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小巧/高效/CP值高 MEMS感測器潛在應用廣

MEMS是一種工程空間技術,主要仰仗於機械和機電裝置及相關結構的小型化。這些可以透過多種技術創建,統稱為微製程(Microfabrication)。與這種MEMS元件相關的尺寸(Form Factors)可以從幾個mm直到次微米(Sub-micron)級。有些元件可以運動,但其他元件會在裝置中保持靜態。 MEMS技術有許多潛在用途,但它目前在轉換器(Transducers)領域具有最重要影響。作為通用術語,轉換器可以涵蓋將能量從一種形態轉換為另一種形態的任何裝置。在MEMS環境中,這將是機械能到電能,或者反過來的方式,包括微感測器和微致動器(Micro-actuators)。 雖然標準的機電裝置本身非常有用,並且可以完成大量任務,但是當它們在整合到MEMS中時,可以實現其全部最大潛力,感測元件可以與伴隨的IC和其他元件共用同一矽基板。採用典型的半導體製程(CMOS、BiCMOS等)來製造IC,而MEMS特性則使用微加工製程製造,選擇性地蝕刻掉晶片的一部分,或者添加新的結構以形成轉換器元件。除了在許多應用中具有很大吸引力的小型化明顯優勢外,MEMS元件批量製造和自動校準能力也帶來明顯的規模經濟,從而可以大大降低製造費用,降低實際的單價。 MEMS感測器可簡化任務/降低風險 現代感測解決方案通常將MEMS元件與相關的訊號調節電路整合,例如類比數位轉換器(ADC)和數位介面。這形成更緊湊的解決方案,可以輕易地與系統主處理器互連。透過在系統級封裝(SiP)格式中包含此類功能,設計工程師的任務變得更加簡潔,進而降低設計風險,並加速產品上市時程。 整合MEMS元件的另一個優勢則是它們總能提供「理想」的輸出。如果裝置的機械元件為非線性,那麼這可以透過裝置本身的演算法來解決。例如,還可以透過在MEMS元件內整合小的熱感測器來應對由於溫度變化引起的非線性或偏移(Offset)。藉由這種自補償能力,基於MEMS的感測技術能夠提供高品質輸出。 使用MEMS技術的最簡單裝置之一是麥克風(圖1),它是一種直接的感測器類型,可將聲壓轉換為電能。由於語音啟動助理(如Amazon、Google等)、降雜訊耳機以及音訊會議等車輛和商業應用中使用的語音控制系統等大幅成長,麥克風市場正在迅速復甦。 圖1 基於Infineon IM69D120 MEMS的麥克風。 一些基於MEMS的麥克風,例如Infineon的IM69D120,相較其較大的機電同類產品具有更好的性能。該特定元件具有非常高的訊噪比(SNR)和極低的失真(<1%)以及完美的匹配,非常適合多麥克風陣列型應用。它還具備高整合度,包括一個低雜訊前置放大器和一個ADC,可提供完全的數位輸出。 雖然有許多類型的基於MEMS的感測器,能夠量測流量、位置、運動、壓力等,但這些節省空間的裝置現在也開始承擔更複雜的任務。例如,它們已經廣泛用在汽車工業,以便更精確地知道車輛的方位和運動,確保持續的穩定性並增強安全感,執行這些任務的關鍵元件包括採用MEMS技術的加速度計和陀螺儀。 MEMS加速度計廣泛應用消費/工業/汽車產業 基於MEMS的加速度計能夠感測由於運動/加速度引起的力,這些主要透過懸掛(在彈簧上)微加工層來實現,當安裝於任何媒介上的感測器因動作而受到力時,該層可自由運動。一些MEMS加速度計利用壓電效應,這些裝置包含微晶體結構,晶體結構受到機構層運動造成的壓力,之後產生與加速度成比例的電壓。另一種方法是將可動作層懸掛在一對電極板之間,當機構層移動時,電容就會改變,該變化可以被量測並產生與加速力成比例之輸出。在大多數微加工製程中,確定電容只需要一個小小的額外步驟。這種方法能夠具備明顯提高的靈敏度,並且本質對溫度變化不敏感,所有這些都使其應用具有很大吸引力。 近年來,加速度計已經進入更廣泛應用領域。它們現在被整合到智慧型手機中,可以幫助偵測方向以轉動螢幕,並提供額外的功能(例如統計步數以提高健身水準)。它們可以整合在媒體播放機等產品中以提供創新的用戶介面,可以在口袋內輕敲以變換到下一音樂曲目。此外,它們可以作為一種偵測「相機抖動」方式(包括數位相機和影像攝影機),透過反相動作影像感測器來校正可能導致模糊影像。在筆記型電腦型號中,它們可用於偵測突然跌落,並在硬碟驅動器(HDD)撞擊地面之前將其關閉,以保護高價值資料。 在消費性領域之外,加速度計還具有其他軍事、研究和商業用例。它們也常用于機器人和機器控制系統,但最重要的是它們在汽車產業中執行安全關鍵功能。結合車輛中的高級駕駛員輔助系統(ADAS),具備高g值的加速度計可以透過偵測快速負加速度來及時回應即將發生的撞擊,可以啟動安全氣囊,關閉燃料供應,甚至自動向急救人員發出緊急呼叫。 基於MEMS的陀螺儀可以仰仗Coriolis Effect量測圍繞正常行駛軸的側傾和偏航,並能夠偵測打滑,提供進一步的安全功能。舉例來說,Murata的SCC2230將三軸加速度計與陀螺儀和訊號處理電路整合在一個小型SiP中(圖2),構成一個基於MEMS的慣性量測系統(IMU),可以高精度地跟蹤位置。該元件基於Murata專有的電容式MEMS機構,能夠量測加速度和角速率,同時透過方便的數位SPI輸出提供資料。 圖2 Murata的SCC2230 IMU的功能方塊圖。 感測器融合 資料準確更可靠 因此,感測器融合能夠處理來自多個感測器的資料,隨後得到的資料更準確或更可靠,或者兩者兼而有之。業界對這一概念的興趣日益增加,至少部分是由於MEMS感測器使用越來越多,這些感測器能夠降低感測系統的尺寸和成本。隨著物聯網的不斷進步,現在可以訪問雲端運算資源,以更有意義的方式組合來自多個感測器的資料,並提供所需的處理能力。 以相對濕度作為一個簡單的範例。這須要運算空氣中存在的水量,表示為在相同溫度下飽和狀況所需水量的百分比。這對於室內氣候控制很重要,特別是在儲存敏感電子元件的地方,以及工業應用(例如塗漆和塗層)中。可以透過將濕度感測器的資料與溫度感測器的資料組合來運算環境相對濕度。 感測器融合還可用於改進系統或物體在三維空間中的定位。透過前面討論過的Murata IMU,來自加速度計和陀螺儀的資料可以透過感測器融合進行組合,以提供高精度的3D位置,能夠克服陀螺儀內的任何偏差或可能影響加速度計讀數的振動,可使用複合濾波演算法(包括流行的卡爾曼濾波技術)來組合資料。除了在汽車產業也具備許多應用外,該技術也註定廣泛應用于機器人等領域,例如,必須要知道機器人手臂的確切位置。 基於MEMS感測器資料的融合也在醫療保健市場取得了重大進展。可穿戴健身追蹤器中的感測器可以與其他心率或體溫監測器等貼近身體裝置組合,提供患者生命體徵的完整資料,並用於遠端監護等用途。如果再將人工智慧(AI)導入這些類似的醫療應用,可以開創沒有任何人工參與狀況下的醫學診斷巨大潛力。 雖然MEMS感測器與較大的機電元件都仰仗相同的原理,但MEMS感測器正在為當今世界中所看到的快速變化做出重大貢獻。小而堅固的MEMS元件(通常以SiP格式提供)可以將感測元件與板載訊號調節和數位通訊整合在一起,能夠更容易地將資料傳輸到適當的硬體處理。 透過自動化製造和校準的組合,以及量產快速成長所帶來的規模經濟效應,這種先進技術比以往都更加經濟實惠。所有這些發展都得益於將多個感測器的運作整合在一起所帶來的機會,藉此能夠實現更高的準確度和可靠性,並可獲得透過單獨感測器無法實現的參數量測。 (本文作者任職於貿澤電子)
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記憶體產業等待下個「超級循環」 SSD晶片/模組廠多方布局

記憶體儲存產業在歷經2017~2018年飛躍式成長,帶動所謂的「超級循環」後,2019年產業景氣出現轉折,面對產業景氣循環,多年以來,記憶體產業鏈的廠商多半練就面對景氣大幅波動的本事。因此,在景氣轉折的時候就是準備與練功的時機,將技術與產品持續提升,在下一波景氣來臨的時候,可以收穫最多的報酬。 慧榮布局SSD儲存控制解決方案 快閃記憶體控制晶片廠商慧榮科技(Silicon Motion)於台北國際電腦展(Computex 2019)發表新款USB外接式固態硬碟(SSD)控制晶片解決方案,採用單晶片USB 3.2 Gen1介面。該公司產品企劃部協理邱慧甄(圖1)表示,目前巿場上可攜式SSD均採用橋接晶片設計,將SATA或PCIe介面轉接為USB介面。SM3282為單晶片USB 3.2 Gen 1介面設計,提供完整的單晶片硬體及軟體解決方案,並支援UASP協定。SM3282採用雙通道設計,支援96層QLC NAND Flash,容量最高可達2TB,且採用低功耗設計,毋須外部電源IC即可自行運作,降低物料(BOM)成本。 圖1 慧榮科技產品企劃部協理邱慧甄表示,SM3282為單晶片USB 3.2 Gen 1介面設計,提供完整的單晶片硬體及軟體解決方案,並支援UASP協定。 邱慧甄說明,該款SSD控制晶片的主要功能包括:高速連續讀寫傳輸速度超過400MB/s,支援USB Type A與Type C連接埠,可相容Windows 10、Mac OS 10.x和Linux kernel v2.4作業系統,單晶片解決方案實現高性能、低功耗,最優化系統成本,並內建3.3V/2.5V/1.8V/1.2V穩壓器,支援LED顯示讀寫狀態,68-pin QFN封裝。 另外,針對企業級的SSD應用,慧榮也推出SATA SSD控制晶片解決方案SM2271,該公司產品企劃部專案經理黃莨展(圖2)指出,該解決方案提供完整的ASIC及Turnkey韌體,支援容量最高可達16TB,滿足企業及資料中心應用所需的大容量、高效能、穩定的需求。一般企業用SSD介面趨勢是往PCI-e發展,但是SATA介面強調的高性價比還是有一定的市場需求。 圖2 慧榮科技產品企劃部專案經理黃莨展指出,一般企業用SSD介面朝PCI-e發展,但SATA強調的高性價比還是有一定的市場需求。 SM2271是一款八通道高效能企業級SATA SSD控制晶片解決方案,支援最3D...
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2023年中國發展智慧城市技術支出達389億美元

產業研究機構IDC日前發表智慧城市研究預測,2023年全球智慧城市技術相關投資將達到1894.6億美元,中國市場規模將達到389.2億美元。中國市場的三大重點投資領域依次為彈性能源管理與基礎設施、資料驅動的公共安全治理以及智慧交通。在預測期間內(2018~2023年),三者支出總額將持續超出整體智慧城市投資的一半。 智慧城市的建設和發展為新興技術提供了大量的應用,這為技術提供商帶來了極大的發展空間。IDC希望通過智慧城市支出指南説明技術提供商瞭解各個細分領域的情況,探尋不同地區的市場機會並推出具有前瞻性的市場解決方案。在本次預測期間內,中國市場支出金額占比前三的應用與其重點投資領域保持一致,依次為智慧電網、固定智慧視訊監控以及智慧公共交通系統。2019年,三類應用的投資規模約占支出總額的43%,而到2023年,這一比例將下降至37%。隨著智慧城市相關技術的發展,應用將呈現多樣化趨勢,成長快速的新應用影響力將會逐漸擴大。在預測期間內成長最快的應用依次為數位雙胞胎、V2X(車聯網)技術以及開放資料。 縱覽全球各地區的城市資料,由於Virtual Singapore專案的驅動,2019年新加坡將持續保持其在智慧城市投資的領先地位,之後依次為紐約、東京和倫敦。北京和上海則並列第五。前五的6座城市在智慧城市相關的總投資將在2020年超過10億美元。從區域來看,美國、西歐和中國在2018~2020年將囊括70%的全球智慧城市支出。日本、中東和非洲則是成長速度最快的地區,2年複合年均成長率(CAGR)將達到約21%。 在中國內地的城市中,除了2019年智慧城市相關支出投入最多的北京和上海之外,緊隨其後的依次為深圳、廣州和重慶。從投資的增速來看,2年CAGR最快的城市為深圳、北京和上海。智慧城市技術相關的投入與該城市GDP和政府預算密切相關,在智慧城市技術的發展階段,一線城市的支出將持續領先。  
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CATR抓得住毫米波訊號 5G OTA測試/校準真穩當

5G毫米波OTA測試勢在必行 手持行動裝置產品製造商需要確保其產品符合5G毫米波的頻率要求和OTA標準中所規範的RF性能要求,5G毫米波OTA測試驗證的項目共三項如下描述為:峰值有效無方向性輻射功率(Peak Effective(or Equivalent)Isotropic Radiated Power, Peak EIRP)、總輻射功率(Total Radiated Power, TRP)、峰值有效無方向性敏感度(Peak Effective Isotropic Sensitivity, Peak EIS)。 對於5G高頻毫米波的RF測試方法,OTA測量的方式將是驗證手持行動裝置產品在高頻毫米波的唯一測試方法,主要原因是因為頻率太高時RF的元件太小(幾乎與RF接頭的大小相同),傳導測試(Conducted Test)在量測結果會造成很大的量測不確定性。 目前被國際標準組織允許使用的毫米波OTA測試方法有直接遠場(Direct Far Field, DFF)、間接遠場(Indirect Far Field, IFF)、近場轉換到遠場(Near Field to...
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結合AI技術 資訊安全防護更強大

以下分析整理國際大廠:IBM Security、Radware、Splunk、Trend Micro、Forcepoint、RSA、Cisco、Palo Alto Network,運用人工智慧技術於資安防護方案之應用。 IBM QRadar方案防堵資安威脅 IBM創立至今進行多次的轉型,經營業務從硬體、軟體,至轉型為提供雲端與垂直領域解決方案的整合型服務供應商。2018年10月,IBM宣布以340億美元收購全球最大混合雲服務供應商紅帽公司,並積極發展人工智慧技術,如Watson雲端API、RPA流程機器人、PowerAI深度學習平台等,以雲端運算服務加人工智慧解決方案,協助企業客戶數位轉型。 在資訊安全領域方面,IBM Security部門全球約有8,000人,自2002年起,積極購併20家資安公司,發展資安解決方案,如下整理IBM在資安方面的解決方案與服務項目。 運用人工智慧於資安防護上,IBM將其人工智慧認知技術Watson整入QRadar Security Intelligence資安分析平台,為IBM QRadar Advisor with Watson資安威脅分析的雲端服務,可自動分析以發掘潛藏的資安威脅。 當偵測到安全事件,系統首先探勘並收集本地端資料,查看資料庫,從數十萬筆網站、安全性論壇、布告欄等,協助了解安全事件,並推論與原始事件相關的額外洞察,將訊息去蕪存菁,準確找出該事件相關的關鍵洞察,協助資安人員預測攻擊、即時回應資安事件。 Radware透過機器學習阻擋惡意攻擊 Radware為美國NASDAQ上市公司,總部位於以色列,全球員工人數約900多人,公司市值約為11億美元,為提供實體資料中心和雲端資料中心應用程式交付和應用程式安全之供應商,Radware從頻寬負載平衡開始發展,逐步將產品方案延伸至伺服器負載平衡、網頁應用程式防火牆、加密檢查等領域,在網路資安解決方案領域包括防火牆/虛擬專用網、整合式威脅防禦系統、入侵檢測防禦系統、網路行為分析系統,和安全套接層協議/網際網路通訊協定安全性的VPN設備等。 Radware在人工智慧應用於資安防護上,以機器學習技術來即時減緩和檢測資安威脅,將網路安全解決方案中雲端服務和分散式阻斷攻擊流量清理中心的安全架構各個方面,使用人工智慧機器學習技術於其資安方案DefencePro資安防禦系統與雲端惡意軟體防護服務中,以透過機器學習找出攻擊特徵並進行阻擋,使企業能夠即時分類,緩解和阻止進階持續性威脅、惡意軟體,殭屍網路攻擊等。 Splunk分析用戶行為找出隱藏威脅 Splunk為提供營運智慧軟體平台的服務供應商,全球員工人數約3,200人,公司市值約為185億美元。Splunk的智慧軟體平台方案從伺服器、網路設備、桌上型及筆記型電腦、行動裝置及其他系統設備中擷取各種格式或來源的數據資料,並提供用戶進行搜尋、分析、監控及視覺化方式提供即時數據資訊,以對應用程式效能、資訊安全、商業營運等面向進行分析,得到企業資訊基礎架構與營運狀況等各面向的洞察資訊。 Splunk近來更在其雲端與自建部署的平台服務中,使用人工智慧機器學習技術,進行監控和搜索,透過以往蒐集的大量歷史資訊來推測預警異常訊息,如物聯網設備來推測設備維護所需的備料量,和穿戴式感應器的讀數來推測用戶的健康狀況。另外,Splunk在其User Behavior Analytics用戶行為分析資訊安全解決方案,透過人工智慧機器學習技術從異常、可疑路徑、頻率對等群組分析和進階關聯找出已知、未知和隱藏的威脅。 趨勢科技力拓物聯網/人工智慧資安版圖 趨勢科技總部位於日本東京,全球員工人數約6,000名,年營收約1,600億日圓,提供資料中心、雲端工作負載、網路、端點裝置提供多層式安全防護資安解決方案。 趨勢科技積極在物聯網與人工智慧資安進行布局,根據趨勢科技在其2019年資安預測報告中提及七大重點,談及「工控系統的目標攻擊持續成為隱憂」,物聯網資安方面推出「IoT Security 2.0(Trend Micro IoT Security , TMIS 2.0)」的TMIS 2.0平台,在產品開發週期預安裝至IoT裝置內,以協助物聯網裝置製造商及物聯網託管服務供應商(MSP)進行整合,提升整體物聯網生態系資訊安全。 趨勢科技亦積極布局人工智慧,在人才的培養上,透過推動T-Brain競賽與XGen...
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2019年全球半導體設備銷售衰退18.4%

2019年全球半導體產業景氣從前兩年的高點反轉,國際半導體產業協會SEMI日前指出,半導體製造設備全球銷售額預計將從2018年的歷史最高點645億美元下降18.4%至527億美元。 半導體設備銷售狀況直接反應產業景氣,是多年來半導體產業景氣觀察指標之一,SEMI預測顯示2020年設備銷售恢復成長11.6%至588億美元。目前的預測反映近期資本支出的下調以及由於地緣政治緊張局勢導致的市場不確定性上升。 2016~2020年主要區域市場半導體設備銷售概況 資料來源:SEMI(07/2019) 另外,SEMI認為,2019年晶圓加工設備銷售額下降19.1%至422億美元。另一個前端設備,包括晶圓廠設備,晶圓製造和光罩(Mask/Reticle)設備,預計2019年將下滑4.2%至26億美元;封裝設備在2019年萎縮22.6%至31億美元,而半導體測試設備則預計將衰退16.4%47億美元。 台灣將取代韓國成為最大的半導體設備市場,並以21.1%的成長率領先全球,其次是北美,成長8.4%。中國將連續第二年在規模保持第二位,韓國將在限制資本支出後跌至第三位。除台灣和北美外,所有區域市場的半導體設備銷售都將萎縮。 SEMI預測,到2020年,設備市場有望在記憶體支出和中國新項目的推動下恢復。日本的設備銷售額將成長46.4%至90億美元。預計2020年中國,韓國和台灣仍將是前三大市場,中國首次躋身榜首。韓國預計將成為第二大市場,達到117億美元,而台灣預計將以115億美元的設備銷售額排名第三。如果整體經濟改善並且貿易緊張局勢在2020年緩和,則可能會帶動更樂觀的成長趨勢。
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2020年GaAs射頻元件產業規模達64.92億美元

根據TrendForce旗下拓墣產業研究院報告指出,由於現行射頻前端元件製造商依手機通訊元件的功能需求,逐漸以GaAs晶圓作為元件的製造材料,加上隨著5G布建逐步展開,射頻元件使用量較4G時代倍增,預料將帶動GaAs射頻元件市場於2020年起進入新一波成長期。 拓墣產業研究院指出,由於射頻前端元件特性,包含耐高電壓、耐高溫與高頻使用等,在4G與5G時代有高度需求,傳統如HBT和CMOS的Si元件已無法滿足,廠商便逐漸將目光轉移至GaAs化合物半導體。而GaAs化合物半導體憑藉本身電子遷移率較Si元件快速,且具有抗干擾、低雜訊與耐高電壓等特性,因此特別適合應用於無線通訊中的高頻傳輸領域。 由於4G時代的行動通訊頻率使用範圍已進展至1.8~2.7GHz,對傳統3G的Si射頻前端元件已不敷使用,加上5G通訊市場正步入高速成長期,其使用頻段也將更廣泛(包含3~5GHz、20~30GHz),因此無論是4G或5G通訊應用,現行射頻元件都將逐漸被GaAs取代。 若以目前市場發展來看,受到2018年下半年手機銷量下滑、中美貿易戰影響,衝擊GaAs通訊元件IDM廠營收表現,預估2019年IDM廠總營收將下滑至58.35億美元,年減8.9%。然而,隨著5G通訊持續發展,射頻前端元件使用數量將明顯提升,如功率放大器(PA)使用量,由3G時代的2顆、4G的5~7顆,提升至5G時代的16顆,將帶動2020年整體營收成長,預估GaAs射頻前端元件總營收將達64.92億美元,年增11.3%。 整體而言,隨著各國持續投入布建5G基地台等基礎設施,預估在2021、2022年將達到高峰,將可望帶動IDM大廠Skyworks(思佳訊)、Qorvo(科沃)新一波營收成長動能,而台廠射頻代工製造業穩懋、宏捷科及環宇等,也將隨著IDM廠擴產而取得訂單,逐漸擺脫營收衰退的陰霾。  
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5G加快無人裝置應用 安全把關快步跟上

5G高速傳輸、大頻寬、低延遲的特性可說是無人裝置(自駕車、無人機等)實現與普及的重要推手。然而,無人裝置的崛起雖說為消費者帶來全新的使用體驗,卻也伴隨著新的安全隱憂。為此,UL積極聯合產官學及其他利害關係者,透過共識制訂更透明化的「UL 4600無人裝置安全標準」,期望讓製造商更謹慎與完善的考量產品安全問題,並向外界證明其產品或創新技術安全無虞,預計於2019年年底會完成初步版本。 UL首席工程師江志翔表示,5G可視為科技創新的「載具」或「加速器」,不過,5G將帶來智慧科技,但也讓人們的生活暴露在新安全隱憂中,像是之前特斯拉自駕車事故便是其中一個例子。換言之,創新科技的發展普及,安全是首要也是最重要的問題,因此,在自駕車等無人裝置發展迅速的情況下,UL也開始制定4600規範標準。 UL首席工程師江志翔強調失速的創新可以在安全的實驗室環境發生,而不在真實生活裡上演。 江志翔指出,UL 4600無人裝置安全標準是UL與MITRE、ECR合作,為無人裝置建立安全標準框架,以產品安全自述的創新方法,期望讓製造商更謹慎與完善的考量產品安全問題。過往安全標準都是有了事故之後,經過分析、檢討才開始制訂,但此種方式一來法規、標準的制訂速度會偏慢,二來也可能無法真正的處理到問題,因為當事故發生時,廠商不見得願意分享所有的檢討、分析資料,也就是「家醜不願外揚」的想法,也因此所制訂出來的標準也不見得都能契合實際問題。 江志翔補充,因此,UL便決定聯合產官學及其他利害關係者,透過共識制訂更透明化的無人裝置安全標準。換言之,UL 4600標準目的在於提供一個標準框架,透過產官學及其他利害關係者所分享出來的資訊建立起基本的安全案例(Safety Case),讓製造商有基本的規範可以遵循,接著,再依據各無人裝置業者自身情況、需求訂定更進一步的垂直(Vertical)標準。簡單來說,可將UL 4600標準譬喻成憲法,而之後會再隨著環境、產業變動而延伸許多子法供製造商參考。 江志翔認為,安全測試是持續進行的,不論是在實驗室環境或是現實生活中。如同車輛的安全性撞擊測試,測試車輛中使用的是假人、而非活生生的人;實驗室的環境是安全的測試場域,倘若所有創新都能夠在安全無害的測試環境中被適當地測試、把所有可能的危險因子透過科學的方法檢出、反覆確認危險因子被確實排除,也許遺憾得以降低。
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V2X/IoT落實智慧交通應用 高效安全低汙染

隨著世界人口與車輛越來越多,交通問題已經不容忽視。有賴資通訊技術與科技發展,智慧交通有望解決眼前日益湧現的交通問題,同時為解決相關問題,交通創新應用也將邁向多元化發展。 IDC資深分析師蔡亦真表示,從2008年以來全球交通已經成長了13%,且光是城市地區就產生了50~60%的溫室氣體(GHG),溫室氣體會造成全球暖化、氣溫上升、氣候異常等問題,因此巴黎協定已經規範到了2030年全世界140多個國家,必須降低溫室氣體排放70~95%。另外,以美國為例,可以看到美國每年在處理交通方面的花費占了GDP的3.3%,目前美國有2.5億輛汽車,預估到了2035年會達到17億輛的數目。越來越多的車輛,已經造成了交通壅擠和事故的問題,但其實這些問題是可以藉由智慧交通非常有效率地解決的,由於資通訊技術的發展,讓這些交通問題有望順利地解決。 所謂的智慧交通,就是交通管理的智慧化。管理人與車,無論是人在移動上的需求、非公共車輛的停車需求,或是人跟車和車跟車之間移動的需求,這些需求是須要被協調的,但目前協調這些需求仍存在幾個挑戰。包括道路容量有限、汙染、停車、道路與車輛的損壞以及駕駛者狀態等問題,皆是現在智慧交通所要解決的狀況。 蔡亦真認為應該利用資通訊的技術發展車聯網(V2X)和物聯網(IoT)在智慧交通的應用。藉由IoT實現智慧交通管理、路線規劃、智慧停車系統(Smart Parking System),以解決目前的交通問題。她同時提到,智慧交通的發展主軸應該環繞四大主軸,即安全、減少交通事故、發展智慧應用和串連政府各單位的平台(如警局、醫院、消防局等)。目前常見的智慧交通應用有:交通號誌的管理智慧化、路程導航、道路公共運輸、路況蒐集、車位尋找和危險預警等。 蔡亦真舉例說明,以新加坡國立大學(National University of Singapore, NUS)的自駕車計畫為例,以學生與上班族為對象,在新加坡國立大學周圍的固定路線行駛,並已經有78,000個用戶登錄到網路上。這項計畫由政府、學研、電信商、公共運輸業者、系統整合商、數據服務商與店家共同合作完成,不僅能提供交通安全保障減少交通壅塞,並能節省能源和人力成本的消耗,達到智慧交通的願景。 智慧交通發展將改善交通壅塞、汙染與交通事故等問題。  
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推廣5G商用 毫米波技術舉足輕重

無線裝置數量與其消耗的資料量,每年都以等比級數增加(年複合成長率為 53%)。無線裝置創造並消耗資料的同時,連接這些裝置的無線通訊基礎設施也必須隨之演進,才能滿足成長的需求。3GPP所定義的三種高階5G使用案例,其目標是隨時隨地提供可用的行動寬頻資料;然而,僅僅提升4G架構網路的頻譜效率,並不足以提供所需資料速率的步進函式。有鑑於此,研究人員正在研究像毫米波這類更高的頻率,希望得到可行的解決方案。早期在通道探測作業得到正面的結果,使得世界各地的無線標準化組織皆重新調整研究重點,以了解新一代5G無線系統如何整合並運用這些新的頻率與較高的頻寬。 各個使用案例都是針對未來的無線標準所設計,藉此讓這些標準針對新應用補足既有無線標準的不足之處,而各案例都需要一組不同的全新關鍵績效指標(KPI)。IMT 2020使用案例所定義的增強型行動寬頻(eMBB),預期能達到10Gb/s的尖峰資料速率,比4G快了100倍。Shannon Hartley定理指出,容量為頻寬(即頻譜)與通道雜訊的函式,因此資料速率確實與可用的頻譜有關。由於6GHz以下的頻譜已經分配完畢,所以6GHz以上(尤其是毫米波範圍內)的頻譜,可說是因應eMBB使用案例的理想替代方案。 世界各地的電信業者為了服務客戶,已在頻譜上花費了數十億美元。拍賣訂價凸顯出頻譜這類寶貴資源的市場價值,以及供不應求的特性。開發新的頻譜讓電信業者不僅能服務更多使用者,還能提供更高效能的行動寬頻資料傳輸體驗。相較於6GHz以下的頻譜,毫米波的頻譜不僅非常充裕,而且只要稍微經過授權就能使用,因此世界各地的業者都能運用毫米波。此外,現代矽製造技術已大幅降低毫米波設備的成本,所以在價格方面,這些設備已可用於消費型電子產品。而採用毫米波所面臨的挑戰,主要在於此頻譜仍未經過完整研究,有尚待解決的技術問題。 電信業者已開始研究毫米波技術,以便評估最適合行動應用的頻率範圍。國際電信聯盟(ITU)與3GPP,已共同規劃確立5G標準的兩階段研究。第一階段研究著重於40GHz以下的頻率,以便迎合部分較急迫的商業需求。第二階段的目的是達成IMT 2020所列的KPI,並且會著重研究高達100GHz的頻率,同樣屬於毫米波的頻率範圍之內。 為統一全球的毫米波頻率標準,ITU在世界無線電通訊大會(WRC)結束後,公布了24GHz~86GHz之間的全球可用頻率建議清單(表1)。ITU提出建議不久後,美國聯邦通訊委員會(FCC)便於2015年10月21日發布了擬議規範公告(NPRM)(圖1),針對28GHz、37GHz、39GHz與64~71GHz頻帶,提出靈活的新服務規則。 圖1 擬議為行動用途的FCC頻帶 28/39/72GHz脫穎而出 目前適用於5G的毫米波頻率選項也逐漸浮上檯面:28GHz、39GHz與72GHz。這三種頻帶能脫穎而出的原因有很多。 首先,不像60GHz必須承受約20dB/km的氧氣吸收損失,這三種頻率的氧氣吸收率遠低於此數值(圖2),因此較適合長距離通訊。這些頻率也能在多路徑環境中順利運作,並且能用於非可視判讀(NLoS)通訊。透過高定向天線搭配波束賦形與波束追蹤功能,毫米波便能提供穩定且高度安全的連結。 圖2 毫米波頻率範圍的大氣吸收率(以dB/km為單位) 28GHz頻段進展快 如上所述,電信業者都急切想要取得未分配的大量毫米波頻譜;而毫米波頻譜會使用哪些頻率,這些業者將是深具影響力的關鍵要角。在2015年2月,三星(Samsung)執行了自己的通道量測,並發現28GHz的頻率可用於手機通訊。這些量測結果,驗證了都市環境中預期會發生的路徑損耗(非可視判讀(NLoS)連結中的路徑損耗指數為3.53),三星宣稱,此數據指出毫米波通訊連結可支援200公尺以上距離。該研究還包含相位陣列天線的運用。三星也開始相關設計,以便讓手機能夠容納精密的陣列天線。在日本,NTT Docomo與Nokia、三星、Ericsson、Huawei、Fujitsu合作,針對28GHz(以及其他頻率)順利完成現場測試。 73GHz頻段可用連續頻寬廣 在28GHz相關研究展開的同時,E頻帶也引起了行動通訊領域的注意。73GHz就是另一種備受矚目的毫米波頻率。Nokia運用了紐約大學的73GHz通道量測結果,開始研究此頻率。在2014年的NI Week年會上,Nokia透過NI原型製作硬體,展示了他們第一個73GHz空中傳輸(OTA)技術。這套系統隨著研究進行不斷演進,並持續透過公開示範來展示新的技術成就。在2015年的行動世界會議(MWC)上,這套原型驗證系統已能藉由透鏡天線與光束追蹤技術,執行每秒超過2Gbps的資料傳輸。此系統的MIMO版本,則在布魯克林5G高峰會議上展出,可執行高達10Gbps的資料傳輸;而在不到一年後的行動世界會議上,這套原型展示了雙向空中傳輸連結,傳輸速率超過14Gbps。 在2016年的行動世界會議上,Nokia不是唯一進行73GHz技術示範的廠商;Huewei與Deutsche Telekom也一同展示了可於73GHz運作的原型。這項示範採用多使用者(MU)MIMO,展示了高頻譜效率,以及針對個別使用者超過20Gbps傳輸率的潛力。 其中一項可用以區分73GHz與28GHz、39GHz的特性,是可用連續頻寬。73GHz中有2GHz的連續頻寬可用於行動通訊,是擬議頻率頻譜中範圍最廣的。相較之下,28GHz僅提供850MHz的頻寬;而在美國,39GHz附近就有兩個頻帶提供1.6GHz與1.4GHz頻寬。此外,如Shannon定理所述,更高的頻寬便代表更高的資料傳輸量;因此與其他上述頻率相比,73GHz具備了強大優勢,是毫米波中一種重要的頻率。 38GHz用途廣 納入5G標準成挑戰 雖然目前38GHz的公開研究資料最少,但仍有機會成為5G標準的一部分。ITU已將38GHz列於全球可用頻率清單,而且根據紐約大學的研究,已有通道資料可證明其為可用的毫米波頻率。相較於28GHz或73GHz,38GHz有更多現有用途,因此要將其納入5G標準,將是一項挑戰。FCC已針對可能的行動應用擬議頻譜,以便加速美國未來針對此頻帶的研究。 建立毫米波原型 促進mmWave技術推廣 由於毫米波通道的基本屬性與目前的手機模型不同,而且未知事項較多,因此研究人員必須開發新的技術、演算法與通訊協定,才能充分發揮mmWave在5G領域的潛力。建立毫米波原型(mmWave Prototype)非常重要,尤其是在早期階段。由於僅靠模擬是無法展示毫米波技術或概念的可行性,所以必須建立毫米波原型。毫米波原型能夠在多種情境下,透過Real-Time的空中傳輸方式執行通訊作業,可以藉此解開毫米波通道的秘密,並且促進毫米波技術的應用與推廣。 要建立完整毫米波通訊原型時會面臨多個難題。假設有一個可處理多重GHz訊號的基頻子系統。目前多數的LTE實作皆使用10MHz通道(最高20MHz),且運算量隨著頻寬線性增加。換句話說,運算能力須提升100倍以上才能滿足5G資料速率的需求。此外,毫米波原型製作須用到FPGA,才能執行毫米波系統的實體層運算。 要針對毫米波應用建立原型製作的客製硬體是相當困難的任務。由於毫米波頻率具備大量的連續頻寬,因此非常適用於通訊作業。要找到具備1~2GHz頻寬(此為5G應用所需)的現成硬體傳輸器或接收器,成本相當高昂;在某些頻率下,甚至無法找到符合這項條件的儀器。就算真的找到了這種硬體,其設定並處理原始資料的能力也有限,甚至可能毫無處理能力。因此,設計客製的FPGA處理機板,便成為深具吸引力的選擇。設計FPGA機板硬體的時間或許不需要很久,但如果還要開發與其通訊的軟體介面,就算是最有經驗的工程師,也可能需要一年(甚至更久)才能完成,這還只是毫米波原型驗證系統的一部分而已。 除了FPGA機板之外,mmWave原型驗證系統需要運用最先進的DAC與ADC才能擷取1~2GHz之間的頻寬。目前市面上,有部分RFIC具備可於基頻與毫米波頻率之間轉換的晶片,但這些產品選擇有限,且大多僅能用於60GHz頻帶。IF與RF階段可做為RFIC的替代方案,工程師一旦有了基頻與IF解決方案,供應商便能針對毫米波無線電站,提供更多基頻RFIC以外的選擇,但是選擇依然不多。開發毫米波無線電站,需要RF與微波設計的專業技術,這與開發FPGA機板所需的技術完全不同,因此團隊必須具備多種專業,才能開發出所有必要的硬體。FPGA是毫米波基頻原型驗證系統的核心元件,而要設計出能處理多重GHz通道的多重FPGA系統,將使系統更加複雜。舉例說明,為了滿足服務供應商與通訊研究人員在系統複雜度與軟體的需求,量測儀系統廠商NI提供一組可設定的毫米波原型製作硬體,以及附有原始碼的毫米波實體層,其囊括毫米波系統基頻的基本特性,並為橫跨多個FPGA的資料遷移與處理作業提供抽象化功能,簡化工作的複雜度。這些工具都是為了將新的毫米波原型整合到系統與產品內所設計,並對5G技術開發有重大影響。 為了滿足資料傳輸量的需求,使用24GHz以上的大量連續頻寬將成必要;而研究人員也已透過原型製作,展示毫米波技術可達到14Gbps以上的傳輸速率。現在尚待解決的最大問題是,行動通訊要使用哪個毫米波頻帶。ITU或許能提供助力,為5G的行動應用設置一個頻率。而開發成本的降低,以及只在手機上使用一組(而非多個)矽晶片的技術,是當前手機普及全球的關鍵原因,手機製造商與消費者也受惠於此。然而,要重新分配現有頻率,所費不貲。找到一個全球都同意使用的頻帶,是值得奮鬥的目標,但最終也可能無法達成。由於時程緊迫,各地的服務供應商選擇忽視ITU的建議,並選擇那些雖然不是全球通用,但現在就能使用的頻譜。這些服務供應商也發揮自身能力的優勢,透過現場測試製作雙向通訊連結的原型(5G開發的關鍵部分),進而讓研究人員展示這項新技術,並用更快的速度將新技術標準化。 儘管仍有許多未知的部分,未來一定會布署毫米波技術,且會以很快的速度執行。新一代的無線通訊即將登場,而全世界都在關注並觀察未來毫米波技術的應用方式。 (本文作者任職於NI)
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