5G 5G NR mmWave 毫米波 Anokiwave

化高頻限制為優勢 5G行動通訊落地露曙光

2019-10-22
2019年是5G發展的重要一年,同時也可能是所有的標準化工作、技術開發、頻譜拍賣以及重新定義使用案例的轉折點。現在,5G正從現場試驗朝初期的商業化部署邁進,並且5G毫米波(mmWave)網路也已經啟用了。

這一切都是從2018年年底開始。隨著Verizon在2018年10月推出5G固定無線接入(Fixed Wireless Access, FWA)服務以及12月AT&T在12個城市啟動5G網路覆蓋,5G的發展前景便開始清晰起來。近日,聯邦通訊委員會(FCC)的毫米波頻譜拍賣作業正加速進展,到1月中旬,總得標價金已超過7億美元。接下來幾個月,也將看到更多進展,因為美國和其他主要國家的多家電信業者都可能就其5G網路開通計畫做出重大宣示。

對5G而言,2019年絕對是關鍵的一年。Mobile Experts首席分析師Joe Madden即指出,一開始市場上必定會有一些混亂,但情況會逐漸塵埃落定。而且從技術角度來看,許多電信業者已完成現場試驗,並且釐清技術問題,使電信業者能開始著手大規模部署數千座的基地台。在5G正從願景邁向現實的交會點之際,業界也逐步跨越了里程碑,向前進展。5G的潛力是令人振奮的,包括更高容量的網路能夠實現快速、高品質的電影下載等應用;更低的延遲,可支援各種新的即時商業應用,並推動雲端物聯網(IoT)革命;全面、可靠的戶外和室內網路覆蓋;另外,網路切片(Network Slicing),可為重要和關鍵任務服務建立專用的路徑。

這許多功能都有賴產業共同實現,但這並不表示測試、部署和推出5G網路覆蓋的技術、經濟和營運挑戰都已經解決了。為了實現5G的潛力,電信業者需要更密集的網路,且其指向性訊號能力比現行網路的更強大。其中的許多網路將採用高頻的毫米波頻段來建構可支援這些需求的主動天線陣列系統,但更高的頻率帶來了訊號強度、功耗和熱管理的相關挑戰。幸運的是,這些挑戰是可以克服的,其關鍵在於5G架構與晶片層級的深度技術細節。

而Anokiwave首席系統架構師David Corman認為,開發主動天線晶片的公司並不會直接銷售產品給服務供應商,但卻會對協助服務供應商解決技術問題,以及攸關5G部署的資本支出和營運成本帶來深遠影響。

新無線電設備/架構/頻譜

隨著每個新世代無線技術的出現,便須面對通訊產業最主要的限制因素之一:頻譜是一項有限的資源。2018年核准的3GPP 5G NR(New Radio)標準已為網路業者使用新的空中介面奠定了基礎。此新的空中介面可運用現有的4G無線電存取網路設備在新的頻率上建構5G覆蓋。

對5G而言,在擁擠的頻譜範圍內,剩下來還可以用的是低於600MHz或高於現行4G運行的頻率。這些較高的毫米波頻段通常被定義為高於30GHz,但在美國,5G頻段包括24GHz、28GHz、37GHz、39GHz和47GHz。在2018年,FCC開始拍賣了前兩個頻段,其他三個頻段的拍賣作業將於2019年下半年展開。

Madden指出,特別是在城市,電信業者需要更大的5G容量空間來滿足不斷增加的需求,但是,業界卻缺乏可用的頻譜資源來達到此目標。因此,對5G的未來發展,毫米波的分配是非常重要的一步。

毫米波網路將採用主動天線陣列系統,並利用基於MIMO的波束成形和波束追蹤功能,以實現更具指向性的訊號傳輸,並通過空間分集(Spatial Diversity)更有效地使用和重複使用可用頻譜。現今使用中的寬扇形天線並不具備指向性,但透過提供高度指向性波束的毫米波天線陣列,可以解決密集覆蓋率的問題,並透過空間分集提供更高的容量,因此可提高效能並實現新的應用。

然而,建立能以毫米波頻段運作的網路不是一件容易的事。在這些頻率下,訊號無法順暢地傳播,需要更短的距離和更多的蜂巢式基地台,因而導致了更高的部署成本。可能需要更高的功率才能使訊號變得更強,更易於傳送,但又不想耗費這麼高的能量來這樣做。

將限制轉化為優勢

毫米波頻段為網路業者帶來了無阻塞的連續頻寬,以便能探索並實現其5G願景,而不會出現較低頻段的無線電干擾問題。然而,更高的頻率也意味著上述提到的局限性。

5G白牌網路設備即將問世

毫米波頻率的技術正在迅速發展。隨著首波5G網路的測試和推出,業界已經開始著眼於另一項技術演進:朝白牌(White Box)硬體和網路虛擬化移轉。為此,在巴塞隆納舉行的2019年世界行動通訊大會(MWC 2019)上,Anokiwave的28GHz AWA-0134主動天線與是德科技(Keysight)的開放式RAN測試平台概念驗證結合,在Keysight的5G Signal Studio及其5G訊號分析硬體和軟體(N9040B UXA)的支援下,與O-RAN聯盟成員共同成功展示了以開放式無線電存取網路5G無線電單元(RU)運作的業界首款O-RAN 5G毫米波無線電單元(O-RU)白牌設備。

現場的O-RAN 5G無線電單元(RU)白牌設備展示了一個完全可編程的多通道RU,具備以28GHz mmWave頻譜運作的靈活前傳(Fronthaul)介面。此展示結合了必要的建構模組,可用來擬定下一代RAN的發展藍圖。

28GHz主動天線

28GHz主動天線其中有些涉及了基礎物理學28GHz主動天線,Corman說明,頻率越高,從A點傳輸到B點的路徑損耗就越大。最簡單的方式是提高功率來增加訊號強度,但這樣做會增加功耗並產生熱量,因而增加網路和能源成本。而解決之道是,把弱點轉換為強項。由於短波長意味著,因此可以使用體積小、但具指向性的平面天線,這樣就可以集中能量到達目標,並克服較高的路徑損失問題。舉例來說,Anokiwave以其動態綠色功能性(Kinetic Green Functionality)為此應用情境帶來了額外的優勢,它可以動態管理天線陣列的直流電源,以降低平均功耗和額外產生的熱。

如果裝置正在與遠處的使用者交談,可能需要為整個天線提供更高的能量,但如果是與附近的使用者交談,那就沒有理由需要這麼高的功耗。而熱管理是一個大問題,因為這些天線陣列並沒有風扇。

有效管理功率輸出的能源效率和費用可帶來驚人的長期效益。假設部署了50萬座基地台和500萬座微型基地台,光是束波操控就需消耗高達2.6兆瓦時(Terawatt- hours)的電力,這相當於胡佛水壩每年能源輸出的63%左右,而且此數字還會持續向上攀升。但透過更好的管理方法,可以節省三分之一的電力,這足以為82,000個美國家庭供電一年。

高度密集城市網路須配置節能管理措施

儘管如此,要為整個高度密集的城市網路進行節能管理,其中包含了大型基地台、安裝了天線的小型基地台電線桿,以及安裝了天線的客戶端設備,確實是一項艱鉅的任務。而市面上的業者(如Anokiwave)也透過在其晶片中使用遙測技術,使其變得更加容易。天線可發出有關目前功率輸出和熱條件的報告,因此電信業者能更妥善掌握變化和服務需求。有效的熱管理意味著可採用更精巧、更低成本的裝置,使小型基地台能適用於更多的環境之中。

5G採用的技術架構還能發揮其他的優勢,因為它們是部署在密集的城市環境中,在這裡,毫米波頻譜將證明是最有用的。例如,高層建築物對某些無線技術帶來了直視性(Line of Sight)障礙,但5G標準中的靈活波束管理功能可以利用建築物的反射來保持強大、可靠的網路效能。此外,利用MIMO可為不同的使用者和目的地提供各別、實體上分散的波束,這意味著頻譜可被重複使用,進而能把更多強大的數據串流傳送給更多的使用者。

Corman強調,短波長意味著可以使用體積小、但具指向性的平面天線。這些功能將在5G環境中扮演重要的角色,這些環境將包含更多的網路使用者─不僅包括個人,還包括聯網汽車和自動化設備等各種快速成長的IoT裝置。要支援所有這些需求,將取決於是否有能力解決毫米波頻率固有的訊號、功率、散熱問題。

新時代曙光

5G網路並不是一旦啟用就能高枕無憂的。由於這些網路是以高頻毫米波頻段部署的,因此,要管理如此複雜且密集配置的網路所面臨的技術和經濟挑戰是不容忽視的,必須要面面俱到。有許多挑戰已經在晶片層級獲得了解決,因此網路業者及其供應商夥伴將能專注於測試裝置並將其網路商業化。

在測試階段,Anokiwave也透過零校準(Zero-calibration)技術免除主動天線製造過程中昂貴的測試過程。傳統上,為了要在遠場形成高品質的束波,主動天線內的每個通道都需要有相等的振幅和相位。零校準技術免除了昂貴且耗時的設定需求,使電信業者及其合作夥伴能夠更快推出5G架構,並確保在提供服務時能擁有更高品質的束波。

隨著更多5G網路和服務的開通和擴展,將開始看到真正的效益。對消費者來說,這意味著超快速的數據和視訊效能,以及在使用功能更豐富的應用程式時,可確保一致和可靠的覆蓋範圍。對企業和垂直產業而言,5G的極低延遲意味著可支援要求即時回應的關鍵任務數據和視訊應用。5G的實現將為下一次的科技演進奠定基礎,一個由人工智慧驅動的高度自動化世界,以及利用密集聯網的IoT環境來支援智慧家庭、智慧建築、工廠和智慧城市等各種應用。而其中,寬廣的毫米波頻譜將是孕育這些創新的溫床。

Madden表示,從長遠來看,5G將越來越普遍地使用毫米波頻段,特別是在美國市場。而現在擁有解決技術和經濟問題的能力是至關重要的。

(本文由Anokiwave提供)

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