5G

5G手機躍居2019 MWC主軸。資策會產業情報研究所(MIC)所長詹文男(圖1)指出，觀察2019 MWC展會，預估2019年全球將有20個國家推出商用5G網路，5G終端市場競局也將展開。其中，最受矚目的莫過於5G智慧型手機，將由三星(Samsung)、華為(Huawei)等大廠領軍，於2019年年中陸續出貨，預估達372萬支，占整體智慧手機出貨量0.3%；加上Apple也將推出5G產品的助力之下，預估2021年5G手機出貨將達約1.2億支，2023年達到4.5億支。 圖1　資策會產業情報研究所(MIC)所長詹文男表示，預估2019年全球將有20個國家推出商用5G網路。 商用在即　5G手機各顯神通 2019 MWC可說是5G手機軍備競賽之地，MIC產業分析師韓文堯表示，5G手機紛紛出爐，sub-6GHz頻段為大勢所趨；由於毫米波(mmWave)尚難實現行動化，目前可商用5G智慧型手機主要以支援sub-6GHz頻段為主(表1)。 此次MWC展場上，5G原型機加上可商用手機一共有12種，在可商用機種中，僅Motorola Z3 Moto 5G Mod以模組支援mmWave，其餘皆支援sub-6GHz頻段。但部分sub-6GHz機種未來會有支援mmWave的SKU。另外，中興通訊(ZTE)則同時推出了sub-6GHz商用機種和mmWave原型機。 5G手機相繼面世　晶片方案蓄勢待發 小米推出的MI MIX 3 5G，搭載最新高通(Qualcomm)Snapdragon 855處理器。MI MIX 3 5G內置Snapdragon X50數據晶片模組，可連接達1,000Mbps等級下載速度的sub-6GHz頻段訊號。同時，華為也發布了5G摺疊式手機Mate X，內建自行研發的巴隆(Balong)5000晶片。 另外，隨著5G手機相繼面世，意味著5G初代基頻晶片方案也逐漸準備就緒。預計2020年採用5G系統單晶片的手機將上市，帶動產業加速推展。工研院產科國際所(IEK)經理蘇明勇(圖2)說明，目前全球共有201家電信業者投入5G服務試驗，分別為增強型行動寬頻(毫米波固網接取網路、超高畫質4K/8K影音、VR遊戲)、巨量多機器型態通訊(NB-loT智慧停車)、高可靠/低延遲(行動車聯網自駕車、邊緣運算智慧工廠)等。其中以增強型行動寬頻技術標準制訂較為完整，晶片、設備業者優先布局此市場；增強型行動寬頻服務發展較快，促使5G智慧型手機將於2019年第二季於市場推出。 圖2　工研院產科國際所(IEK)經理蘇明勇表示，目前全球共有201家電信業者投入5G服務試驗。 5G晶片解決方案相較以往以更加完整成熟，將帶動終端市場發展。蘇明勇點出現在晶片將以5G手機、CPE為初期市場。例如高通推出Snapdragon X55基頻晶片，開始支援2/3/4/5G，其5G下載速率達到7Gbps，4G則達到2.5Gbps。 在這次的MWC共有6個5G手機品牌採用高通，和高通合作的營運商則超過了20家。高通於MWC開展前已發表了第二代7奈米製程的X55聯網數據晶片，將於今年推出商用，支援毫米波和sub-6GHz兩種頻段，即5G和4G共享重疊頻段。同時高通預計推出5G整合晶片，將處理器和5G數據機晶片整合到系統單晶片(SoC)。 而聯發科推出了M70，下載速度高達4.2Gbps；英特爾(Intel)的5G平台模組MXM 8160 5G數據機晶片，則預計於2019年第四季提供給客戶進行產品認證，2020年第一季開始供貨。 簡而言之，目前手機晶片大廠皆緊鑼密鼓地開發整合應用處理器的5G SoC，其進度將會左右5G手機產品之市場發展。 5G非唯一亮點　摺疊螢幕異軍突起 螢幕可摺手機帶動供應鏈發展新商機。為創造便攜性同時整合手機與平板功能，手機螢幕逐漸走向摺疊設計。技術創新的螢幕可摺機除可望刺激消費者換機意願，也為相關供應鏈業者帶來新的市場機會。也因此，在2019MWC上，也看到各廠集中火力開發摺疊螢幕。如三星在2019年MWC展前宣布推出首款商用螢幕可摺手機，創造全新市場，同時兼具手機輕薄及平板大螢幕之優點。品牌廠商LG、華為也已跟進，Google亦配合Android陣營開發UI，螢幕可摺疊手機生態圈逐漸壯大。 以三星的Galaxy Fold為例，該款手機已在2019年的2月20日發表於美國舊金山。在MWC展會上展覽之實機並未開放碰觸，但能觀察到其外螢幕上下邊框黑畫面占據較大區塊，不過若與主流旗艦機的窄邊框相比，仍屈於劣勢。摺疊機目前依然缺乏相應UI內容，需要更多開發者投入，以提升使用者的操作體驗，因此三星此次將焦點放在Galaxy S旗艦機上，Galaxy Fold宣示技術領先之意味較為濃厚。 同時，柔宇也展示了FlexPai摺疊機，該摺疊操作需要較大的施力，雖是商用機，但產品設計仍偏向工程機；而華為推出的商用摺疊機Mate...

AI、5G到來推升資料中心運算需求大增，為此，英特爾(Intel)近日宣布推出全新產品系列「Intel Agilex FPGA」，不僅為日後邊緣運算、嵌入式設計、5G/NFV和資料中心提供變革性應用和具彈性的硬體加速能力；更期望能藉此維持自身市場競爭優勢，力抗來勢洶洶，積極搶攻資料中心市場的晶片大廠，如賽靈思(Xilinx)、NVIDIA等。 英特爾可程式設計解決方案事業部高級副總裁Dan McNamara表示，現今愈來愈多資料中心業者、網路服務業者需要更高效能的解決方案整合和處理不斷攀升的資料量，以支援邊緣計算、網路、雲端等新興應用。換言之，資料中心對於敏捷、靈活的解決方案需求日益增加，才得以高效地傳輸、存儲和處理資料；而新推出的Agilex FPGA不僅提供客製化的連線性能和加速功能，還能提升工作負載效能與降低功耗。 據悉，新推出的Agilex FPGA系列產品採用英特爾10奈米製程技術與異構3D封裝技術，將類比、記憶體、自訂運算、自訂I/O，英特爾eASIC和FPGA邏輯結構整合到同一個晶片封裝當中；而與Intel Stratix 10 FPGA相比，其性能提升40%，功耗則降低40%。 此外，新產品的特色還包括：高達112Gps的收發器資料傳輸速率、PCIe Gen 5介面支援、Intel eASIC裝置One API、Intel Optane DC持久記憶體支援；以及支援Compute Express Link，其為一種可與未來Intel Xeon可擴充處理器互聯的緩存和記憶體互聯技術。 簡而言之，AI、5G、雲端服務等創新應用興起，推升資料中心的運算需求，而新推出的Agilex FPGA可提供更高靈活性、敏捷性及特定應用軟體的優化和客製化，並同時提升性能和降低功耗。

數位轉型是實現工業4.0重要關鍵，而要達到數位化目標，建立可靠、完善的聯網環境為首要任務。為此，愛立信(Ericsson)發布全新工業連網解決方案(Ericsson Industry Connect)，期能藉此加速工業4.0的數位化轉型，並搶占市場先機。 台灣愛立信總經理兼韓國愛立信總經理何可申表示，根據愛立信的研究指出，一直到2026年，預估工業數位轉型商機將不斷攀升，市場規模將高達6,000億美金，推動電信業者、網路通訊設備業者紛紛投入此一領域發展。 何可申進一步說明，要實現工業4.0，首先不可或缺的便是在工廠、設備上建置許多感測器，而這些感測器皆須有連網功能；然而若是依賴有線連網，將會耗費許多布線成本和時間，因此，無線連網勢在必行。而4G、5G行動聯網相較於Wi Fi，較不易有訊號干擾問題，因而較為穩定；這也是工業成為5G主要的商用領域之一的原因，驅使電信業、和網路通訊設備業者相繼投入。 據悉，此套連網解決方案是專為工廠和倉儲等工業環境所開發，可實現安全、可靠的行動覆蓋範圍，並具備高密度配置與可預測遲延時間的特點。此外，此方案為資訊技術(IT)和營運技術(OT)專業人員提供易於使用和管理的網路管理經驗，使製造業和倉儲業的員工能夠快速地採用與部署。 透過工業級無線連網技術，該解決方案可實現創新的工業4.0使用案例，例如：配備大量感測器的數位分身(Digital Twin)檢測(實體物件的數位複製資料)；提供工作人員使用的具移動性人機介面(HMI)指令；無人搬運車(AGV)的防撞和遠端控制：以及用於自動化操作的協作機器人等。 目前瑞典的運輸解決方案供應商永德福汽車(Scania)已經在其位於瑞典Södertälje的智慧生產實驗室中採用了愛立信工業連網解決方案。Scania Group工業IT資深經理Roger Hartonen指出，如今，高品質、快速與安全的工業連網環境對我們而言已是絕對必要的；而工業連網解決方案可為我們提供可靠的無線連網環境，實現工廠內所需的靈活性，得以不斷創新來推動永續運輸系統。

羅德史瓦茲(R&S)在2019世界行動通訊大會展示5G基地台和相關的massive MIMO天線陣列及功率放大器測試解決方案。展示重點包括5G 毫米波基地台訊號分析和產生方案以及創新的OTA測試方案，這是全球第一個可在短距離對5G天線陣列進行遠場特性測試的解決方案。此外，同步展出5G自動化產線雲端測試解決方案。 R&S為新的5G行動通訊標準提供對應的測試解決方案，例如產生和分析符合最新3GPP規範(15.2.0版)的5G NR訊號。5G NR定義了比目前行動通訊更高及更低的新頻段；在6 GHz以下FR1頻率範圍，其中最重要的是3.4 GHz到4 GHz頻段，以及26 GHz到29 GHz的毫米波頻率範圍(FR2)。新的R&S FSW訊號暨頻譜分析儀可用於5G設備或功率放大器這類元件在開發過程中的上行訊號測試和5G基地台下行訊號測試，並可決定包括誤差向量幅度(EVM)在內的所有關鍵效能參數。R&S SMW200A射頻向量訊號產生器可產生上行和下行接收機測試所需的訊號。R&S FSW和R&S SMW200A皆為5G基地台所採用的高性能、高效率Doherty功率放大器的絕佳測試儀器。雙通道R&S SMW200A可產生高度同步的訊號，同時，R&S FSW為Doherty或其他功率放大器性能優化提供有效的分析手段。 針對5G NR基地台性能測試的新功能為R&S SMW-B15寬頻衰減模擬選配，為了能在接近真實條件下對基地台資料接收性能進行測試，R&S SMW200A寬頻版本能夠模擬符合5G NR Rel.15規範的高精確度毫米波發射訊號。只要一個按鍵就能產生最高頻率44 GHz，訊號頻寬至2 GHz以及衰減頻寬達200 MHz的訊號。R&S...

是德科技(Keysight)宣布成功協助中國行動通訊裝置領導廠商一加(OnePlus)，於英國行動電信商實驗室中，展示透過5G智慧型手機進行的5G數據連接。本次連接採用是德科技5G網路模擬解決方案及OnePlus的旗艦級5G智慧型手機，後者搭載Qualcomm Snapdragon 855行動平台、Snapdragon X50 5G數據機、具整合式射頻收發器的天線模組、射頻前端及天線元件。 該展示確立了OnePlus為英國行動通信業者重要合作夥伴的地位，並促成該電信商於今年稍後推出第一款商用級5G智慧手機。在高通科技旗艦級行動平台的輔助下，OnePlus 5G智慧手機在影音效果和遊戲娛樂等方面，均提供無與倫比的出色使用者體驗。Qualcomm平台支援千兆等級(multi-gigabit)5G通訊、領先業界的人工智慧(AI)技術，以及身歷其境的延展實境(XR)創新。 是德科技無線測試部門副總裁Kailash Narayanan表示，我們很高興能與OnePlus密切合作，使得該公司順利推出首款5G智慧手機。藉由與無線業界領導廠商進行早期5G合作，是德科技可提供具差異化特性的5G解決方案，進而推動全球行動電信商加速部署5G網路。 是德科技5G網路模擬解決方案善用UXM 5G無線測試平台的優勢，可對在6GHz以下和毫米波頻譜運作，跨不同協定的裝置進行驗證，並提供射頻(RF)、無線電資源管理(RRM)。由晶片組製造商、裝置OEM代工廠商和行動電信商共同組成的全球行動裝置生態系統，紛紛採用是德科技5G網路模擬解決方案，加速驗證關鍵5G NR功能。 OnePlus聯合創辦人Carl Pei表示，自從OnePlus於2018年10月發佈全球第一則5G推特(Twitter)開始，是德科技便成了OnePlus重要的合作夥伴，一路與OnePlus並肩前行。是德提供的先進5G解決方案，更是讓OnePlus能夠達成重要里程碑的關鍵因素。與是德科技的合作無間，不僅強化了OnePlus的研發能力，更促使OnePlus能夠信心十足地驗證新設計，確保它們符合快速發展的5G NR標準。

人工智慧(AI)、5G浪潮來襲，帶動創新應用與商業模式崛起，而台灣產業在全球市場競爭下如何轉型突圍、接軌國際，成為當前一大重要議題。為協助台灣產業掌握新興科技趨勢，工研院也成立產業科技國際策略發展所(簡稱產科國際所)，促成台灣與國際機構的合作，並在日前舉辦2019台灣關鍵產業機會發表會，分享國際合作成果案例。 工研院產業科技國際策略發展所所長蘇孟宗表示，隨著AI、5G技術的演進，應用將逐步滲透到人們的日常生活中，而全球科技產業正值典範轉移之際，台灣更須急起直追，從全球科技發展趨勢及市場需求出發，發揮產業既有的優勢，翻轉競爭力。另一方面，近年來亞洲經濟加速崛起，將重構區域合作發展格局，因此台灣未來的產業發展，除了厚植實力，還要借力使力，吸引國際與台灣加乘合作，才能掌握新一輪的產業契機。 為協助台灣產業有效接軌國際，工研院在2018年8月正式成立產科國際所，透過整合原有產業經濟與趨勢研究市場分析與產業智庫服務的基礎上，進一步整合本院海外產官學研機構國際網絡與跨領域創新研發能量，協助台灣產業布局全球前瞻科技市場。 工研院在經濟部技術處與工業局的支持下，推動台灣產業與國外機構的合作，透過長期經營之歐、美、日、俄等海外據點，擔任科技前哨站，運用各區域創新體系與產業科技特點，探索雙/多邊合作利基，以促動創新合作並深化與策略合作夥伴之互動連結。如「台灣與美國愛達荷州的產業聚落連結」即是一例，該計畫成功吸引美光(Micron)加碼來台投資，並與我國產業鏈合作，打造智慧自動化記憶體封測廠，建立完整的產線。 此外，為促進企業進入高附加價值，工研院陸續與先進國家建立長期夥伴關係，推動美國Micron、美國PKG公司、日本溫柔之手集團等來台投資或產業合作，並協助我國產業進入國際供應鏈體系，促成服務型新創事業之國際市場發展。

由於應用於5G的技術紛紛登場，如sub-6GHz頻段、多輸入多輸出(Multi-input Multi-output, MIMO)、毫米波(mmWave)等等，對RF元件供應商思佳訊通訊技術(Skyworks)、博通(Broadcom)、科沃(Qorvo)、村田製作所(Murata)、高通(Qualcomm)等提出了嚴峻的技術挑戰。 市調機構Strategy Analytics指出，5G無線電和RF組件的高度複雜性將使智慧型手機價格高居不下，而有可能阻礙5G的發展。但同時也推動無線電和RF組件供應商提出更具成本效益的5G解決方案，以符合手機用戶日益複雜的無線電需求。 Strategy Analytics的RF和無線組件總監Christopher Taylor表示，由於5G目前快速發展的關係，智慧型手機和其他蜂巢設備中的無線電在功能以及頻段等方面變得相當地複雜。在展望無線電元件市場的未來時，應該密切地關注整個市場的架構、歷年價格的波動和需求的趨勢，方能在營運商、設備代工製造(Original Equipment Manufacturer, OEM)和元件供應商產生利益衝突時達到雙贏的局面。 另外，Strategy Analytics策略技術副總裁Stephen Entwistle補充說明，在過去的五年之中，濾波器(Discrete Filter)、開關和放大器(Amplifier)等RF解決方案已經從分離式元件轉變為大型系統級封裝(System in Package, SiP) RF前端模組(Front-End Module, FEM)，在一個封裝中就能包含多種技術，這促使了RF前端模組供應商的整合。 隨著5G的發展，為所有能夠提供有吸引力價格、更完善的複雜模組與SoC的廠商提供更多的機會。相對地，那些沒有辦法跟上此一潮流的廠商將會被市場淘汰。

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)

英特爾推出了英特爾FPGA可程式設計加速卡N3000(英特爾FPGA PAC N3000)。此產品專為服務提供者而設計，可幫助他們為5G下一代核心和虛擬化無線接入網路解決方案提供鼎力支援。英特爾FPGA PAC N3000可加速多種虛擬化工作負載，包括5G無線接入網路和5G核心網路應用。 據預計，全球互聯網協議(IP)流量將在未來五年內增長三倍。移動使用者、物聯網設備和5G用例的指數級增長將大幅增加網路建設和運營的複雜性及成本。許多新用例需要低延遲和高頻寬，可為服務提供者帶來新的收入來源，同時降低總體擁有成本。 英特爾FPGA PAC N3000是一個高度可定制平臺，支持高輸送量、低延遲和高頻寬應用。它能夠優化資料平面性能，從而降低成本，同時保持高度的靈活性。另外，它還支持端到端行業標準和開源工具，可幫助用戶輕鬆適應不斷變化的工作負載和標準。 英特爾FPGA PAC N3000旨在加速網路流量，實現高達100 Gbps的速度，並支援高達9GB DDR4和144MB QDR IV記憶體，以滿足高性能應用的需求。FPGA 具有出色的可程式設計性和靈活性，支援客戶將參考IP用於vRAN、vBNG、vEPC、IPSec和VPP等網路功能加速負載，從而打造量身定制的解決方案。 Affirmed Networks推出了面向 5G 的虛擬化、雲原生移動網路解決方案。通過採用英特爾FPGA PAC，該公司開發了一款面向5G核心網路(CN)/演進分組核心的新型解決方案——率先實現真正的200 Gbps/伺服器。英特爾FPGA實現智慧負載均衡和CPU快取記憶體優化，可顯著增強軟體性能。該產品還可説明降低功耗和延遲，在多個 5G 網路模組中展現出多樣化的服務品質特徵。Affirmed Networks 5G核心網路方案將在世界移動通信大會的英特爾展臺精彩亮相。

賽靈思(Xilinx)與三星電子(Samsung)今日宣布雙方擴大合作，攜手在南韓推動全球首個5G新無線電(New Radio, NR)商業部署，2019年起也將在世界各地陸續展開部署。 賽靈思與三星長期合作運用賽靈思UltraScale+平台開發與佈署5G大規模多重輸入多重輸出(mMIMO)與毫米波(mmWave)解決方案。此外，三星也與賽靈思透過即將推出的自行調適運算加速平台(ACAP)Versal展開密切合作，致力於推出最先進的5G解決方案。雙方合作除了為因應新一代5G mMIMO系統多倍增長的運算密度需求外，同時也致力於促成業界運用機器學習演算法最大化波束成形增益的優點，進一步提升系統容量與效能。 賽靈思硬體與系統產品開發執行副總裁Liam Madden表示，賽靈思與三星擁有長年的良好合作關係，對於此次能參與5G NR的商業部署並擴大雙方在Versal平台的合作關係，我們感到非常自豪。賽靈思致力為客戶提供各種推動高價值服務的解決方案，也期待與三星持續合作。 三星電子網路事業部執行副總裁兼全球研發負責人Jaeho Jeon表示，透過與值得信任的合作夥伴賽靈思緊密合作，三星才能成功推出成為5G商業化關鍵且最先進的產品。藉由充分運用企業資源並加速打造旗下5G解決方案，三星將在提供沉浸式使用者體驗和為下一代打造更豐富的生活上向前邁出一大步。