波束成形

凌華科技日前加入全球Joint Beyond5GResearch Initiative (JB5GRI)計畫，將與其他九家公司共同探索5G之後的新技術，研究並描繪6G未來。 凌華科技將在JB5GRI中與其他成員共同探索各種技術，例如AI網路自動化、如何將通訊去集中化並進一步分散、以及如何推動高頻譜通訊等等。JB5GRI 著重於未來行動通訊系統的前瞻性技術，目標是針對5G之後的網路與服務進行早期預先標準化和技術整合，朝 6G 邁進。 凌華科技先進技術事業處資深技術專家兼研究員 Luca Cominardi 表示，該公司正在規畫未來。新一代行動網路從概念到上市的時間約為10年。為了讓 6G 上線前準備就緒，必須從現在就開始研究和創新。 JB5GRI將研究假設性使用案例，包括未來的AI聯網車、具有端對端網路安全性，並以分散式AI為基礎的全網路資源共用、與AR/VR 智慧眼鏡結合的觸覺網際網路，以及驗證 THz 頻段的波束成形(beamforming) 凌華科技以其在開放原始碼 Eclipse Edge Native 以及IoT 專案如Zenoh、Fog05、Cyclone DDS的地位，為JB5GRI提供包括邊緣運算、霧運算和多接取邊緣運算(MEC)等分散式通訊、分散式管理和分散式運算的專業知識。 Zenoh 是從零開始打造的新通訊協定，解決霧運算和邊緣運算的資料管理挑戰。Zenoh屬於去集中化和分散性質，能夠從受限情境縱向擴充到網際網路規模；Fog05 針對霧和邊緣基礎架構中的分散式裝置、虛擬化應用程式以及機器人運作提供去集中化基礎架構管理；Cyclone DDS...

全球無線測試解決方案商萊特波特(LitePoint)日前宣布其5G實驗室於台北正式落成。 LitePoint 5G實驗室的設立旨在貼近客戶，為5G波束成形(Beamforming)技術提供完整測試環境。無論是緊縮場(CATR)還是遠場(Far Field)量測艙都一應俱全，配合LitePoint推出的首個單機測試系統IQgig-5G大量簡化設定與校準時間，幫助客戶快速解決問題。 LitePoint全球業務副總裁Richard Hsieh表示，新設立的5G實驗室籌備多時，其重要性不言而喻。LitePoint致力於創新與本土化服務，協助客戶進行跨生態系統、供應鏈的掌控，確保從研發到製程製造能力的改善，縮短上市時間的時程，並獲得快速產能提升，追求最大獲利，正是實驗室的設立目標。” 波束成形（Beamforming）是5G關鍵技術之一，其量產測試成本昂貴，且專業人才資源稀缺。LitePoint的投入，無論從測試硬件設備方面還是專業測試工程師方面，均解客戶燃眉之急。除此之外，該實驗室支持世界知名晶片廠商，提供經驗證通過的測試解決方案。

產業研究機構Yole Développement(Yole)發表最新研究指出，電信基礎設施的射頻前端(RF FE)市場規模在2018年達到14.7億美元，預計到2025年將達到25.2億美元。在全球扁平化的電信產業中，RF FE市場在2018年至2025年期間呈穩定成長，在此期間的年複合成長率為8%。 2020年將進入市場的5G無線通訊將成為下一個行動技術標準。隨著許多創新技術的發展，新系統的建置對射頻產業產生強烈影響，因此部署了支援特定協議和操作模式的新基礎架構，例如大規模MIMO、波束成形、波束控制、載波聚合等。 目前仍有超過75%的5G天線、射頻技術相關專利正在申請中，因此Yole認為，未來幾年還會有很多變化。三星、Intel、愛立信和華為已開始將其產品組合擴展到全球。三星和英特爾似乎是目前在限制其主要競爭對手的專利活動和經營自由方面處於最佳地位的兩個領導者。而GaN、GaAs、SiGe或RF-SOI等其他平台在不久的將來會顯著成長。 在此問題上，最有趣的動態之一是GaAs的發展。隨著主動式天線系統(Active Antenna System, AAS)可能成為主流，將需要更多數量的低功率寬頻功率放大器以及諸如波束形成器之類的新元件。起初這些元件主要採用GaAs製程，尤其是出於性能方面的考量。當市場成長到足以被視為一個利基市場，其他技術如RF-SOI或SiGe有望取代GaAs，就像在手機產業取代GaAs一樣。砷化鎵將成為主動天線模組的過渡平台。  

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。 圖1　羅德史瓦茲應用工程部經理林志龍提到，5G的高門檻讓廠商的測試成本大幅提升，測試設備成本至少千萬。 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。 圖2　是德科技行銷處資深行銷專案經理郭丁豪指出，測試認證廠商已經布局5G商機多時，只待商機爆發。 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。 圖3　5G元件到系統所需的量測方案 資料來源：羅德史瓦茲  

毫米波雷達(mmWave Radar)在車用感測器領域已占有一席之地，一方面由於歐洲電信標準協會(ETSI)和美國聯邦傳播委員會(FCC)制定的頻譜規則和標準已禁止新產品使用24GHz超寬頻段，另一方面車用感測器也要求更精準的感測解析度，因此，高頻(77~79GHz)毫米波雷達開始快速發展。為提升高頻毫米波雷達精度，工研院資通所技術副組長陳文江指出，透過陣列天線與波束成形(Beam Forming)技術可以讓毫米波雷達更精準、傳輸距離更遠。 工研院資通所新興無線應用技術組組長丁邦安表示，毫米波雷達在車用感測方面的應用最初是因為先進駕駛輔助系統(ADAS)的興起，後來才進入了自駕車發展的領域。但是自駕車感測器要模仿的器官就是人眼，而人眼是一個非常偉大的器官，要用機械替代如此精密的感官有相當大的挑戰。因各種車用感測器如光達(LiDAR)、毫米波雷達、攝影機等分別有技術上的優劣勢，目前感測融合技術互補乃是車用感測器主流趨勢。 但丁邦安也提到，感測融合也有其困難，由於感測器數量多種類又不同，資訊量當然就跟著增加。資訊量大的情況下，若是不同感測器的感測結果產生矛盾，要如何判斷將是一大挑戰。以現在的技術來說，正確的感測和運算可以達到辨識物體的能力，但在車用領域同時也要求短時間做出正確的判斷，過於複雜的演算法和大量的感測器也會讓成本變得高不可攀。因此，丁邦安認為短時間內，毫米波雷達的主要舞台還是在ADAS和主動安全的領域。 針對高頻毫米波雷達如何提升精準度，陳文江進一步說明，理論上頻率越高傳輸距離是越短的，因為高頻會有衰減的問題，而77~79GHz的衰減至少是24GHz的九倍以上。而之所以會選擇高頻毫米波雷達是因為高頻的波長短，波長短就可以掃描得更精細，因此解析度就會比較高。 為了解決高頻訊號衰減的問題，可以透過陣列天線的方式讓傳輸距離提升、掃描範圍變廣。藉由開關天線改變使用天線個數的方式控制波束，即波束成形技術，集中波束便能使傳輸距離變遠，寬波束可以進行短距離大角度範圍的掃描。在IC發射功率固定的狀況之下，藉由波束控制即可以調整訊號傳輸距離。且由於高頻的天線可以做得較小，而且可直接印在PCB板上再拉到IC上做成小模組，因此增加陣列天線的成本並不會太高。 丁邦安總結道，車用對於安全性的要求非常高，萬中不能有一失，高頻毫米波雷達要在車用領域普及會遇到最大的困難在於道路實測與成本。目前藉由提升運算量、增加天線數量、提高雷達頻率都可以讓解析度與辨識度提升，技術方面和理論已足夠成熟，但是成本將會高到難以接受。在安全與成本的拉鋸之下，高頻毫米波雷達用於自駕車仍有一段路要走。但是可以肯定的是高頻毫米波雷達在車用領域取代低頻毫米波雷達將只是時間的問題。

2019年上半年高科技產業關鍵字非「5G」莫屬，從消費性電子展CES到世界通訊大會MWC，各式各樣的5G方案競相出籠，晶片、手機、CPE、創新應用(娛樂/遠端電視製播/遠距醫療手術/工業/交通)、商業化服務、關鍵技術(Network Slicing/CoMP for Spectrum Sharing/C-V2X)，看得消費者眼花撩亂，5G在這一年邁入全面啟動的階段，標準宣示的前瞻應用願景看似就在眼前。 另外，除了許多展示的5G之外，美國與韓國已經於2018年底與2019年初推動商轉，其他各國也在釋照與網路建置的階段，如火如荼發展中，據統計2019年3月已經有70個5G網路建置計畫拍板。不過，就在此時，拔得全球頭籌的美國Verzion 5G服務，傳出訊號太難找用起來像4G，網速不穩定；無獨有偶，積極投入5G的南韓，消費者體驗也從原先宣稱的4G 40倍網速，掉到只有4倍左右，到底要全面改變人們通訊體驗的5G是真的掉漆，還是美麗的誤會，我們從現況觀察進一步分析這些迷思的真相是甚麼。 MWC 2019 5G方案大舉出籠 在3GPP於2018年第三季順利通過5G標準的背景下，MWC 2019自然就是領導廠商們秀肌肉的舞台，從5G晶片來看(圖1)，龍頭Qualcomm推出Snapdragon X55基頻晶片，開始支援2/3/4/5G，5G下載速率達到7Gbps，4G達到2.5Gbps(Cat.22)；聯發科M70為業界Sub-6GHz實測最快的晶片，下載速度達到4.2Gbps，但還沒有支援毫米波頻段；UNISOC在GTI Summit中發表5G晶片，僅支援Sub-6GHz，採用12奈米(nm)製程。 圖1　5G晶片解決方案概況 資料來源：各業者，資策會MIC整理(03/2019) 另外，三星也推出Exynos Modem 5100基頻晶片，預計只會搭載在自家手機或部分機型上；華為旗下的IC設計公司海思(Hisilicon)發表Balong 5000基頻晶片，規劃將與Kirin 980應用處理器共同提供手機終端的5G服務；而過去一段時間相當積極的Intel也以XMM8060調制解調器應戰，本來預計2019年下半年推出正式的5G晶片，然而在4月中，Intel宣布退出5G數據機晶片，看來未來手機市場高達15億規模，5G晶片合格玩家還是只有一隻手數得出來。 而就算5G晶片還是半成品，手機品牌廠商還是積極推出5G手機與終端，MWC 2019各家業者展出多款產品，包括家用網路設備(Router、CPE)、行動分享器(Hotspot)、小型基地台(Small Cell)與最受矚目的5G手機等。Samsung、華為、LG、Sony、OPPO、小米、Motorola、中興等一二線品牌皆有展示，包括原型機與商用機共十二款，除了華為採用自家5G晶片，其他業者皆是採用高通的5G解決方案Snapdragon 855，搭配5G基頻X50。 5G服務上路　消費者體驗待加強 而5G的全新體驗，也跟著緊鑼密鼓的上路了，2018年10月美國Verizon推出毫米波固定式無線存取(Fixed Wireless Access, FWA)，12月AT&T推出5G毫米波熱點服務，南韓三大電信業者SK、KT、LG Uplus的5G服務也於2019年3月商轉，南韓政府更宣示未來四年將斥資30兆韓元(約台幣8100億元)支持5G生態體系。 不過在消費者體驗上，有科技媒體編輯使用摩托羅拉Moto Z3手機測試Verzion的5G網路，表示訊號不夠穩定，5G偶爾能達到最高網速600Mbps，有時卻下降至200Mbps，使用體驗與4G差不多，沒有明顯的升級感。而且5G網路覆蓋率低、訊號也很少，經常走幾步就沒有訊號；在有5G網路情形下，網速平均在400到接近600Mbps，但上傳速度比預計要慢很多，甚至只有20~30Mbps。而南韓的體驗也一樣悲慘，上網速度沒有如預期大幅提升，並且有用戶抱怨，走到地下室，或者走進地鐵站的時候，很難收到5G訊號，手機會自動從5G轉回4G。 2019為5G商用化元年 事實上，以5G的發展進度來觀察，2019年本來就是5G剛起步的一年，不僅網路覆蓋率非常侷限，終端產品裡的5G晶片也是第一代產品，手機是最早一代的商用機，根據資策會MIC的統計資料指出，2019年5G手機出貨量預估達到372萬台(圖2)，市占率僅0.2%左右，要到2021年才會突破億台里程碑，達1.2億台，2023年達約4.5億台，逐漸侵蝕4G手機的市占率，相關環境建置與服務將逐步到位，以下從幾個面向來深入觀察。 圖2　2019~2023智慧型手機與5G手機出貨量 資料來源：資策會MIC(03/2019) 關鍵零組件完成度不高 分析前述幾個5G晶片廠商推出的產品，都是5G基頻數據機晶片，智慧型手機每年創造數千億美元的產業規模，5G手機要處理更多訊息與運算，採用系統單晶片(SoC)比較具效益，分析師預估2020年整合應用處理器的5G系統單晶片才會大規模問市，可進一步帶動產業加速推展。 另外，智慧型手機真正的龍頭Apple在今年完全沒有傳出5G...

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1　5G毫米波部署情境 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。 圖2　波束成形的各種途徑 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。 圖3　類比波束成形系統模組圖 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。 圖4　60dBm EIRP功率天線的傳輸功率、天線尺寸以及選用半導體技術之間的關係 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。 圖5　根據傳輸器的功率，各種毫米波無線電適合採用的技術 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。 圖6　寬頻位元至毫米波無線電的模組圖 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。 (本文作者為ADI無線技術總監)

是德科技(Keysight Technologies)日前宣布與韓國SK Telecom簽署備忘錄(MoU)，共同展開5G設計部署和測試技術方面的合作。 此備忘錄包括5G裝置效能驗證技術之測試案例與程序，讓新產品能在行動通訊網路中達到預期效能。此外，兩家公司也會在大規模MIMO和波束成形領域保持密切合作，以因應未來5G應用所需的高資料傳輸速度和低延遲。 目前有越來越多的行動通訊業者開始在毫米波頻率上使用5G技術，因而需要解決高射頻傳播的損耗以及複雜的信號衰減情況。是德科技在毫米波的專業知識，加上全方位的網路及通道模擬解決方案套件，為早期部署5G網路的行動通訊業者提供全面的技術支援。 是德科技副總裁暨射頻裝置與運作部門總經理Kailash Narayanan表示，很高興能與SK Telecom合作，協助他們在毫米波頻率上加速5G早期部署。是德科技與市場領導者的早期合作、對3GPP標準制定的貢獻，以及可擴充的5G測試和量測解決方案的問市，全都是加速5G部署、完成行動系統連結的關鍵要素。 SK Telecom是韓國最大的行動通訊業者，其營業額和用戶數在韓國均排名第一。根據2017年12月發布的統計資料，該公司的市占約50%，擁有3千多萬的行動通訊用戶，其中有2千多萬為LTE用戶。SK Telecom 2017年的營業額達到 7.52兆韓元，並且在2G到4G的轉移計劃中居領導地位，為其5G發展奠定重要的里程碑。

是德科技(Keysight Technologies)日前宣布與諾基亞(Nokia)合作，雙方將透過是德科技5G現場量測解決方案，驗證真實測試網路在低於6GHz和毫米波頻率中的室外和室內覆蓋範圍。 Nokia選擇使用Keysight Nemo Outdoor現場測試解決方案、FieldFox頻譜分析儀，以及Nemo Analyze軟體的組合，作為量測5G New Radio(NR)無線電波現場傳播特性的重要工具套件，並使用此套件驗證低於6GHz和毫米波頻率的室外和室內覆蓋範圍。是德科技解決方案還可協助Nokia對網路中的新軟體版本和功能進行標竿測試，並驗證其5G網路解決方案的品質。 5G NR採用的大規模MIMO和波束成形功能，都必須在現場環境中進行廣泛的測試。是德科技的5G現場量測解決方案讓我們的現場驗證團隊，能在部署網路之前先驗證網路效能，並確保網路能正常運作。這套可攜式解決方案可在毫米波和6GHz以下的頻率範圍進行量測，使得我們能夠驗證室內和室外環境的5G覆蓋範圍。 是德科技的5G現場量測解決方案為毫米波無線電波傳播，提供完整的量測系統，其中包括收集、分析和繪製資料圖表所需的軟體和硬體，它還可產生可在企業內部輕鬆共享的統計資訊。Keysight Nemo Outdoor是可擴充的現場測試解決方案，很適合用於量測無線網路中的無線介接參數；Keysight FieldFox則是手持式射頻和微波分析儀，頻率範圍為4至50GHz；而Nemo Analyze是可用於分析並顯示現場量測結果的後處理解決方案。