毫米波
Cadence收購AWR 5G RF通訊系統創新爆發力大增
電子設計創新廠商益華電腦(Cadence)與國家儀器(NI)共同宣布達成Cadence收購NI子公司—高頻射頻(RF)EDA軟體技術供應商AWR的最終協議。雙方達成戰略合作協議,擴大推動通訊領域電子系統創新的合作,同時AWR專業RF人才團隊也將加入Cadence。
Cadence將收購AWR,攜手於電子通訊領域規畫創新藍圖。
Cadence總裁Anirudh Devgan博士認為,面臨產品上市週期遽增的壓力,以及為設計飛速成長的5G、無線應用通訊與雷達晶片、模組及系統,客戶須整合設計、模擬及分析環境,使產品差異化並縮短設計週期。而AWR的人才和技術將助Cadence開發更優化及緊密整合的RF設計解決方案,加速系統創新且持續推動智慧系統設計策略。
根據雙方最終協議條款,收購完成時Cadence將支付約1.6億美元現金,且有約110名AWR員工將加入該公司。本次收購預計於2020年第一季完成,須滿足獲監管部門批准等的慣例成交條件(Customary Closing Conditions)。未來雙方技術整合運算軟體後的工作流程,將與NI LabVIEW和PXI等模組化儀器系統及半導體資訊平台緊密結合,組成全新策略聯盟。
AWR的軟體工具可協助微波和射頻工程師設計複雜的高頻RF應用無線產品,適用領域自通訊、航太、國防、半導體、電腦至消費電子,讓客戶加速系統設計及產品開發週期,縮短從概念到生產的時間。
AWR總經理Joseph E. Pekarek表示,RF/微波/毫米波應用需有卓越解決方案,才能實現設計首次通過,確保優良設計性能。加入Cadence後,該公司將充分發揮Virtuoso和Allegro兩大設計工具平台核心優勢,整合AWR設計環境平台,提供複雜IC、封裝及電路板完整的解決方案。
回顧傳統RF/微波設計流程,使工程師面臨兩大挑戰。其一為極易出錯,易使生產力下降及效能損失。然而AWR設計環境將無縫整合Cadence Allegro PCB設計工具、Virtuoso與Spectre平台,助客戶實現RF IC設計。
另一艱難挑戰,是電磁及熱分析工具極為困難的相關設置使用。為解決此難題,Cadence亦整合系統分析工具,包含Clarity 3D電磁求解器、Celsius熱傳求解器及Sigrity PowerSI技術。
2019~2023年5G基地台CAGR高達61.8%
2019為5G商用元年,在美國、韓國、英國、中國大陸等國家陸續搶先啟動服務,初期將帶動第一波5G基地台、網路設備、手機及無線射頻前端等零組件市場商機。工研院產科國際所經理蘇明勇觀察,5G發展初期面臨訊號覆蓋範圍小、訊號切換不穩定、消費者體驗不佳、產品散熱處理及高頻毫米波容易被干擾等問題,如何解決成為取得市場先機必須面對的重要課題。
2019年全球5G基地台市場規模估計約22億美元,2023年將進一步成長至150億美元,年複合成長率為61.8%,5G成為全球基地台主要成長動力。工研院產科國際所認為,2019年起,各國政府陸續發放5G頻譜執照、加上5G產業鏈逐步成熟,促使各國電信業者、企業投入5G網路建置。截至2019年8月,全球32個國家中的56個電信業者已推出5G商用服務,其中推出的5G服務又以大頻寬應用為主,如高畫質影音視頻、線上遊戲、高畫質視訊通話、360度影音傳輸等。
根據Gartner報告,5G基地台在美國、南韓、英國、義大利、西班牙、日本、中國大陸等電信業者投入5G網路建置帶動下,2019年5G基地台占整體基地台市場比重將提升至8.5%;預估在更多國家發放5G頻譜帶動電信業者投入5G網路建置下,加上5G基地台建置數量是4G的1.5倍以上,預估2023年5G基地台占比(54.6%)將超過4G基地台,成為全球基地台主要成長動力。
5G頻譜釋照箭在弦上 專網拼產業易筋轉骨
5G網路商轉成為2019年下半年到2020年全球最主要的科技活動之一,在這段時間內,全球大部分工業化國家都致力推動5G頻譜拍賣/分配,並促成5G電信服務的開台,如美國、韓國、英國、瑞典等,因應這波潮流,台灣將第一階段5G頻譜釋照提前於2019年12月10日登場。包括引起電信業與製造業爭議的專用網路、專用頻段政策走向,也將塵埃落定。
台灣5G頻譜3GHz~6GHz頻段規劃 資料來源:交通部 郵電司(09/2019)
台灣5G第一波商用頻譜係跟隨各國的趨勢,在106年到107年間由行政院科技會報辦公室邀集交通部、經濟部及通訊傳播委員會等單位,多次召開相關研商會議並達成共識後,由交通部陳報行政院相關規劃建議書,再由行政院正式公告修正一覽表,以開放使用。負責無線電頻率應用規劃的交通部郵電司長王廷俊指出,12月台灣第一階段的5G頻譜,採兩階段競價方式,第一階段以多回合競價決定得標頻寬數量,第二階段再進行位置競價,決定實際得標頻率位置。頻段為國際主流的3300~3570MHz,共270MHz的頻段,還有4G時代尚未標出的1775~1785MHz及1870~1880MHz頻段。高頻毫米波頻段則是27~29.5GHz,共2500MHz。
台灣5G頻譜6GHz~46GHz頻段規劃 資料來源:交通部 郵電司(09/2019)
第一波釋照三年後,預計2023年進行第二波釋照,目前規畫包括:低頻的617~652MHz、663~698MHz頻段,共70MHz;中頻的2300~2400MHz、4400~5000MHz,共700MHz,另外還規畫毫米波的37~43GHz為創新實驗頻段。總計於主流的6GHz以下頻段兩階段釋照超過1GHz頻譜,加上高頻毫米波,若技術獲得突破,37~43GHz應該也會釋出成為商用頻段。
5G的另外一個重點就是產業應用,各國5G頻譜應用畫分「專網」也成潮流,在郵電司的規劃中,無線電頻譜的利用分成免執照使用頻譜、專用電信頻譜、商用電信頻譜三類。而根據3GPP R16之定義,非公眾網路(Non-Public Networks, NPN)可透過獨立組網、託管及切片等方式部署於企業當中,透過網路部署之機制確保用戶設備(User Equipment, UE)接取之授權性。非公眾網路係僅用於諸如企業等私有實體(Private Entity),並可利用虛擬及物理元素以各種配置進行部署。
在所有部署方案當中,未經授權之UE(係與企業無關之UE)將無法接取此非公眾網路;同時企業的UE亦不允許連接未被授權之接取點。5G系統應支援提供特定地理範圍涵蓋的非公眾網路,比較接近傳統規劃中應用於警政、航空與水、電、瓦斯的專用電信頻譜。造成爭議的是政府在產業專用頻段中,使用競標釋照還是申請指配的專網專頻方式,以日本、德國、香港、英國等企業專網已經上路的國家為例,全都採用申請指配的方式。
原本可以成為電信業者5G營收成長重心的企業專網,若政府將頻道規劃以專網專頻方式推動,將大幅壓抑電信業者的營收前景,因此大力反對,認為所有商用頻段都是電信業者花費鉅資競標而來,政府將企業應用以專頻方式指配給產業應用,不僅讓電信商跑了5G會下金蛋的雞,也是一種不公平的競爭。
產業與電信業在5G專網發展上相左的立場,說穿了癥結應在「主導性」上,分析兩者之間的差異,若政府將企業專網頻段開放競標,讓電信業者經營,對於使用相關頻段的垂直產業而言,服務費、商業模式甚至營運資料都須依賴電信商的網路與軟硬體系統,尤其對於大型製造業需要透過5G進行智慧化升級的廠商來說,等於被掐住咽喉;另外,若政府畫分專頻開放產業申請,對垂直產業來說最直接的好處是頻譜使用成本可以大幅降低,機敏的營運數據掌握在自己手上,但電信業者在這樣的模式下,角色被壓縮,下金蛋的母雞馬上褪色而且下不了蛋。
對於目前依舊僵持不下的爭議,郵電司委託研究單位進行深入研究,王廷俊表示,依據國際案例,5G垂直場域(Localized 5G)定義應為限定在特定場域中使用;僅能提供場域內無線通訊使用,並不得作為跨場域間訊號之串聯。廠區與廠區之間不得利用企業專網進行訊號傳送,僅能以固網有線等其他網路方式傳輸資料。日前有媒體爆料政府計畫在3.7GHz頻段規劃100MHz的企業專用頻段,儘管沒有獲得證實,卻也著實觸動各方敏感神經。
對於政府、產業、電信商各方均應審慎考量,例如對於政府:5G專網攸關台灣科技產業與製造業的升級,務必要著眼於產業競爭力提升的前提,跟隨國際潮流,勿再次以政治凌駕專業判斷,或者為平衡各方利益而創造出全球獨有的模式;對產業而言:5G的低延遲與高可靠度技術,將是提升產業競爭力的利器,掌握5G技術內涵並找出自身需求,讓5G協助改善體質與經營效率;對於電信商:5G專網無論怎麼規劃,電信商的角色與經驗都非常重要,持續深入了解個別專業領域需求,並發展出市場需要的商業模式,才是5G產業應用雙贏之道。
深耕布局/策略精準 聯發科5G華麗轉身
5G的商業化進展帶來許多機會,而隨著各國陸續將5G商轉列為國家科技競爭力與國力的重要指標,積極推動5G產業化,聯發科身為台灣最重要的通訊晶片廠,多年前就已經投入技術研發,投資超過新台幣1,000億元,而率先推出5G SoC,且初代產品僅鎖定6GHz以下頻段,成為現階段市場上最成熟的5G晶片解決方案之一,協助聯發科在5G時代跨出成功的第一步,未來兩年的表現更備受期待。
各國力推5G產業化,中國大陸已經釋出四張5G執照,台灣也提前在12月10日進行第一波5G釋照,近日瑞信證券更新2020~2021年全球5G手機出貨預測,預估2020年5G手機出貨達1.76億支,比聯發科法說預估的1.4億支還高,2021年進一步增加到4.2億支;看好聯發科2020年5G晶片出貨量達3,000萬至7,500萬顆,因此連帶將其財測、股價目標價雙雙上修,聯發科已經成為5G指標概念股之一。
聯發科執行長蔡力行在2019年初新春茶會中對媒體承諾,將改善該公司營收毛利率達40%以上,並且5G的技術力與產品力都保持在領先群,時間僅過半年左右,這些目標已具體表現在該公司近期表現。聯發科通訊系統設計研發本部總經理黃合淇表示,從晶片設計商的各自晶片研發、生態圈共同研擬共通標準與測試規範、通訊設備商的技術驗證、通訊運營商的晶片驗證到消費者參與全面商轉的五大關鍵步驟,該公司投入研發累積近新台幣1,000億元在5G晶片的開發上,其中台灣就占了七成以上的人力;5G對聯發科是跨平台的機會,因其高頻寬、低延遲的特性,應用層面較4G廣,除了手機,各類物聯網、電視、汽車等也將是5G的應用範圍。而不管是新技術研發、參與5G國際標準制訂、產品上市時間,都比過往投入更多時間、人力與資金等資源。
券商看好聯發科的獲利表現,將因5G的發展持續亮眼,另外包括既有穩定的物聯網和ASIC業務推動下,2020、2021年表現均可達雙位數成長,預估近三年EPS將拾級而上為13元、19元及22元。黃合淇指出,面對5G時代,聯發科技於第一梯隊率先提供5G SoC,協助首批5G終端及時上市,加速5G生態體系成熟,將提供用戶更好的使用體驗;並推出3A策略,讓世界每個角落的人們都能用得著(Accessibility)、付得起(Affordability)、買得到(Availability),期待大家都能受惠於5G所帶來的機會、提升及豐富大眾的生活。
聯發科寄望5G SoC將重新擦亮該公司的招牌
面對5G的技術躍升,大部分晶片廠都急於將高頻毫米波技術整進5G晶片組,因此多半遭遇產品效能與完成度瓶頸,黃合淇認為,6GHz以下中低頻產品因為與現有4G使用頻段較接近,相關零件與產業鏈相對成熟,重點在如何提供高整合度與低功耗的5G終端產品,讓消費者在享受高速傳輸的同時仍有與4G相近的手機尺寸及待機時間等;而毫米波頻段的物理特性造成了傳輸距離較短以及訊號容易受遮蔽的先天問題,除了陣列天線整合以及終端功耗更嚴重的問題,電信業者的網路布署以及手機波束控制如何讓毫米波接收訊號更穩定,且平滑的與中低頻訊號切換,都是商用布署過程中需要持續測試與調校的地方。也就是高頻毫米波的問題需要整個環境與技術建設的改善與配合,現階段要發揮毫米波技術優勢顯然還有困難。
展望未來,黃合淇強調,聯發科二十多年來在通訊(Communication)、多媒體(Multimedia)與運算(Computing)三大技術領域累積的基礎與優勢,在5G讓各式AI的創新應用得以具體實現的技術實力上,產生極大的發揮空間。隨著技術演進與新市場興起,在行動通訊與傳統消費性電子領域外,未來幾年在全球物聯網、車用電子、客製化晶片等應用的成長商機也是聯發科持續布局的面向,還有更多應用會在5G啟動下的智慧城市中被開發出來,用來提升和豐富人們的生活。
多物理模擬需求日增 Ansys購併/策略結盟動作頻頻
隨著產品設計時間不斷被壓縮、製造原型(Prototype)的成本日益高漲,甚至是為了建置產品的數位雙胞胎(Digital Twins),在產品開發過程中,模擬軟體所扮演的角色變得越來越關鍵,這也使得模擬工具的供應商必須不斷擴大自己的產品組合,才能滿足各種產業的產品開發需求。安矽思(Ansys)近年不斷透過購併與策略結盟,讓自己的產品組合涵蓋範圍快速擴張,就是為了滿足各產業客戶對模擬工具的需求。
ANSYS MFEBU 產品管理資深總監 Steve Pytel(圖)表示,對產品設計者而言,在產品開發的過程中使用模擬工具,可以帶來加快開發速度、降低原型製作成本等優勢。而在智慧製造、工業4.0等概念興起後,模擬工具也開始被用在建置數位雙胞胎等工作上,成為產品生命週期管理的工具之一。這意味著模擬工具不只被運用在產品開發階段,在整個產品從布署到報廢的整個生命週期中,也扮演著一定的角色。
ANSYS MFEBU 產品管理資深總監 Steve Pytel認為,模擬工具在各產業的產品開發設計過程中,將扮演更吃重的角色。
不過,若單就Pytel主管的產品領域--機構、流體與電子來說,模擬工具最大的價值還是在於加快設計速度跟降低原型建造成本。事實上,除了產品生命週期很短的消費性電子之外,很多原本設計週期很長的產業,例如汽車產業,現在產品開發的時程也被明顯壓縮。
以汽車為例,Ansys與福斯(Volkswagen)集團,在9個月內就攜手設計出一款全新的電動賽車,並在Pikes Peak等三個國際知名賽道上連續打破電動賽車與燃油引擎賽車所保持的速度紀錄。通常,以賽車來說,平均每一到兩年才會有一次改款;如果是量產車款,開發週期則大概是三到五年。但在最近幾年,隨著電動車跟自駕車的技術不斷突破,現在一款新車的產品設計時間已經被壓縮到兩到三年之間。
而為了讓設計者有更多工具可用,進一步加快產品設計速度,Ansys在購併與策略結盟上動作頻頻。從2019年至今,已完成Helic跟Granta的購併案。Helic是一家提供電磁串音(Crosstalk)模擬與分析工具的業者,其技術對於發展5G毫米波通訊技術非常關鍵;Granta則是一家材料資料庫公司,提供與各種材料特性有關的資訊給設計者。
除了購併外,Ansys還有其他壯大生態圈的策略,例如近日該公司與Motor Design簽署合作協議,未來Ansys將成為Motor Design旗下Motor-CAD工具的經銷商。Motor-CAD是一款十分普及且簡單易用的馬達設計工具,可以用來計算馬達的電磁場、溫度與性能,再結合Ansys現有的低頻電磁場模擬、機構模擬、系統模擬,可以提供馬達開發者更完整的工具鏈。
Pytel總結說,Ansys是一家持續投資未來,追求更完整平台的公司。為了達到這個目標,方法可以十分靈活,不管是內部研發、外部購併或策略結盟,都是可能選項。
毫米波布建實測 跑得快但難轉彎
在韓國搶先商轉5G服務後,美國隨即發布商轉消息,在熱鬧的5G開台大戰又過了5個月後的現在,大家仍積極布建5G相關建設、尋找應用場景。而搶先開台的兩國中,美國布建5G毫米波(mmWave)的發展情況也深受大家關注。
Nokia客戶營運部技術總監陳銘邦表示,5G毫米波可以提供非常高的速度跟傳輸量,但是要以毫米波提高5G涵蓋是非常辛苦的。由於毫米波對可直視性(Line Of Sight, LOS)的要求非常高,目前在美國實測的結果看來,沒有遮蔽的情況下毫米波的表現非常優異,但是受到遮蔽的情況下表現就會明顯受到影響。
陳銘邦進一步說明,在5G建網的過程中,頻譜是一個很重要的因素,沒有頻譜就沒有網路。5G頻譜可以分為低頻、中頻和高頻(毫米波),以現在台灣的700MHz、900MHz、1800MHz、2100MHz等頻段的網路就是使用低頻,低頻主要是用頻分雙工(FDD)的技術,在3GPP的規範裡面低頻也可以做5G的服務,也就是說以台灣現有的頻譜就可以馬上轉到5G應用。
目前各國使用5G主要都是集中在3.5GHz的頻段,也就是集中於中頻。而高頻(多為28GHz)的應用則不太一樣,需要超高速傳輸的應用就很適合使用高頻。通常低頻在5G涵蓋方面是更有優勢的。舉例來說,台灣NCC要求5年內要達到50%的人口涵蓋,光用3.5 GHz的頻段就會很辛苦,用低頻達到人口涵蓋是相對容易的做法。
針對毫米波在美國的實測情況,陳銘邦指出,目前在美國部署的毫米波基地台實測狀況,在沒有遮蔽的情況下,手機可以收到1Gbps,但是只要轉個彎就沒有辦法收到這麼高的傳輸量。因為毫米波對Line Of Sigh的要求很高,轉彎後經過10~50公尺的距離,訊號就會喪失14~21 dB。另外,不同遮蔽物的影響程度也不同,若是被水泥或磚塊遮擋,會有30~35 dB的訊號喪失,石膏板則是7~12 dB,最少的是透明玻璃,僅5 dB的訊號衰減。
大聯大推出以TI毫米波感測模組為基礎之人數統計方案
零組件通路商大聯大控股宣布旗下世平集團將推出以德州儀器(TI)IWR1642 的77G mmWave毫米波感測模組為基礎之人數統計方案。
目前大樓自動化的感測技術包括紅外線(PIR)、攝影鏡頭(IP Cam)等,但這些技術在準確性、隱私性和環境穩定性各方面還須持續改進,才能有效滿足智慧化的要求。
毫米波(mmWave)是一種使用短波長電磁波的特殊雷達技術。雷達系統發射的電磁波訊號因發射路徑上的物體阻擋繼而發生反射,透過反射訊號,雷達系統可以判斷物體的距離、速度和方位,且短波長具高準確度,頻率為76~81GHz(對應波長約為4mm)的毫米波系統能感應到小數點以下的毫米波動。毫米波的感測器可以克服大樓自動化感測技術的難題。毫米波技術可以提供感測範圍內物體位置和速度資訊的點雲(Point Cloud)。該技術使用高射頻,因此感測功能在各種戶外條件如強光、黑暗、霧氣、煙霧和下雨等依舊能穩定運作。
在人數統計方案中,IWR1642可管理所有用來追蹤和統計的軟體。無需外部處理器,僅需一台電腦即可操作視覺化和圖像使用介面(GUI)。可直接透過WiFi或UART讀取數值;基礎毫米波感測器模組可提供物體方位、速度、距離資訊,根據人數統計應用,軟體提供計算後的數值;此方案可整合生理訊號量測功能,除人數統計外,並可對特定空間的人員進行生理訊號測量。
模擬方案/服務雙管齊下 毫米波天線/設備整合難度遞減
5G應用於2019年啟動,在6GHz以下頻段成功商用之後,電信商、半導體業者也紛紛加快毫米波(mmWave)頻段的應用開發。不過,由於毫米波頻段偏高,加上導入波束成形(Beamforming)技術,5G毫米波天線與產品的整合難度因而大幅上揚,為加快整合時程並降低成本,不僅模擬工具重要性隨之增加,與此同時模擬工具供應商也進而衍生出新的服務模式。
毫米波應用挑戰在於天線/設備整合
安矽思(ANSYS)資深應用工程師林鳴志(圖1)表示,5G毫米波設計目前最主要的挑戰在於,如何找出「激發相位(Excitation Phase)」。由於5G導入了多重天線(MU-MIMO)設計,使得天線的數量大幅增加,例如2×4的規格就有8根天線,為了使天線獲得最好的共振效果,天線在產品中擺放的位置也比以往更加講究,不同的相位,天線的增益效果也會不同。
圖1 ANSYS資深應用工程師林鳴志表示,激發相位(Excitation Phase)是目前5G毫米波應用開發的最大挑戰。
林鳴志指出,因此,目前5G毫米波產品最大的設計挑戰在於「摸清」相位的排列組合,不同的設備、材料或是擺放位置,都有可能會影響訊號的穩定性和性能。所以,在進行5G模組與產品整合時,就必須重新尋找一次相位,由於相位的擺放沒有固定位置,只要換個終端設備、材料等,相位的排列組合就會改變,設計人員就因而須再花時間找尋最合適的相位。
另外,5G也導入了波束成形的技術,對於系統廠商而言,在進行天線與裝置的整合測試時,必須要分析這些波束(Beams)的功率密度,以及如何組合才能達到最好的效果,這可能須經過數十遍的測試。而不論是找尋相位或是分析波束組合,都需花上許多人力、物力還有時間,為了改善此一狀況,模擬工具的重要性也與日俱增。
達梭系統(Dassault Systèmes)大中華區通路技術總監馮升華(圖2)則說明,毫米波相關裝置電磁高,機器的精密程度、製程要求高,驅使天線與裝置間的整合要求更高;而天線也從單天線轉變為天線陣列,因而催生了許多設計挑戰。
圖2 達梭系統大中華區通路技術總監馮升華指出,5G的落實需要網路基礎設施的升級、軟硬體的升級和最佳化、包括基地台設備、天線、網路建構技術等都須提升。
馮升華指出,在毫米波通訊系統中,因毫米波訊號的傳播損耗較高,使得RF元件對微弱訊號具有較高的靈敏度,同時,為保證RF元件對微弱的毫米波訊號能快速回應,還須增大工作電流,因而使得RF元件功耗增加。另外,毫米波訊號波長接近或小於裝置導線的長度,可能出現線路阻抗不匹配時的「傳輸線效應」,發生訊號反射、干涉、衰減、疊加等各種訊號畸變,因而影響訊號的傳播。
另外,從整個RF模組來看,模組化程度日益複雜;而從產品整合角度來看,毫米波RF元件主要的關卡有電磁干擾、散熱、功耗等等,這和5G的工作模式有關,所以設計人員需要從電磁、散熱、外觀、材料等等這些方面共同努力突破關卡。
克服天線整合挑戰 模擬工具扮要角
5G所使用的頻段偏高,加上導入波束成形技術,增添了產品設計工程師在整合天線時的複雜度,也因此,如何善用模擬工具遂成為加快設計時程的關鍵要素,模擬工具業者也積極推動旗下5G模擬解決方案。
例如安矽思旗下的ANSYS HFSS軟體,提供三維全波精度的模擬技術,從而實現RF和高速設計,透過高級電磁場求解器和高效諧波平衡和瞬態電路求解器之間的動態連結,進而加快反覆運算和物理原型製作的時程,滿足工程團隊於天線、RF微波元件、高速互連、連接器、IC封裝和PCB等設計需求。
馮升華指出,5G時代的天線設計有諸多挑戰,比如在IoT智慧終端機,智慧型手機和車載智慧系統中,天線需要在更狹小的空間和更複雜的電磁環境中保持高性能。模擬工具須具備足夠的深度,也就是在演算法和專業上要滿足5G毫米波設計模擬的要求;第二個是廣度,模擬解決方案應該涵蓋多物理場,不僅要在電磁解決方案上有完整度,也要在結構、重力、碰撞、疲勞、熱學、聲學、流體、多體等各個學科,甚至在材料、城市級部署、工藝、系統工程、控制等領域,實現模擬自動化和總體最佳化。
為此,達梭致力提供端到端的數位連續解決方案,例如BIOVIA提供原子級新材料研發和模擬能力,SIMULIA提供系統級的電磁3D模擬、結構類比、熱類比、流體模擬等等,CATIA System Engineering提供系統工程設計與模擬。
簡化整合/設計難度 模擬業者催生新服務
林鳴志表示,上述提到,5G毫米波設計挑戰在於與裝置間的整合,而模擬工具供應業者除了提供相關模擬解決方案,加快系統廠整合速度外,如何協助系統業者進行模擬後的分析處理,是另一個重點。
林鳴志說明,進行5G天線與裝置的整合測試,在有了模擬工具之後,其實不用花費太多的時間,至多一天就會有結果。然而,要分析模擬出來的數據並製作成分析報告卻是個繁瑣的過程,例如模擬結果可能有數種可能,因而有數千張圖,截圖、分析然後製作成報告也須花費許多人力和時間。
也因此,為了不讓分析報告成為系統業者開發5G產品的瓶頸,安矽思目前也在研發專門處理分析報告的自動化程式(基於HFSS模擬工具),也就是在獲得模擬數據後,能自動進行分析,篩選出最佳或最糟的結論,使得系統業者不僅能順利進行5G天線與設備的整合,並且加快其分析報告製作時間。
馮升華則表示,隨著產品的複雜程度不斷提升,產品反覆運算速度越來越快,對軟體的性能要求越來越高,尤其對於5G RF元件的研發,涉及到的電磁場、溫度場、流體對高性能計算的要求非常高,也因此,即買即用的雲端軟體為產品的研發提供了很大的便利。
馮升華進一步解釋,5G RF元件研發設計和類比軟體的雲端化,降低了企業IT營運維護的成本,提升了IP資料的安全性,集中了高性能計算。因此,達梭系統推出支援產品研發設計、類比、製造的端到端3D體驗平台,並同時支援雲端部署和企業部署;從購買到使用,只需一個小時的下載安裝時間,即可使用,一站式解決5G RF元件的設計和模擬需求。
總結來說,5G毫米波應用的實現關鍵在於天線與設備的整合難度,雖說仍有許多挑戰待克服,但也非無法逾越的高牆。馮升華指出,5G的應用依賴於整個5G生態的發展。通常會經歷5G裝置測試、3GPP標準制定、國家發放5G牌照、行動網路營運商建立5G基地台並建構網路技術、行動終端應用、車聯網暨物聯網應用等環節。在Sub-6GHz下營運的5G網路覆蓋率是毫米波5倍以上,同時Sub-6GHz只需要在原有4G基地台上加裝5G基地台即可,大大節省了部署成本。
馮升華進一步說明,由於從覆蓋到成本,Sub-6GHz頻段遠勝於毫米波頻段,因此Sub-6GHz成為5G早期優勢頻段,產業鏈相對更成熟。因此支援sub-6GHz頻段的商用5G智慧型手機上市先於毫米波頻段的手機。比如HUAWEI Mate 20 X等。然而,毫米波頻段的手機發展進度也並沒有落後太多,比如三星Galaxy S10 5G就支援6GHz以下、28/39GHz毫米波頻段,而相容Sub-6GHz頻段和毫米波頻段的手機也將會在明年出現。
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)
簡化評估波形加速設計驗證 讓5G NR測試訊號符合標準
5G技術的宗旨是實現更快、更可靠的行動通訊。為了實現行動寬頻通訊,5G使用現有技術和新技術來達到極高的傳輸速率。然而,這些技術帶來新的測試需求,包括毫米波頻率測試、更寬的通道頻寬和複雜的多天線配置。
基地台和行動終端發射器和接收器的測試從模擬5G New Radio(NR)標準相符訊號開始。為了準確模擬訊號,測試設備必須支援通道編碼和多天線,並且必須允許以多種組合操作各種訊號參數支援複雜的測試設定。此外,需要計量等級的參考訊號,才能看到真正的待測裝置特性。強固的測試系統能產生支援各種測試情境的測試訊號,從元件特性分析、設計驗證、初期認證到大量生產測試。本文將探討如何成功產生5G NR測試訊號,並加速完成5G NR設計驗證。
簡化5G測試波形產生 加速NR設計驗證
3GPP規定用戶端設備(UE)和基地台(gNB)的5G NR測試要求。表1說明UE和gNB最低測試要求和相符性測試的技術規格(TS)。相符性測試文件規定了量測程序。測試方法包括執行測試、輻射測試或各種頻率範圍的混合測試。
每個文件指定發射器特性、接收器特性和效能測試要求。另外,第一部分為傳導測試,第二部分為輻射測試。第三部分用於NR UE在頻率範圍1(sub-6GHz)和頻率範圍2(毫米波頻率)互通,或NR和LTE之間的互通。
為執行相符性測試,3GPP指定測試案例所需的測試訊號。例如,3GPP定義了用於5G NR gNB發射器測試的測試模型(TM)和TS 38.141的5G NR gNB接收器測試的固定參考通道(FRC)。
為測試設定的實體通道需基於規格,包括邏輯通道、資源分配、酬載資料、頻寬元件、控制資源集合、基地台特定設定和RF參數。每個測試訊號有超過50個,有相關的頻寬和參數集(子載波間隔)的可調參數。支援預先定義、基於標準相符性測試設定的測試設備可以節省設定時間,確信量測符合標準。
圖1顯示FR1的5G NR TM1.1。整個無線電框架的圖形顯示位於左下角。x軸表示基於當前參數集的空隙,y軸表示資源區塊(RB)的值。大面積A區塊表示下行鏈路共享通道(DL-SCH),左下A區塊上的直線條表示下行鏈路控制訊息(DCI)。詳細的RB映射在右下角,包括小區塊B的解調變參考訊號(DMRS)和A的物理下行鏈路共享通道(PDSCH)。預先配置的設定可幫助產生符合3GPP 5G NR標準的訊號,以便如右上角所示,快速輕鬆地測試gNB、UE發射器和接收器。
圖1 用於5G NR,配備N7631C Signal Studio的5G NR TM配置
圖2說明用於gNB接收器測試的上行鏈路FRC,使用預先配置工具,測試工程師可簡單地選擇測試類型,如接收器靈敏度和通道內靈敏度,或特定測試案例的動態範圍,然後選擇具有指定子載波間隔的FRC、資源區塊數量、調變編碼機制和編碼速率。
圖2 PathWave 5G NR訊號產生嵌入式使用者介面的5G NR...