必定可以加速發展。另外,毫米波陣列天線的設計,成為另外一個技術重點,由於陣列天線的應用過去以軍事與航太為主,設計邏輯與商用或終端產品不同,包括功率、體積、成本等都需要進一步改善。

圖3 耀登科技前瞻研發中心技術長周瑞宏說,毫米波訊號遇到障礙物的衰減與產業對其通道特性不夠理解,是目前設計上最大的挑戰。

而在大規模MIMO與陣列天線設計之後,訊號的校正也是另一個重點,設計商必須要有能力掌握訊號的表現,周瑞宏指出,這又與波束成形與波束追蹤(Beam Tracking)演算法的設計有關,傳統的類比波束成形演算法逐漸轉變到數位波束成形,近期又有研究指出兼顧兩者好處的混合式波束成形逐漸成為發展主流,新興演算法將更簡單有效地針對波束聚合與訊號追蹤進行改善。

耀登科技近年專注投入毫米波技術與產品開發,周瑞宏提到,該公司已經推出28GHz天線陣列模組,EIRP高於52dBm,2019年10~11月,也將進一步發表39GHz的產品。另外,耀登也已經發表28GHz CPE模組,EIRP可達40dBm,水平掃描角度可達各60o,未來希望EIRP可以持續提升至43dBm或更高。

RF元件整合度/效能兩難

5G聯網複雜度較4G大幅提升,各種聯網情境都需要更大頻寬與更低延遲的網路服務,英飛凌(Infineon)射頻及感測元件資深應用工程師許哲維(圖4)表示,5G將帶來全新的網路服務包括更高頻段、更大的頻寬,5G在6GHz以下的頻段以100MHz為單位,高頻毫米波每個頻段最高可達800MHz。另外,CP-OFDM調變技術將帶來更高的頻譜效率,下載與上傳都將應用更多MIMO,並導入28/39GHz的毫米波商業化應用。

圖4 英飛凌射頻及感測元件資深應用工程師許哲維表示,毫米波元件要在訊號效能與元件整合度取得平衡,是技術瓶頸之一。

5G毫米波由於頻率高,天線設計可以更為集中,同時為了降低饋線損失,未來前端元件會以高整合的方式設計,許哲維提到,從元件材料來看,氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)、矽鍺(SiGe)與矽CMOS都有廠商投入,由於材料特性不同(圖5),不同系統會使用不同材料;過去4G基地台的功率放大器為求達成高EIRP,多選擇GaN,而手機的PA廠商則多半採用SiGe或矽CMOS製作。

圖5 GaN、GaAs、SiGe、Si CMOS訊號表現與天線增益

在5G的應用上,許哲維舉例,若要達成64dBm的EIRP,使用CMOS製作功率放大器,需要512個天線,128個PA;若使用SiGe製作功率放大器,只需要一半的元件數量即256個天線,64個功率放大器,模組尺寸也會縮小,耗電量降低。所以Infineon sub-6GHz的功率放大器使用矽CMOS製程材料,毫米波功率放大器使用SiGe製程;若使用GaN則在相同EIRP的條件下,PA數量可再降低,但GaN的缺點在於與其他製程元件整合不易。

毫米波OTA量測成主流

毫米波導入商用後,其訊號特性讓各技術開發廠商吃了不少苦頭,因此後段的訊號測試與驗證顯得更加重要,是德科技應用工程部資深專案經理蘇千翔(圖6)說,5G NR依照頻段分成6GHz以下的FR1與毫米波的FR2,一般測試的重點包括:通訊協定功能測試、信令/全端(Full Stack)/資料傳輸率測試、RF參數、天線與終端裝置測試,FR1可以傳統的方法分段測試,而毫米波由於元件整合度高、體積小,所以需要透過空中傳輸(Over The Air, OTA)量測以獲得各項功能表現的數據。

圖6 是德科技應用工程部資深專案經理蘇千翔說,毫米波元件整合度高、體積小,需透過空中傳輸OTA以獲得訊號表現數據。

在OTA量測時,量測所需的距離跟待測物的大小平方成反比,蘇千翔舉例,以量測對角線15公分大小的手機為例,使用28GHz頻段,量測距離約需420公分,另外,10公分的RF模組量測所需距離約190公分,若只是5公分的天線陣列量測所需距離僅50公分。量測物體的表面積與頻段提升,測量距離就會再增加,因此5G毫米波量測會透過緊縮場天線量測系統(Compact Antenna Test Ranges, CATR)進行量測,可大幅縮小量測所需距離,讓5G系統測試還是可以透過暗室進行量測。

5G帶來許多新的科技發展與挑戰,同時也是未來十年科技產業最主要的機會之一,預期將帶動許多新興商機,本次研討會探討的重點就是未來兩年顯而易見且蓄勢待發的商機,5G由於技術的提升,在要求高傳輸速率與低延遲的前提下,訊號的衰減與覆蓋率出現許多漏洞,因此在過去大型基地台與終端裝置間,出現各式不同類型的網路設備市場機會,藉此填補目前5G網路的漏洞。

小型基地台、戶外型CPE、室內型CPE與家用熱點,未來都是5G網路建設的一環,相較之下中低頻段6GHz以下的傳輸問題不大,高頻毫米波訊號的網路才是5G未來能否受到市場歡迎的重點,國內廠商應該投入更多資源在了解毫米波電波特性,並發展克服毫米波訊號衰減相關技術與演算法,只要「抓住毫米波」相信就能搶占未來的產業趨勢與商機,必定能在5G時代發揮重要影響力。

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