5G全面提升行動通訊的各項體驗,不僅技術升級,應用涵蓋層面更為廣泛,5G網路架構的特性就是彈性,以便未來可負擔更多「任務」,但彈性可調配的架構同時也讓整個網路的複雜度大增,大幅提升裝置、設備設計與測試
的門檻。另外,5G導入許多新技術,如波束成形(Beamforming)、波束追蹤(Beam Tracking)等,要發揮這些技術的真正效能,測試驗證是非常重要的關鍵。
5G系統為求提升傳輸速率,所以不斷擴大可使用的無線頻段,但主要的中低頻6GHz以下頻段使用已經非常擁擠,因此首次將觸角伸向航太、軍事使用的毫米波(mmWAVE)頻段,高頻頻譜導入商業化應用,相關技術對於科技產業來說已經不算完全陌生,但是商用與航太、軍事領域的應用特性差異頗大,也讓晶片、終端、設備等廠商面臨頭痛的技術瓶頸,須要逐步克服。
5G技術規格提升有感
5G商轉在2019年4月正式啟動,強調更快、更即時、更無縫的行動寬頻聯網體驗,過去4G LTE技術讓行動通訊進入即時影音時代LTE使用5GHz以下頻段,每個頻段20MHz,扣掉保護頻段(Guard Band),真正使用頻段15MHz,不使用MIMO或載波聚合(Carrier Aggregation, CA)等技術,每頻段傳輸速率約150Mbps,考量現實環境干擾與連線品質,一般70~80Mbps傳輸速率是正常的。
有鑑於此,5G在規格制定時,就從幾個不同的面向提升傳輸速率,羅德史瓦茲應用工程部經理林志龍(圖1)提到,目前5G第一階段使用的頻段以中低頻6GHz以下的3.5GHz為主流,每個頻段規劃100MHz,頻譜使用效率從LTE時代的90%提升到97%~99%,所以每一頻段傳輸速率可以輕鬆達到500~700MHz,目前使用第一代的5G晶片,每一路可以達到250Mbps的速率,使用四路MIMO傳輸速度就達到1Gbps了,5G傳輸速率相較4G確實可以大幅提升。

而頻段利用就像土地開發,人們會從水草鮮美的地方開始開墾,6GHz以下的中低頻段,從20餘年前的2G時代開始,經過多年的發展,在進入5G時代的現在,就像是台北市的精華地段,房屋擁擠、馬路雖然四通八達但是車輛川流不息,已經很難再找到大規模的「素地」可以利用,朝向更郊區發展,雖然頻段區位不如6GHz以下,但是有大批未開發的頻段可供使用,高頻毫米波就成為5G開墾的最新處女地。
毫米波應用技術門檻高
毫米波頻段頻寬大,6GHz以下頻段規畫5MHz到100MHz的頻段劃分,毫米波則是從100MHz起跳,每一個頻段最大400MHz,可以想見傳輸速率提升將從一檔直接跳到三檔,但是毫米波訊號穩定性不佳的特色,在導入商用後以終端產品強調省電、低成本等原則下給元件設計製造商出了一個很大的難題。是德科技行銷處資深行銷專案經理郭丁豪(圖2)指出,目前毫米波的元件價格偏高,加上毫米波訊號衰減快,需要依靠高密度的小型基地台,強化訊號接收率,尤其是指向性高的波束成形遇到障礙物就無用武之地。

過去毫米波使用在軍事航太領域時,為了克服高頻訊號衰減率高的問題,透過加大功率、使用陣列雷達讓多個天線可以將訊號疊加形成波束,強化訊號強度,宜特科技訊號測試事業處協理余天華認為,波束越集中移動性就越差,速度越快這項缺陷更明顯;毫米波技術近年導入商用,演算法與晶片設計都還不成熟,毫米波技術長處難以展現。
另外,5G頻譜的利用率要提升到97%以上,4G LTE為了避免干擾,每個頻段的兩側都保留5%的保護頻段,余天華表示,近年濾波器元件的技術已經有進步,所以無線訊號的發射頻率準確度也有提升,但是針對5G要求只保留1~2%的頻段,大部分頻段都要使用的狀況下,相鄰頻段的干擾還是很難避免,尤其是6GHz以下頻譜擁擠,鄰頻干擾更難避免。
測試認證商機爆發
5G技術難度高,不僅展現在產品設計上,對於產品測試驗證也是,林志龍說,5G的高門檻讓廠商的測試成本大幅提升,一般電子產品在設計、產品驗證與產線量產階段都有不同的測試需求,在4G時代,每個階段的測試設備一套大概是幾百萬,但5G的測試設備成本至少千萬,除了硬體的升級之外,因為5G標準還在更新,新的測試規範發布後,軟體就要更新,4G以前軟體更新都是免費的,5G軟體更新甚至需要付費。
5G目前技術尚未穩定,完整詳細的測試有助確保產品效能,6GHz以下的FR1規範相對完善,毫米波的FR2規範則還在發展中;余天華談到,整體而言,毫米波的空中傳輸(Over the Air, OTA)規範在2020年以後才會較完整,3GPP會針對標準與協定方面提出初步的測試規範,其後美國的無線產業協會(The Wireless Association, CTIA)會再發展詳細的測試方法與規範,若是產品要符合歐美電信營運商或品牌廠商的規範,又需要通過PTCRB/GCF等規範。
目前5G測試認證的高成本,也帶動另一波測試實驗室的商機,許多產品開發商無法負擔高額的測試設備,便委託測試實驗室協助,既可降低成本又可快速進入歐美主流市場。林志龍解釋,5G測試從功能面大致分成三個部分,射頻(RF)、協議與無線資源管理(Radio Resource Management, RRM)等,射頻就是要驗證元件或產品的基本無線效能表現,協議則是3GPP規範的內容,RRM是表示無線資源的分配與管理,尤其在大範圍的網路架構中,核心網路與基地台或不同基地台換手運作時的管理機制。
測試認證解決方案多元紛呈
5G除了測試設備成本高之外,測試的難度也較4G更甚,林志龍舉例,5G的FR1測試,以100MHz為頻段基礎,但也同時相容過去4G的小頻段,所以5MHz、10MHz、20MHz等都支援,目前5G網路架構大部分都是非獨立組網(Non-Standalone, NSA),混和4G與5G網路,組合頻段需要全部經過測試,不僅複雜花費的時間也長,可以想見在2019下半年到2020年,有更多5G營運商開台之後,更多5G終端產品上市,測試認證需求商機爆發指日可待。
因此,測試認證廠商已經布局5G商機多時,郭丁豪進一步說明,是德科技提供實體層到應用層測試解決方案,從元件、晶片、裝置、基地台設計與生產到電信營運商布建,都進行布局。RF元件測試方面,新的網路分析儀,最高支援至53GHz,可串連多通道,可使用在陣列天線測試與RF前端模組;晶片方面,毫米波向量訊號產生器可支援高頻毫米波且雙通道至44GHz,同時具備2GHz訊號頻寬。滿足OTA需高功率測試與波束成形所需相位同調之要求。
在裝置或基地台部分,郭丁豪提到,可透過5G多頻段向量收發器,同時滿足支援6GHz以下多通道,並能擴充至毫米波。羅德史瓦茲更發表5G NSA測試架構,該測試儀可無縫整合到現行的LTE測試環境中。其他元件、終端、系統(圖3)甚至網路效能測試方案也已布局完善,相信未來一兩年5G測試認證將跟商轉開台新聞一樣熱鬧。

資料來源:羅德史瓦茲