目前業界在發展5G側重的焦點，主要包括強化行動頻寬，以及在中頻和高頻段頻譜運用各種波束成形技巧，來持續推升至更高的網路容量與吞吐量。另外，我們也開始觀察到像是工業自動化在內使用情境的陸續浮現，其充分發揮著5G網路架構的低傳輸延遲之優勢。
在幾年前，業界都還在爭論著行動通訊採用毫米波頻譜的可行性，以及無線電設計者眼前所面臨的各種挑戰。其中，大部分難題都很快地就被理出了頭緒，業界也迅速開發出初步的原型方案，成功地通過實地測試，如今，業界即將展開第一波5G毫米波網路的商轉。
許多初期部署都屬於固網或漫遊無線應用，但在不久的未來，我們還會看到採用毫米波頻率的真正行動連網應用。首波技術標準已制定完成，相關技術也迅速地演進，大多數學習都圍繞在毫米波系統的部署上。雖然我們已累積相當的進展，但眼前還有許多挑戰正等待著無線電設計者。本文即將為射頻元件設計者探研幾項技術挑戰。
本文分成三大主題。第一部分討論毫米波通訊的主要使用情境，以及為後續的分析預作鋪陳。第二以及第三部分則深入探討毫米波基地台系統的架構與技術。在第二部分中，探討波束成形元件，以及系統要求的傳輸功率如何影響為系統前端元件選用的技術。媒體探討的焦點大多集中在波束成形元件，然而，無線電中同樣重要的工作還包括將位元轉換成毫米波頻率的部分。文中將介紹系統中訊號鏈路的例子，供無線電設計業者參考。
5G設計開發須考量部署情境/傳播兩大因素
在開發技術階段，必須瞭解技術會如何部署。在所有工程實務上，必須做許多取捨，日後也會浮現許多額外增加的創新技術。如(圖1)所示，本文介紹兩種常見情境，包括目前使用的28GHz與39GHz頻譜。
圖1a是一個定置式無線存取(FWA)使用情境，主要是在郊區環境住家提供高頻寬資料傳輸。在這樣的情境中，基地台設於電線桿或電塔，其訊號必須覆蓋大面積的範圍才能支撐網路商轉的需要。在初期部署階段，我們設定覆蓋範圍為戶外到戶外，其中客戶端設備(CPE)裝設在戶外，並進行妥善規畫以確保最佳的空中傳輸(Over-the-air)連結。由於天線指向朝下且用戶位置固定，因此不需要太大的垂直掃瞄(Vertical Steering)範圍，但傳輸功率必須夠高，必須超過65dBm EIRP以達到最大的覆蓋率，以及能利用現有的基礎設施。
圖1b顯示一個高密度都會情境，其中基地台設置於低於建築物屋頂地板處或牆面，日後還可能設置在街燈或其他街道設施上。不論設置在何處，這類基地台都需要垂直掃瞄能力，其訊號才能覆蓋到整棟建築物，以及日後發展出的新型行動裝置時還能覆蓋到行動或街道上的漫遊使用者(行人與車輛)。
在這種情境中，傳輸功率不必像郊區那麼高，不過隔熱用的低幅射玻璃(Low E Glass)可能影響戶外到室內的訊號穿透。如圖所示，在波束掃瞄距離方面需要更多的彈性，包括水平與垂直方向。這裡的重點在於業界目前還沒發展出一體通用的解決方案。由部署情境來決定波束成形架構，而架構則會影響選用的射頻技術。
這裡介紹一個實際例子，我們用一個簡單的鏈路預算來說明毫米波基地台的傳輸功率需求，如表1所示。相較於手機網路頻率，傳統的路徑耗損成為毫米波頻率必須克服的一大挑戰，而另外一項必須考慮的因素則是障礙物(建築物、樹葉、人等)。近年來，各界對毫米波頻率的傳播進行眾多的研究，其中一個例子就是「第5代(5G)無線網路毫米波通訊概述：探討各種傳輸模式。
文中討論與比較許多模式，並詳列它們與環境中路徑耗損的相關性，以及比較可直視性(LOS)情境與非直視性(NLOS)。這裡本文並不詳加探討，整體來說，考量要達到的傳輸距離與地形地物等因素後，定置式無線部署系統應考量NLOS情境。在本文的例子中，考量設置在郊區環境的基地台，其目標是要達成200公尺的傳輸距離。本文設定在NLOS戶外對戶外鏈路的基礎上，路徑耗損為135dB；若我們嘗試讓訊號從戶外穿越障礙物傳到室內，那麼路徑耗損可能最多增加30dB，如果採用LOS模式，則路徑耗損可能達到110dB左右。
在這個例子中，設定基地台有256個天線模組(Element)，而客戶端設備則有64個。在兩種設備中，都可透過矽晶片達到要求的輸出功率。鏈路屬於非對稱式，可稍微紓解上鏈預算的壓力。在這個例子中，平均鏈路品質允許下鏈進行64 QAM調變，上鏈則為16QAM。在有需要時，在不超過主管機關的規範下，提高CPE的傳輸功率即可改進上鏈的效能。若是將鏈路傳輸距離延長到500公尺，路徑耗損就會增加約150dB，雖然這可收到加倍的效果，但這麼做不僅讓上鏈與下鏈的無線電變得更複雜，功耗也會大幅增加。
毫米波波束成形方式多樣須全面考量
文中考量各種波束成形的方式：類比、數位，以及混合，如圖2所示。大家都熟悉類比波束成形的概念，近幾年來大量技術文章都討論過這方面的議題。目前許多資料轉換器能在數位、寬頻基頻、或中頻(IF)等格式的訊號來回轉譯，還可連結無線電收發器，執行升頻轉換與降頻轉換等程序。
在射頻方面(像是28GHz)，我們把射頻路徑分成數個路徑，並藉由控制每個路徑的相位來執行波束成形，使得遠方的波束朝著目標使用者所處的方位生成。這種作法讓特定波束能對每個資料路徑進行導向(Steer)，因此理論上，在這種架構中同一時間只能服務一位使用者。
反觀數位波束成形器正如其名，其相移(Phase Shift)功能完全建置在數位電路，之後透過收發器陣列傳送到天線陣列。簡單的說，每個無線電收發器連結到一個天線模組(Element)，但實際上，依據目標分段形狀的不同，每個無線電可能會連結到多個天線。
數位方法除了能達到最高的容量與彈性之外，日後還能升級，以利用毫米波頻率支援多使用者MIMO，這類似中頻波段系統。由於其複雜度極高，因此在使用現有的技術下，包括射頻與數位電路都會耗用大量的直流電力。然而，隨著未來技術的不斷演進，數位波束成形技術將逐漸運用在各種毫米波無線電中。
就近期而言，最務實且有效的波束成形方法當屬混合式數位至類比波束成形器，它基本上結合數位預編碼(Precoding)以及類比波束成形，在一個空間內同時構成多個波束(空間多工)。透過窄波束將訊號導向目標使用者，基地台可藉此重複利用相同頻譜，在一個時槽內同時服務超過一位使用者。
在許多技術文獻中提及許多不同的混合波束成形器運行方法，不過本文介紹的次陣列(Subarray)方法是最廣泛建置的一種，它基本上是一種分步重複處理(Step and Repeat)的類比波束成形器。目前的系統在實務上能支援2至8個數位串流，可用來同時支援多位使用者，或是為數量較少的使用者提供2個或更多層的MIMO。
這裡，我們將稍微深入探討一下類比波束成形器的技術選擇，圖3顯示建構混合式波束成形器採用的元件。將類比式波束成形系統分成三個模組：數位、位元至毫米波，以及波束成形器。實際的系統並不會真的以這種方式進行分割，亦不會把所有毫米波元件配置在相近的位置以減少損耗，但從後面的說明，就可以很容易地瞭解為何要這樣區分。
有多項因素驅動波束成形器功能，其中包括分段(Segment)形狀與傳輸距離、功率、路徑耗損、發熱限制等，隨著業界逐漸學習與成熟，各界都體認到毫米波系統在這方面需要一定程度的彈性。日後包括從小型到大型基地台等各種部署情境將需要達到各種不同的傳輸功率。
另一方面，基地台的位元到毫米波無線電要求的彈性就低了許多，大致上從目前的Release 15規範衍生而來。設計者可重複使用相同的無線電元件搭配各種波束成形器組態。這點和目前的手機網路無線電系統沒有差別，手機網路的小型訊號分段(Section)大多能跨平台，而前端元件則是針對每種使用情境量身設計。
從訊號鏈路中的數位轉移到天線，我們一路描述了各種可能技術的演進。數位與混合訊號元件都是採用細線(Fine Line)量產型CMOS製程生產。依據基地台的需求，整個訊號鏈路可能利用CMOS技術進行研發，或更有可能混用多種技術，為訊號鏈提供最佳的效能。
舉例來說，使用組態來採用CMOS資料轉換器搭配高效能矽鍺BiCMOS中頻至毫米波轉換元件。其中，波束成形器可視系統需求採用多種技術，這點在後面會討論。根據選用的天線尺寸以及傳輸功率的需求，可能建置成高整合度晶片，或是結合波束成形晶片與分立式功率放大器與低雜訊放大器(LNA)。
先前，我們分析了傳輸器功率以及選用技術之間的關係，而在此處將要更深入討論，圖4已歸納出分析的結論。功率放大器技術的選擇是統合考量要求的傳輸功率、天線的增益(天線模組的數量)，以及選用技術產生射頻功率的能力。
如圖所示，可利用III-V族元素製成的前端元件(低整合度)，做成數量較少的天線模組；或是使用矽晶片的高整合度方法來達到要求的EIRP功率。兩種方法各有其優缺點，務實的作法是在尺寸、重量、直流功耗，以及成本等因素之間進行取捨。
表1的例子為要達到60dBm的EIRP功率，所需的分析方法如「5G毫米波無線電架構與技術」所述，該文指出最佳的天線尺寸在128至256個模組之間，採用砷化鎵功率放大器可以減少天線模組數，若採用全矽型波束成形器射頻IC技術，天線模組數量就會比較多。
接著從不同角度來討論問題。固定無線接取(FWA)的EIRP目標通常為60dBm，但根據基地台要求的傳輸距離以及周圍環境，這個目標值會更高或更低。由於部署情境變異甚大，可能是遍布樹木、高樓大廈，或是開闊空地等截然不同的環境，因此，其路徑耗損的落差範圍會變得極大。舉例來說，在可直視性(LOS)的高密度都會部署環境，EIRP目標可能低到只有50dBm。
美國聯邦通訊委員會(FCC)針對不同類別設備的傳輸功率極限做出明確的定義與規範，這裡我們所參照的是3GPP之基地台技術詞彙。如圖5所示，設備的類別或多或少決定了功率放大器所選用的技術。我們觀察到行動用戶設備(手機)較適合採用CMOS技術，天線數量相對較少，但仍能達到要求的傳輸功率。這類無線電必須是高度整合且具功率效率，才能滿足可攜式設備的各項要求。本地端基地台(小型基地台)以及消費型用戶端設備(可移動式電池供電)其要求類似，從較低傳輸功率要求採用的CMOS，一直涵蓋到較高階產品採用的矽鍺BiCMOS技術。
中階基地台一般適合採用矽鍺BiCMOS技術，藉以縮小產品體積。在高階部分的廣域網路基地台，可選用的技術甚多，主要在天線尺寸與技術成本之間做取捨。矽鍺BiCMOS的EIRP範圍大多在60dBm左右，而砷化鎵或氮化鎵功率放大器則較適合更高功率的產品。
圖5顯示的是現有的技術，不過業界至今累積相當的進展，且日後技術也會持續改進。正如「5G毫米波無線電的架構與技術」所述，設計者面臨的其中一項關鍵挑戰就是改進毫米波功率放大器的直流功率效率。
隨著各種新技術與功率放大器架構陸續浮現，上圖的曲線將會偏移，業界也會針對高功率基地台開發出整合度更高的架構。在「近期高效率釐米波5G線性功率放大器設計」中就對功率放大器技術的發展有詳盡的介紹。總結波束成形的發展，目前還沒有一體通用的方案，因此業者必須設計不同的前端元件來因應小型到大型基地台的不同使用情境。
頻寬為毫米波無線電主要挑戰
這裡我們要詳細討論位元至毫米波無線電，以及介紹系統這部分所面臨的挑戰。系統必須以高傳真度將位元轉譯成毫米波訊號，然後再把訊號還原成位元格式的資料，如此才能支援像64QAM這類較高階的調變技巧，甚至是未來系統採用的256 QAM。
這些新無線電面臨的其中一項主要挑戰就是頻寬。5G毫米波無線電元件必須處理1GHz的頻寬，或甚至更高，端視實際頻譜配置的狀況而定。對比28GHz的1GHz相對來說是較低(3.5%)的頻寬，但若是對比像3GHz的中頻，在設計上挑戰性就更高，需要用到一些尖端技術才能做出高效能的設計。
圖6顯示一個高效能位元至毫米波無線電的模組圖，該元件採用Analog Devices的板卡射頻以及混合訊號產品系列。圖中顯示的訊號鏈路能在28GHz支援8個100MHz NR連續載波，並達到優異的誤差向量幅度(EVM)效能。
接著，我們來看資料轉換器。在圖6所示的例子中，運用直接高中頻傳輸器以及高中頻接收器取樣，其中多個資料中心在中頻上發送一接收訊號。若中頻必須達到合理的高頻率以避免在射頻元件上執行映像濾波，那麼中頻的頻率就必須調至3GHz，甚至更高。
幸運的是，許多尖端資料轉換器都能在這樣的高頻率下運作，例如ADI旗下產品AD9172。這款高效能雙元件組態16位元DAC能支援到12.6 GSPS的取樣率；並具備一個8通道15Gbps JESD204B的資料輸入埠，以及一個高效能晶片內建DAC倍頻器及各種數位訊號處理功能，其可支援寬頻與多頻訊號直接轉換至射頻訊號，最高能產生6GHz的訊號。
至於在接收器方面，本文以ADI旗下的AD9208雙元件為例，該產品為組態14位元的3 GSPS ADC。這款元件擁有晶片內建緩衝區，以及一個取樣與保存電路，設計用來支援低功率、小尺寸及易用等特色，用來支援各種通訊應用，能直接取樣高頻寬的類比訊號，最高支援到5GHz。在傳送與接收中頻方面，則建議採用數位增益放大器，能在單模與平衡模式之間來回轉換，省去使用換衡器(Balun)。
另外在中頻與毫米波之間進行升頻與降頻轉換方面，則是以ADI旗下的矽質寬頻升頻器ADMV1013，以及降頻器 ADMV1014為例。這些寬頻轉換元件能在24.5GHz至43.5GHz的頻率下運作。極寬的頻率覆蓋率讓設計者只須利用一套若是建置成單一邊頻轉換，如圖6所示，元件能提供25dB的邊頻抑制能力。ADMV1014除了能從射頻轉換成基頻I/Q，還能從映像拒斥降頻轉換至中頻。其提供20dB的轉換增益，雜訊指數為3.5 dB，輸入IP3為–4dBm。映像拒斥模式下的邊頻抑制為28dB。
射頻鏈的最後元件為ADRF5020寬頻矽質SPDT切換器。ADRF5020除了提供2dB的低插入耗損，還能在30GHz下達到60dB的高隔離效果。最後，讓我們來討論頻率來源。由於本地振盪器可能是EVM預算的主要項目，因此在毫米波本地振盪器的產生方面，採用的來源必須具備極低的相位雜訊。
ADF4372是一款寬頻微波合成器，擁有整合式PLL以及超低相位雜訊VCO，能輸出62.5MHz至16GHz的訊號。它能用來建置分數倍分頻(Fractional-N)或整數倍分頻(Integer-N)鎖相迴路(PLL)頻率合成器，搭配外部迴路濾波器以及一個外部參考頻率。8GHz下的VCO相位雜訊相當可觀。在-111dBc/Hz有100kHz的偏移，而在-134dBc/Hz則有1MHz的偏移。圖6顯示的模組圖是一個很好的起點，在28GHz與39GHz頻帶的毫米波設計提供參考，並適合用在各種要求高效能寬頻無線電的波束成形前端元件。
毫米波無線電近幾年來已獲得了長足的進展，從實驗室轉至實地測試，許多項商業部署即將在未來幾個月陸續進行。持續演化的生態體系以及新浮現的使用情境，促使波束成形前端元件必須具備一定的彈性，如先前所述，在天線設計方面有多種適合的技術與方法可供選擇。
無線電的寬頻特性(位元至毫米波)需要運用尖端技術，不過矽晶技術經過快速演化後，也已能滿足混合訊號以及小傳訊範圍(Small Signal Domains)方面的要求。另外，業界也已可運用現成的元件製作出一款高效能無線電設計成品範例。
