5G
波束成型挑戰多 AI確保5G訊號收發性能
具體來說,5G NR所帶來的技術挑戰如下:
.路徑遺失伴隨頻率增加(因為波長會隨頻率縮短)
.訊號衍射損耗伴隨頻率增加
.空氣介面與大氣遺失視頻率而定
.散射訊號隨頻率增加
.穿透損耗伴隨頻率增加
在3GPP TR38.901中呈現的通道模型是以3D通道特性為基準,並包括其他功能,如天線模型與更多的通道狀況。這些特色除頻率相關挑戰外,都會影響必須搭配5G NR傳輸使用的通道模型。這也表示通道狀態資訊(CSI)必須在實現適應性連結功能的過程中提供更大的彈性範圍。
5G NR中的關鍵需求之一是支援廣泛頻率,而大規模MIMO(Massive MIMO)技術則是解決相關挑戰的解答,並帶來運用通道特性和極寬頻帶的機會。另外,大規模MIMO技術也讓MU-MIMO的實現成為可能,並可增加整體系統資料傳輸速率。
儘管3GPP R14版本已可支援最多達32個連接埠的大規模MIMO,但在5G NR(即3GPP R15版本)中,大規模MIMO的連接埠數量將直接從32埠起跳,且未來版本預期將增加多達64個或更多天線。
5G的發展趨勢使得波束成型變成一種更複雜,卻又不可或缺的關鍵技術。內建人工智慧(AI)的處理器將有助於克服實現5G波束成型所帶來的挑戰。
5G波束成型須滿足眾多要求
為利用大規模MIMO天線,5G NR傳輸主要的改良之一就是波束成型計畫。視天線陣列架構而定(圖1),系統必須能支援類比、混合與數位模式的波束成型。
圖1 三種5G NR波束成型模式
不同的波束成型計畫需要進階的CSI機制才能掌握特定架構,在5G NR中採用的MU-MIMO法最多能讓12名共同排程使用者在相同的範圍中同時作業。
在5G NR中,除傳輸架構外,通道的狀態資訊也需要使用編碼簿搭配多重面板天線使用。gNodeB會要求下列UE指示,並當成CSI報告送回:
.通道品質指示(CQI)
.預編碼矩陣指示(PMI)
.CSI-RS資源指示(CRI)
.最強層指示(SLI)
.順位指示(RI)
.L1-RSRP
為掌握此複雜情況中的報告同時支援多天線特性,5G NR波束管理及5G NR CSI程序必須支援下列主要編碼簿類型:
I型:SU-MIMO CSI,包括下列項目:
單面板編碼簿:
.根據非預編碼CSI-RS為主的CSI報告
.支援單一使用者及多重使用者MIMO
.包含1-8MIMO層
.支援寬頻與次頻帶預編碼器選擇及共同成相
多面板編碼簿:
.根據非預編碼CSI-RS為主的CSI報告
.根據含面板間共同成相支援的單一CSI法
.支援最多四個天線面板
II型:MU-MIMO CSI,包括下列項目:
非預編碼CSI:
.根據預先定義的編碼簿屬於不同DFT波束的線性組合
.包含1-2MIMO層
.支援寬頻與次頻帶預編碼器選擇及共同成相
預編碼CSI:
.當各連接埠使用選取波束的線性組合成型時,UE會選擇連接埠組合
.包含1-2MIMO層
.支援寬頻與次頻帶預編碼器選擇及共同成相
總而言之,5G NR的連結使用程序必須支援廣泛的複雜CSI及波束管理流程。另外,因5G NR的時槽(Slot)更短,與前一版LTE相比,在UE中處理CSI報告的最大延遲會明顯減少。
AI處理器解決CSI報告挑戰
為了滿足5G NR所帶來的種種挑戰,特別是因導入大規模MIMO而產生的CSI報告難題,CEVA推出了名為PentaG的矽智財(IP)平台。
PentaG是業界第一個專為5G NR設計的IP平台,主要應用是3GPP 5G NR...
5G商用帶動設備需求 「以硬帶軟」成台廠致勝關鍵
日、韓、美、中、英等國將在2019~2020年開始,陸續啟動5G商用服務;該趨勢將帶動5G基地台及智慧型手機等需求。台灣ICT廠商若要在此趨勢中搶得商機必須秉持著硬體優勢,並積極整合各垂直領域的專業知識;目前在各大開源組織計畫中,也已看見台灣網通廠商加入。
工研院產業科技國際策略發展所產業分析師陳梅鈴指出,5G通訊技術的發展不單單是會帶動ICT產業,相較於以往,5G將與各行各業垂直領域應用將有更為密切的合作。因此,對於台灣廠商而言,除了深化資通訊專業能量之外,也必須持續強化不同領域的專業知識。
在5G時代,軟硬體的整合與優化將是台灣ICT產業成長的契機。台灣廠商的硬體設備的開發製造實力堅強,應深化人工智慧(AI)、邊緣運算、開源軟體等技術開發,加速開發5G時代下所需要的創新應用產品。
自2018年3GPP完成5G NR NSA、SA標準制訂完成後,各國政府也陸續發放5G頻譜,加速了5G網路建置的時程。工研院預估,自2019~2020年起,南韓、美國、日本、中國大陸、英國等將搶先推出5G商用服務,進而帶動5G基地台、5G智慧型手機的需求出現。另外,5G大頻寬(eMBB)、大連結(mMTC)、低延遲高可靠(URLLC)特性,也將加速更多應用服務的發展。因此工研院預估,在5G行動網路應用發展下,除基地台、手機陸續升級至5G外,也將帶動更多包括AR/VR裝置、服務型機器人、無人機等新興載具的需求成長。
在此趨勢之下,設備的開源化也是一重要趨勢,未來電信商的設備將來自各個不同供應商。例如,由Facebook 發起的開放運算計畫(Open Computer Project, OCP)正積極的討論不同軟體架構的可能性,而在軟體定案後,更需要應體的配合運作。目前也已能在許多開源計畫中看見台灣廠商的參與,並且除了網通廠商之外,也能看見各零組件大廠紛紛開始布局。
2030前瞻科技開始布局 6G重要性亞洲第一
面對未來全球創新趨勢,工研院與美國電機電子工程師學會(Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE)合作,針對亞洲進行2030 前瞻科技調查,透過向日本、新加坡、韓國、台灣、中國大陸、馬來西亞、泰國、印尼、菲律賓與印度等十個亞洲國家前瞻技術研發之專家及研發機構進行問卷調查後,提出未來十年亞洲最看重的前十大技術發展項目,並進一步與全球重點技術進行交叉比對。其中,6G行動通訊技術的重要性排名亞洲第一。
工研院產科國際所經理蘇明勇指出,行動通訊技術大約每十年演進一次,故預估2030年將進入6G時代,將結合5G行動通訊和衛星網路以達到全球覆蓋,讓行動終端傳輸速度達到11Gbps,並以滿足5G未能達到的各種生活應用與商業需求邁進。
蘇明勇進一步強調,儘管第一階段5G將會結合4G設備以NSA(Non-Standalone)架構實現,然而未來將會轉向SA(Standalone)架構,才算是真正完成5G理想。在未來,由於6G願景是必須整合衛星通訊與海底通訊,其中的技術挑戰相當大,因此5G邁向6G的設備演進,也不會是跳躍性的改革;5G與6G也會共存一段時間,再慢慢往獨立的6G架構演進。
IEK指出,調查亞洲國家對於6G的投入,可發現6G對於先進國家、開發中國家亦均有非常大的影響性;在投入6G技術的理由中,經濟發展、社會是最主要的因素;在滲透度上,6G對於先進國家、開發中國家都一樣重要;在投資優先度上,先進國家明顯較開發中國家積極;在投資額上,開發中國家較先進國家多;整備度上則以先進國家較為領先。
在2019年,在全球部分區域將會看到5G行動網路商轉,然而台灣要等到2020年才會發布5G頻譜。面對即將來到通訊產業發展,蘇明勇認為,台灣廠商的弱勢是缺乏大基站的設備技術,然而在手機等終端設備設備零組件的供應上,台灣廠商依然具備相當能量。因此,台灣廠商應該積極與諾基亞(Nokia)、愛立信(Ericsson)等大型設備廠商配合,並開始投入設備的驗證測試,唯有在2019年開始布局,才能在2020年切入國際市場。
是德攜手Nokia驗證5G覆蓋範圍
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。
5G帶動不降速吃到飽方案 多元資費成營運商難題
3GPP R15 5G NR SA版本內容已於2018年出爐,眾解決方案皆已陸續推出,基礎建設亦如火如荼布建當中。由於5G的高傳輸速率,能夠帶來的應用眾多,因此對於電信營運商而言,該如何針對市場虛求提出相對硬的資費方案成為一大難題。可以肯定的是,不降速的吃到飽方案(Unlimited Data Package)將成為全球主流,但是其中涵蓋何種應用服務內容,則依不同區域市場需求而定。
Ovum寬頻與多合一服務研究團隊負責人Nicole McCormick表示,到了5G時代,將產生相較於4G更多的數據流量,因此目前已經看到全球各國眾電信營運商紛紛開始規畫不降速的吃到飽方案,以迎接2019年5G行動服務商業化。
時至今日,各國許多電信營運商皆有推出4G吃到飽方案,然而多有數據流量限制,一但超過流量便會降低連線速度。但是,在5G時代真正的不降速吃到飽方案將會成為市場主流。McCormick進一步說明,除了來自傳統的數據流量之外,5G也將帶動更多串流內容服務(Over The Top, OTT) 、AR/VR電競、3D影音甚至是車聯網相關應用,使得網路服務的範疇更加多元。因此,該如何因應各種需求推出不同的不降速吃到飽資費方案,將是營運商在2019年的巨大挑戰。
同時,也由於加值服務的日趨多樣,較為小型的電信營運商恐難提供所有5G應用需要的套裝方案,因此,未來電信營運商規畫資費方案時,將會依照該公司在5G生態鏈中的定位,以及該公司的業務規模,提出不同的內容包套方案。例如,較為小型的電信營運商將會以行動數據的吃到飽方案為主;大型的電信營運商則較有能力針對AR/VR、電競、車聯網這樣的高階應用推出相關服務。
目前在美國、韓國、中國的電信營運商,皆預計在2019年啟用5G行動服務,相關的OTT以及其他加值服務也會是各國營運商最重要的強打賣點。然而,每個區域市場的重要應用皆會有所差異,因此推出的套裝資費方案也會不同。McCormick也提到,儘管不降速的吃到飽資費方案與內容加值服務是眾營運商經營5G市場的重要發展方向,但是目前就連預計在2019年推出5G行動網路服務的韓國營運商,至今依然尚未發布確切的資費方案,由此可見,對於營運商而言,在5G上路第一階段該針對何種應用、如何定價皆還在討論當中。
另一方面,McCormick強調,儘管5G上路會帶動更多終端使用者更加依賴行動網路,然而在五年之內全球市場對於固網的需求依然會很龐大,無法被行動網路所取代。以區域市場來看,如印尼等東南亞國家,本就是以行動網路為主的市場,因此該變動會較為明顯;然而如美國、澳洲等固網基礎建設較為成熟的區域市場,儘管可能會有少數使用者轉向只使用5G行動網路,但是不會對於固網市場有太大影響。
是德推5G基地台製造測試方案加速5G網路部署
是德科技(Keysight Technologies)日前宣布推出Keysight S9100A 5G多頻段向量收發器(S9100A)。這款小型且可擴充的5G基地台製造測試解決方案,讓網路設備製造商(NEM)能夠簡化5G New Radio(NR)基礎設施的容量測試,進而加速5G網路部署。
該解決方案使用通用的硬體和軟體平台(包括Keysight的PathWave),以支援最新的3GPP 5G NR Rel 15.2.0標準。如此一來,無線設備製造商可輕鬆地從研發設計驗證,順利推展到整合和驗證階段,最後進入量產階段。它還提供 NEM 所需的擴充性,以便在空中傳輸(OTA)和傳導測試環境中,快速且經濟有效地驗證在低於6GHz(FR1)和毫米波(FR2)頻段中運作的複雜5G設計。
Keysight S9100A採用是德科技全新的M9410A PXIe向量收發器(VXT),因此可透過小型的模組化設計,提供領先業界的射頻效能,進而增進製造測試的效率和可擴充性。是德科技的VXT提供高達1.2GHz的頻寬支援,並結合高效能毫米波收發器頭端,可在小型FR1和FR2中提供同級產品最佳的差錯向量幅度(EVM)和相鄰通道洩漏比(ACLR)效能。
台灣是德科技總經理張志銘表示,在是德科技推出5G基地台製造測試解決方案後,全球網路設備製造商可充分提升5G設備的製造水準。S9100A具備從6GHz和毫米波頻率的可擴充性、輕巧的設計,以及卓越的射頻效能,讓使用者能明確而快速地從設計驗證,一路推展到大量生產的最後階段。
邊緣/5G帶動下一波DRAM成長 2020年後成資料中心發展主軸
伺服器是目前僅次於智慧型手機的DRAM重要產能出海口。儘管目前僅居第二,然而未來由於人工智慧、邊緣運算與5G的需求崛起,伺服器的DRAM需求將巨量上升,前景相當可觀。
DRAMeXchange研究經理黃郁璇預測,在2020~2021年,行動裝置的DRAM消耗量還是會居於世界第一,大部分的DRAM產能還是會到行動裝置上。然而,黃郁璇認為,到了2021年後,由於伺服器的應用更寬廣,容量又無上限,因此有可能會取代行動裝置在眾原廠心目中的地位。
DRAMeXchange資深分析師劉家豪進一步指出,現階段產業普遍專注於雲端到端點(Cloud to Device)的連線,此模式將會隨著使用量的增加而造成延遲。然而,如自駕車、智慧醫療、工業物聯網的應用實行上,對於延遲的容忍度較低,必須藉由未來5G落實之後,透過5G伺服器與閘道器(Gateway)的協同處理,邊緣運算才能夠解決此延遲情境。資料中心的落實成為近年DRAM需求的主要推手,占DRAM市場全年三成以上的消耗量。
在倚賴雲端架構提供服務的基礎上,終端被賦予的運算能力相對薄弱,多是藉由雲端來獲取運算與存儲資源。然而,未來5G商轉後將賦予資料中心活化的因子,帶動微型伺服器(Micro Server Node)與邊際運算成長,並將成為2020年後的產業發展主軸,以實現物聯網與車聯網等應用場景。由2017年開始,北美兩大電信營運商AT&T與Verizon已陸續開始在投入5G伺服器的配套措施,這也是台灣與中國的ODM、OEM廠商在未來需要關注的市場重點。
Arm滿足次世代超大規模資料中心運算需求
Arm近日宣布針對5G網路與次世代雲端至終端基礎設施的全新基礎設施等級IP品牌以及發展藍圖細節。Arm Neoverse解決方案採用獨到的設計,旨在提供超越當前的效能、安全、以及擴充性。從微架構設計一直到晶片、軟體、以及系統等方面的創新,將實現頂尖的解決方案,因應所有領域運算產品多樣化且持續演變的需求。
Arm讓各界首度一窺其Neoverse處理器IP的發展藍圖,搶先揭露即將推出的平台,這些平台都已針對尖端製程節點進行最佳化。全新產品發展藍圖特別針對基礎設施設計,率先推出的將是2019年初的7奈米「Ares」IP平台,一直到2021年期間,將提供每一世代達30%的效能提升幅度。Neoverse IP產品藍圖特別設計用來滿足包括效能、效率、以及擴充性方面的特別需求,以因應持續變化的資料模式、新型作業負載、以及對於基礎設施演化持續增加的需求,進而支援數量將達一兆台的智慧裝置。
Arm資深副總裁暨基礎設施事業部總經理Drew Henry表示,Arm正在雲端、網路、以及儲存領域掀起一波顛覆浪潮,藉由Arm Neoverse為新型全球基礎設施打下基礎,實現一兆台的連網裝置。Arm Neoverse IP將讓運算資源傳送到最需要的地方;在最適合地方儲存資料;以及推動連網的演化,讓各界安全無虞地連結這個複雜世界。
強攻雲端/邊緣運算商機 Arm新一代Neoverse處理器亮相
Arm積極布局雲端/邊緣運算市場,於近日公布針對5G網路與次世代雲端至終端基礎設施的全新IP品牌「Arm Neoverse」以及其發展藍圖。此一解決方案從微架構設計到晶片、軟體及系統等方面皆有進一步的革新,提供更高的性能、安全性和可擴展性,因應所有領域運算產品多樣化且持續演變的需求。
Arm基礎設施事業部總經理Drew Henry表示,現今的聯網傳輸數據中有70%是影像,從Facebook、YouTube上的視訊影片,到Netflix和Hulu的串流電影等。未來當物聯網世代到來,有著成千上萬的聯網設備時,不僅數據傳輸模式將跟著改變,流量和資料規模也會顯著成長,而截取、分析資料訊息的運算也漸漸從雲端延伸至邊緣。
Henry進一步說明,也因此,基礎設施產品的開發難度逐漸增高,從高性能伺服器到高效的邊緣運算平台,或是閘道器、WAN路由器等,對於高性能、安全且可擴展的產品需求越來越高,且只有廣泛的生態系統才能滿足各種不同且嚴苛的運算要求;因此,Arm致力於實現Neoverse生態系統。
在宣布Neoverse處理器IP產品後,Arm也一併揭露其日後的發展藍圖,率先推出的將是2019年初的7奈米「Ares」IP平台,一直到2021年期間,將提供每一世代達30%的效能提升幅度。
據悉,Arm Neoverse瞄準新型基礎設施以及多樣的使用情境,其中包括超大規模(Hyperscale)雲端資料中心、儲存解決方案,以及5G網路,其依據的設計指導原則主要圍繞在針對雲端原生與網路作業負載量身打造的世界級高效能安全IP與架構;針對尖端製程節點進行最佳化的高擴充性IP組合,包含Ares(7奈米)、Zeus(7奈米+)及Poseidon(5奈米),讓系統能支援跨世代的基礎架構;最後則是健全的產業生態系統,促成廠商研發各種獨特且類型多元的解決方案,利用在標準化軟體、工具、以及晶片平台上的投資,開發出能支援各種使用情境的產品。
Henry指出,Neoverse IP產品特別設計用來滿足包括效能、效率、以及擴充性方面的特別需求,以因應持續變化的資料模式、新型作業負載、以及對於基礎設施演化持續增加的需求,進而支援數量將達一兆台的智慧裝置。
產學攜手創佳績 A-SSCC重要性逐年提升
近年亞洲諸國在半導體製造與晶片設計不僅已成為國際上的重要成員,更是未來成長幅度最大之區域。因此,兼具學術與產業影響力之IEEE亞洲固態電路會議(IEEE A-SSCC),亦成為晶片設計領域之重要國際會議。
IEEE A-SSCC台北分會主席張孟凡指出,亞洲的半導體產業日趨強盛,除了台灣在IC設計與晶圓代工具備堅強實力,日本在汽車電子的發展亦不容小覷,韓國則是在記憶體領域拔得頭籌,中國更在近年於半導體領域急起直追;使得A-SSCC會議的重要性更為顯著。
2018 IEEE A-SSCC會議在今年即將邁入第14屆,且為台灣第四度主辦。由於近年來行動裝置與人工智慧晶片的普及應用,造就市場渴求更深化融合的前瞻行動智慧裝置,因此今年度的主題聚焦在「Silicon Enabling Mobile Intelligence」將針對半導體趨勢、5G、人工智慧(AI)等主題有更多的探討。
舉例而言,近年來雙鏡頭、三鏡頭系統逐漸出現在智慧型手機應用之中,除了提供了更好的拍攝品質之外,更能實現AR、VR、事後對焦等應用。清華大學電機工程學系副教授黃朝宗便率領團隊,提出了「FPGA低功耗光場廣域深度處理器」論文,發表五鏡頭的影像捕捉方法與系統展示。
黃朝宗說明,五鏡頭系統與硬體的成本、功耗皆和傳統方案無太大差異,然而在五年前開始投入該研究時,市場上尚未出現雙鏡頭手機,因此廠商對於多鏡頭架構多有所保留;然而時至今日三鏡頭架構亦將開始導入手機,相信五鏡頭的市場接受度也將逐漸提高。
另外,張孟凡也提到,台灣近年也由於晶片系統國家型計畫(NSOC Program)、智慧電子國家型計畫以及射月計畫的推動而有所斬獲。在未來,學界也將持續與產業界攜手共同發展技術。
2018年台灣在產學研界的熱切參與及大力推動下,在A-SSCC再創佳績。共被大會接受16篇論文。其中學界部份,清華大學獲選5篇論文、台灣大學4篇論文、交通大學4篇論文、成功大學1篇、台科大1篇;業界部份,台積電有1篇入選。由此可見,台灣過去於晶片設計領域之研發技術的投資逐漸開花結果,將引領台灣半導體晶片設計領域邁向從技術跟隨者與低成本取向,轉型為技術領先者與高利潤之優勢。