LTE

貿澤電子(Mouser)即日起供貨電子解決方案製造商Molex立即可用的LTE和5G天線。這些轉軸天線能夠快速、輕鬆地整合到2G、3G、4G和5G模組與裝置之中，具有優異的涵蓋範圍和可靠度，同時具備高效率與峰值增益。 貿澤電子所供應的Molex LTE和5G天線提供多重通訊協定的解決方案，可支援GSM、CDMA、UMTS、LTE、5G NR，以及其他行動通訊頻段。這些天線產品可選用SMA-J或RP-SMA-J連接器、插頭或插座端子，以及黑色或白色的外觀，能提供靈活的天線設計。天線尺寸為171.5mm×19.4mm(展開時)或151.0mm×19.4mm(收折時)，最高增益為5.5dBi(5G)或3.5dBi(LTE)。 此天線很適合用於聯網家電，例如保全和監控設備、家庭自動化、娛樂裝置和公用設施，另外還有物聯網(IoT)、電信及網路設計。 如需進一步瞭解，請瀏覽https://www.mouser.com/new/molex/molex-lte-5g-cellular-external-antennas/。

多射頻系統共存及抗干擾設計面臨新挑戰 從射頻的角度來看，5G技術先進性的原因之一是因為5G通訊設備工作在更高的頻率，擁有更多頻寬。根據3GPP的定義，5G包括了如下圖所示的兩個頻譜範圍，分別是Sub-6GHz和毫米波(mmWave)頻段，在每個範圍內又細分了數十個頻段號，分配給不同國家的不同電信運營商使用。 以中國為例，中國移動得到了2515MHz~2675MHz和4899MHz~4900MHz兩個頻段，中國電信得到了3400MHz~3500MHz頻段，而中國聯通則被分配到了3500MHz~3600MHz頻段，放眼全球則各個電信運營商頻段的分配就更加複雜。 不同頻段在5G通訊設備裡，都對應著特定的射頻前端系統的硬體支援，對於5G通訊設備而言，如何在擁擠而複雜的頻譜環境中讓自己不被其他頻段設備干擾就成為了設計師必須要考慮的問題。 此外，5G移動終端設備除了支持5G通訊制式以外，還必須向下相容老的移動通訊制式，比如2G GSM、3G WCDMA/CDMA2000/TDSCDMA、4G TD-LTE/FD-LTE等在未來相當長時間內仍然會繼續提供服務，所以隨著通訊技術的不斷發展，通訊設備上務必會搭載越來越多種類的通訊系統(圖1)。 圖1　典型5G手機的手機模擬模型 比如華為推出的Mate 30 Pro 5G手機，便採用了最先進的5G天線設計，機身共有21根天線，搭載了包括5G、4G、3G、2G、Wi-Fi、BT、GPS、NFC等在內，多達8種無線通訊系統，這些系統在單獨工作的時候不會產生干擾問題，但當不同的通訊系統同時工作的情況下，產生的互調/交調頻譜分量或者雜訊信號很可能被抬高，導致某些極度敏感的無線系統(比如GPS)被嚴重干擾到無法正常工作。 5G通訊技術下，物聯網應用場景大量爆發，除了移動通訊設備外，在汽車、工業設備，國防設備等平台上也會搭載包括5G通訊在內的導航、探測、通訊、測控、數傳等眾多射頻系統，豐富多樣的系統特性包括了複雜的調製類型、超寬的頻率範圍、豐富的功率電平等。 這些平台上往往包含數十個射頻發射設備，這些發射設備中的倍頻器、混頻器、功率放大器等由於諧波洩漏、雜散輻射等會產生大量的交調產物，而擴頻調製、調頻工作等使雜散輻射頻譜大量增加。 同時這些平台上還包括了相當數量的射頻接收設備，這些接收設備的工作頻段各有不同，其敏感頻率(如鏡像頻率、諧波頻率等)也各有不同，隨著軟體無線電、數位化中頻、寬頻接收等技術的採用，使這些接收系統受到干擾的潛在風險大大增加，這些複雜的電磁干擾以及與電磁頻譜相關的軍事力量、設備、系統和平台的影響，成為決定整體系統和平台效能至關重要的因素。 射頻系統抗干擾模擬方案需具備五大要素 ANSYS射頻系統抗干擾模擬方案提供了一個複雜射頻環境中電磁干擾模擬的資料管理與分析的整體框架，將尖端的模擬引擎與多保真參數化模型相結合，實現對任何環境下共址干擾的準確預測，如運載平台、通訊基地台以及個人電子設備的共存和靈敏度降低等。並且針對不同傳真度登記的已知數據，可以進行不同層級的模擬分析。 這套模擬解決方案的設計理念是允許設計師在設計早期階段就開始模擬，直至整個系統設計完成後的維護階段。在設計和整合的早期就可定位出共址干擾問題，當定位出干擾問題，在對設備或系統進行否認和修改之前，便可以在軟體中進行改善策略的探索對比，從而說明客戶節省大量成本。 射頻系統共址及抗干擾模擬解決方案，所需要注重的能力包括以下幾個方面。 內建無線電模型庫和RF部件庫 多通訊系統共存情況下的射頻抗干擾模擬的第一步是對射頻系統的建模，射頻系統包含了收發機、濾波器、雙工器、放大器、混頻器、天線等諸多元件，能夠支援用戶方便快捷地實現射頻系統建模成為抗干擾模擬工具的重要技術要求。 ANSYS EMIT內置了多種通用的無線電模型庫(圖2)，包括GSM、CDMA、WCDMA、LTE、GPS、Wi-Fi、藍牙、VHF/UHF通訊、SINCGARS、CDL等許多通用的無線電模型，使用者可以直接調出使用。對於實現特殊功能的定制化無線電模型，客戶也可以通過參數化輸入對其發射頻譜和接收頻譜進行定義，也可通過導入測試資料的方式實現對未知無線電模型的建模。 圖2　EMIT內建的無線電模型庫以及可擴充的無線電模型 EMIT軟體中的無線電模型(Radio)可以是收發信機(Tranceiver)、發射機(Transmitter)或接收機(Receiver)，一個無線電模型中可以定義多個頻段(Band)，EMIT可對每個頻段配置相應的頻率、功率電平、調製方式等無線系統參數。對於發射機頻譜可以配置頻譜類別、發射功率、近端相位雜訊、遠端相位雜訊、諧波、雜散等指標，對於接收機頻譜則可以配置帶內敏感度閾值、混頻器產物、帶外雜散、飽和電平等參數。 ANSYS EMIT是用於複雜環境中射頻干擾(RFI)模擬的軟體。EMIT與ANSYS HFSS緊密配合，將射頻系統干擾分析與產業領先的電磁模擬相結合，能夠對天線到天線耦合進行建模，能夠可靠地預測多天線環境(具有多個發射器和接收器)中的RFI影響。眾所周知，在測試環境中診斷複雜環境內的RFI非常困難而且成本高昂，但是，利用EMIT的動態連結結果視圖，就可以通過圖形化信號跟蹤和診斷總結功能顯示干擾信號的源頭以及其到達接收器的路徑，從而快速確定任何干擾的根源。一旦找到干擾原因，EMIT就能快速評估各種RFI緩解措施，從而實現解決方案優化。 除了對無線電模型的快速參數化建模外，EMIT還內置包含濾波器、多工器、環形器、隔離器、功分器、放大器、線纜等在內的全面RF部件庫，這些寬頻部件模型可以生成搭建射頻系統所用的模組，這些部件模型可以利用EMIT內置參數化模型指定指標，或者通過其他模擬工具或測量獲得的特性資料生成模型。射頻系統模型中用到的無線電模型、RF部件和天線等模型的定義可保存在EMIT部件庫中以供將來使用，也可以共用給其他用戶使用。 支援多種傳真度的天線耦合模型 射頻系統的干擾路徑主要基於各系統天線之間的空間耦合，所以天線耦合資料成為決定射頻系統抗干擾模擬準確性的重要組成部分。對於設計初期的系統共存模擬驗證工作而言，該階段一般尚不具備搭載通訊系統的平台設備模型以及各系統天線的具體設計模型，所以此時並不能通過傳統電磁場模擬工具得到天線耦合資料。 而EMIT有多種天線耦合資料的定義方式，提供包括恒定耦合、路徑損耗、路徑損耗+增益、以及S參數等在內的多傳真度天線耦合資料供使用者選擇，耦合資料的精度隨之增加。 定耦合是指天線耦合量為使用者設定的與頻率無關的常數，用於系統設計初期的天線耦合度指標分配。路徑損耗天線模型的耦合量為基於自由空間內天線之間的路徑損耗，用於在設計初期考慮天線放置的不同位置對干擾程度的影響。 EMIT還可以考慮自由空間內天線之間路徑損耗以及相對方向上的增益計算得到的耦合量，用於獲悉天線設計類型之後的更準確的天線耦合資料提取，最準確的方法則是通過測試或電磁場模擬得到的寬頻S參數資料用於表徵耦合量，此資料充分考慮搭載通訊系統平台和天線的相互影響，適合用於系統設計完成後的最終抗干擾性能模擬驗證(圖3)。 圖3　EMIT多傳真度的天線耦合數據模型 EMIT內置了多種近似天線耦合模型，用於在具備更精確的天線隔離資料之前進行系統共址的抗干擾分析，在缺乏特定耦合資料的情況下，EMIT也可以用來計算避免產生干擾所需的天線間的耦合量。 快速準確的天線耦合模擬演算法 為了實現更準確的系統抗干擾模擬，使用者需要用到更準確的天線耦合資料來實現對射頻系統的建模，EMIT能夠導入天線測試資料作為耦合模型，支援使用工業標準Touchstone檔案格式描述的寬頻多埠隔離資料，而無需將所有的資料容納在單個Touchstone檔中，因為EMIT會將所有待考慮天線間的多組資料自動整合在一起。 EMIT還可以與ANSYS高頻電磁場模擬工具HFSS聯合工作，使用其商業化的電磁求解器對多天線、大尺寸的問題進行快速準確求解得到天線耦合資料。 HFSS具有的增強彈跳射線法(SBR+)求解器，利用射線追蹤技術求解天線在載入到大型平台上以後的輻射性能和耦合資料，而且SBR+在傳統的彈跳射線法基礎上添加了多種改良演算法，可以計算以前SBR演算法無法求解的邊緣電流修正、入射波衍射、陰暗區電流分佈、以及平台表面爬行波等各方面的影響，是業界最精準的射線法求解工具，可以輕鬆得到多副天線的互耦資料。 除了演算法層面，HFSS作為專業的電磁場模擬軟體還具有其他方面的巨大優勢，整合了天線設計庫，包含有數十種實際工程中常見的天線種類，使用者可以直接方便快捷地調用各種天線形式，還具備其他射線追蹤工具所不具備的物理模型，擁有與業界主流三維MCAD軟體的介面，準確高效地實現大型平台模型的導入匯出。 軟體具有強大的圖形介面，可以直觀地瞭解天線在大型平台上的輻射場圖，以及表面電流的分佈情況等。絕大多數任務都在不超過8G記憶體下完成求解，再配合HPC，利用硬體多核CPU和GPU加速，實現快速模擬得到結果。 考慮多射頻系統所有干擾因素 EMIT的1對1收發系統模擬對一對單獨Tx/Rx通道進行模擬，同時包括了收發系統相關的元件(如濾波器、電纜、放大器等)和天線的耦合度(ATA)，最後計算出接收機Rx的射頻干擾冗餘度(圖4)。 圖4　以EMIT功率流分析模擬射頻系統干擾 EMIT寬頻射頻干擾冗餘度模擬結果如圖5所示，上面的線條為接收機的敏感度閾值，該線條代表了接收機的寬頻敏感度指標。 圖5　接收通道寬頻射頻干擾冗餘度模擬結果 由於接收通道上混頻器的非線性效應，所以不僅接收帶內的干擾信號會影響靈敏度，在帶外某些頻點的干擾信號與接收混頻器進行高階互調，產生的互調產物也可能落在接收帶內，從而引起接收機敏感度惡化，所以接收通道需要同時考慮頻道內和頻道外干擾信號對靈敏度的影響。 圖5下面的線條是從發射系統耦合至接收埠的頻譜分量，低於上方敏感度閾值的頻點表示不會對接收機靈敏度造成干擾，而對超過閾值的頻點則是引起接收通道性能惡化的來源。 EMIT還能計算帶內的峰值射頻干擾餘量。由於混頻器、放大器等通道上的多個非線性器件，導致經過多次複雜交調互調後可能落在接收帶內的干擾信號譜非常豐富，如果分別考慮這些信號對接收敏感度的影響，從上面的寬頻射頻冗餘度結果來看都不會對接收系統靈敏度造成干擾。 但是，這些信號疊加起來產生的頻道內雜訊電平就很有可能超過接收機敏感度閾值，造成靈敏度惡化。所以如圖6所示，EMIT的頻道內峰值射頻干擾餘量則把多個落在接收帶內的干擾信號疊加起來，觀察是否超越了接收機閾值。 圖6　頻道內峰值射頻干擾餘量  EMIT還可以模擬當多個發射系統同時工作時，在多通道之間產生的有源互調交調產物，這些產物主要來源於兩個方面。 第一是多發射機同時工作，產生的發射頻譜耦合到接收機後與接收通道上的射頻前端非線性器件(如低雜訊放大器、混頻器等)產生的交叉調試。 第二是不同發射通道之間的互調，發射頻譜耦合到其他發射通道中，與其他通道內的非線性元件(如功率放大器、隔離器等)發生互調，得到的互調產物會由該發射通道往外二次耦合至接收通道，從而影響接收機靈敏度。 直觀的結果顯示和干擾診斷功能 EMIT提供不同層級的直觀結果顯示，通過場景矩陣結果可快速查看平台上哪個射頻系統受到了干擾，而通過電磁干擾邊限圖(圖7)，則可以完整的獲得收發通道的寬頻干擾情況，並能夠自動識別每種類型干擾的根源。 圖7　多射頻系統干擾模擬結果的可視化呈現 利用結果分組篩檢程式，用戶很容易從結果中排除特定類型的干擾(如共通道干擾)，這樣便可以看到最關心問題的結果，從結果的角度快速定位出干擾因素，從而可建議採取合適的改善措施。 EMIT的快速“what if”分析功能可以快速評估可用的干擾改善措施。例如，在調頻系統干擾分析中，可以從庫中快速拖放一個可調濾波器加入接收機通道，從而可以立即評估該濾波器的干擾改善效果。 在EMIT先進的介面下，通過高層級和低層級的分析匯總，以及內置的自動化診斷功能，用戶可以輕而易舉地把射頻系統間的干擾情況顯現出來。 常見的射頻系統抗干擾模擬案例介紹 汽車 如今，汽車總體通常搭載多個無線通訊系統，這些通訊系統的天線往往被放置得比較靠近，天線之間的相互耦合會帶來共址干擾問題，惡化部分敏感系統的接收性能，甚至使其功能徹底喪失，這就使得在汽車上的多通訊系統共址干擾影響的研究十分必要。 使用HFSS對各個天線進行三維空間輻射場性能模擬，將通過模擬得到的各天線輻射場結果搭載在汽車的相應位置上，使用HFSS的增強彈跳射線法求解器計算得到考慮汽車平台效應的各天線之間的寬頻耦合S參數結果。 圖8是汽車天線模擬結果的可視化結果。左側矩陣圖的最右側一列則反映了三個發射通道同時工作時的受干擾情況，對GPS接收設備而言，每個發射系統單獨工作時都不會影響其敏感度，但是三個發射系統同時打開後，矩陣中的深色單元框表示GPS接收設備受到干擾了。而右圖顯示出影響GPS頻道內敏感度的雜散頻譜以及其來源。 圖8　EMIT軟體多射頻系統抗干擾分析結果 為了消除受擾影響，在VHF收發機和FM接收系統通道都加上帶通濾波器，可以濾除帶外雜散的影響，也可以減小不同發射通道間的互調產物，改善GPS接收帶內敏感度。 圖9為使用抗干擾方案後的抗干擾分析結果，所有矩陣單元都變回淺色，這表明所有干擾效應都已被消除。 圖9　添加抗干擾方案後的分析結果，干擾問題不復存在 無人機與基地台 5G時代，萬物互聯，無人機的使用將會越來越普及，在給人們生活帶來便利的同時，無人機作為工作在複雜電磁環境裡的設備可能對其他設備產生干擾，也可能被其他高功率發射的設備(如同通訊基地台)干擾，設計師需要知道無人機和基地台需要至少保持多遠的距離，才能確保無人機能夠正常工作而不被基地台干擾。 EMIT可以對基地台和無人機兩個系統的所有發射和接收通道進行建模，通過功率流的分析方法對接收系統是否受擾進行模擬，生成如圖10所示的豐富的結果報告。 圖10右上方的矩陣圖清晰地顯示LTE基地台的發射信號對C2接收通道產生了干擾，而且當LTE基地台和無人機視頻下載系統兩個發射通道同時工作時會使GPS接收通道的靈敏度冗餘量不足(矩陣中用粗線框起的儲存格所示)。 圖10　EMIT對無人機和基地台共存時的射頻系統干擾模擬結果 在圖10的正上方的系統交互框圖中，EMIT用線條明確指出了干擾的源頭和產生的路徑，對C2接收機造成的干擾來源於900MHz的LTE基地台發射系統，基地台的發射功率經過基地台與無人機之間的天線耦合進入了C2接收機的接收通道，直接惡化了接收機的靈敏度。 圖10正下方的頻譜曲線則顯示了造成干擾的所有頻點，以及造成干擾的雜訊類型，此案例中對C2接收機的干擾是因為LTE基地台的發射功率超過了接收機的頻道外飽和電平。 為解決該干擾問題，直接在系統原理圖裡通過簡單拖曳的方式，在C2接收機通道前端添加帶通濾波器，元件的頻道內損耗、頻道外抑制度等指標都可參數化定義，也可通過導入實際濾波器S參數的形式對其進行配置，重新模擬即可在矩陣中觀察到，C2接收機通道的干擾問題已被解決(圖11)。 圖11　快速實施抗干擾對策，以解決干擾問題 以上案例展示了利用模擬的必要性，在日益互聯的世界中，無線系統的數量激增，其發生干擾和性能劣化的可能性也隨之增加。工程師可以在設計過程的早期階段評估盡可能多的備選方案，然後評估設計空間以優化關鍵設計參數。通過利用專業模擬軟體在研發早期階段確定有可能發生干擾的位置，企業能夠避免干擾問題，減少後期修復問題的成本和降低風險。 (本文作者任職於Ansys)

市場研究機構Counterpoint Research近期發布研究報告指出，行動技術過渡平均需要10年的時間，5G無疑將是未來十年行動通訊產業的主角。未來五年5G連接數的增長預計將比LTE推出時快得多，然而在今後很長一段時間裡，4G和5G技術將繼續共存。 5G將是未來智慧手機出貨量增長的主要推動力。中國三大運營商已在2019年推出了5G商用服務，預計中國的5G連接將實現強勁增長。在開始階段，美國、中國、日本、韓國和歐洲國家將是拉動5G出貨量的主要力量。 但在接下來的五年過渡期內，4G仍將發揮重要作用，尤其是新興市場。新興市場的4G智慧手機現在已經進入50美元以下的細分市場。加上很多市場的4G滲透率仍低於50％，因此4G仍有很大的市場增長空間。 各國將逐步停用2G和3G，並專注於4G網路。未來五年，4G仍是主要的手機接入技術。從地區來看，4G將在印度、中東/非洲、拉丁美洲和亞太其他地區佔據主導地位。 目前全球約有20億活躍功能手機用戶，年銷量超過3.5億台。大多數功能手機採用直板式或翻蓋式設計，配備小於4英寸的彩色或單色顯示幕、T9鍵盤，支援具有語音、SMS和GPRS/EDGE功能的基本2G連接。 這類產品在很多新興市場仍有潛力可挖，這些市場中處在經濟金字塔底層的使用者仍需要經濟實惠的手機。儘管智慧手機已經在全球範圍內普及，但仍有消費者因為各種原因首選功能手機，人口特徵、經濟水準、產品的堅固耐用性、長續航以及讀寫能力是其中的幾個關鍵因素。功能手機的需求因地區而異，往往取決於市場的成熟程度。  

是德科技(Keysight)日前宣布與三星電子(Samsung)LSI事業群擴大合作，以協助該智慧型手機製造商加速驗證用於全新5G數據機的動態頻譜分享(DSS)技術。身為全球半導體元件與5G技術廠商，三星LSI事業群使用是德科技5G網路模擬解決方案，加速開發其Exynos RF 5510射頻解決方案，以及支援DSS技術的Exynos Modem 51235G數據機。 三星電子系統LSI協定發展事業群副總裁Woonhaing Hur表示，很高興能與是德科技就5G技術擴大合作，以加速開發並推動三星電子下一代5G解決方案，並確保它們符合未來5G裝置的高效能要求。藉由與是德科技等廠商密切合作，該公司將持續提供先進的解決方案，讓每個人都能盡享美好的生活風貌。 透過DSS技術，行動通訊業者可在現有4G LTE基地台上建構混合式4G/5G基地台，並以經濟快速的方式推出5G NR服務。此新興科技可依流量需求，動態切換LTE和5G NR覆蓋範圍，進而彈性支援低、中、高頻段現有的頻譜配置。隨著行動通訊業者開始在網路中部署DSS技術，全球5G服務的部署腳步也日益加快，同時全球5G智慧型手機銷量也持續提高。根據Strategy Analytics預測，5G手機的銷售量將於2025年達到10億支。

在5G發展上，絕大多數行動網路營運商初期皆在現行的LTE行動網路基礎上採用非獨立(NSA)模式運行並擴展5G新頻段。因此，行動裝置必須可同時在兩種網路中運作。羅德史瓦茲(R&S)推出的R&S CMX500無線通訊測試儀即針對5G NR所研發，可無縫整合到現行的LTE測試環境中，也是5G NR獨立(SA)模式下的測試選擇。 R&S CMX500透過測量5G NR傳輸的RF參數及協定測試，增加了5G NR信令和RF測試功能，並在全球認證論壇(GCF)中通過了由3GPP所定義的41個測試案例。這些案例分別為不同的FR1和LTE頻段組合，是新一代行動通訊裝置和晶片製造商進行5G NR測試的量測選擇。 R&SCMX500測量5G NR傳輸的RF參數並執行協議測試，採用模組化設計和先進的使用者介面，使用者可輕鬆進行配置以滿足特定的測試需求。此外，R&S CMX500並可和現有的LTE測試設置整合；搭配R&S CMW500寬頻無線通訊測試儀，可提供研發過程中通用的測試解決方案。R&S CMX500可支援獨立和非獨立兩種模式，透過這套完整的測試設置，5G終端設備和基礎設施的開發人員可快速、可靠地進行測試並確保研發出的設備符合5G NR標準。

由於韓國的5G服務推展順利，帶動全球5G商業化發展，截至2019年第三季，已有50家營運商推動商轉，電信設備商愛立信日前發表「愛立信行動趨勢報告」預測2019年5G用戶將達1300萬，2020年中國將是成長幅度最大的地區，預計到2025年，全球5G用戶將達到26億戶，占當時全球行動用戶總數量的29%。 5G搶先開台的韓國，4月分三家營運商都推出5G服務，最初都是針對消費者的高速聯網eMBB服務，提供基於虛擬實境(VR)、擴增實境(AR)與高畫質串流媒體的沉浸式體驗。5G網路2020年的發展會逐漸加速，未來幾年5G的用戶成長速度將比LTE迅速許多，2020年5G用戶將達到2~3億，2025年全球行動通訊市場將達到89億戶，而5G將成長到26億戶。 Ericsson預期，在2025年以前，4G LTE都還是市場主流，2022年LTE的用戶將成長至最高峰，達54億戶，其後才會逐年下降，到2025年4G用戶將下滑至48億戶。  

5G網路將在2024年占據無線通訊市場26%的營收比重，但卻不會提升停滯不前的全球無線通訊市場的市場規模，無線網路應用市場規模維持在8000多億美元左右。產業研究機構Strategy Analytics的研究預測，5G市場將在2021年開始建立真正的發展動力。網路覆蓋率提高、手機價格下降、應用更加成熟。 雖然一些市場透過4G服務增加了營收，但全球的長期前景仍然是大多數國家已經發現4G充其量只是對運營商之間競爭壓力推動的消費者預期，每個月都有越來越多的數據，2012年至2018年，當4G從所有行動用戶的4%成長到全球的61%時，服務收入成長不到1%，5G發展也會類似這樣的趨勢。Strategy Analytics認為，到2024年底，4G LTE網路用戶超過60億，占所有無線用戶的三分之二以上。LTE繼續擁有光明的未來，非洲和中東的大部分地區仍然依賴老一代。  

為了特定用途，企業或組織自行付費建置限定區域內之行動網路基礎設施，如LTE、5G等，而該網路也只有特定用戶可以使用。因應網路使用需求的提升，行動專網未來幾年將持續穩定成長，根據產業研究機構資策會MIC的研究指出，該市場在2018年產業規模約113億美元，2025年將成長至372億美元，平均年複合成長率(GAGR)高達18.5%。 5G時代，一般消費者的行動上網能為營運商帶來的營收持續萎縮，因此，電信商將營收成長寄望於企業垂直應用，此趨勢帶來行動專網需求，包括營運商及各專網系統整合業者均爭相搶進。資策會MIC認為，行動專網五大特性包括：網路涵蓋廣、網路延遲低、網路容量大、網路安全高、自主網路控管等。 以各區域市場的發展來觀察，美洲市場規模最大，領先歐洲/非洲與亞太市場。頻譜的應用模式約可分為三種：授權頻譜(Licensed Spectrum)、分享頻譜(Shared Spectrum)、非授權頻譜(Unlicensed Spectrum)，授權頻譜是電信營運商將其頻譜授權給企業或第三方使用，也可以為企業或組織建構及營運專用行動網路；分享頻譜是企業或組織可以在擁有或共享的頻譜中營運自有專用行動網路，如美國CBRS、德國3.7~3.8GHz、日本1.9GHz、4.6~4.8GHz、28GHz等；非授權頻段則是企業或組織可以在非授權頻段頻段中運行專用行動網路。  

雖然LTE/LTE-A的系統效能模擬在文獻上已經非常多，如系統層級模擬器(System Level Simulator)、連階層級模擬器(Link Level Simulator)等模擬工具之探討，但對於天線效能的相關場域測試資訊之討論並非很多，因為這必需要營運商(Operator)之基地台及核心網路設備，與天線商天線支援才能夠得到此量測資訊。有鑑於工研院已經有架設此LTE實驗網路，因此可透過譁裕公司所提供的基地台天線來進行場域效能量測；且除了一般的天線傾角之量測外，1L4H與1H天線之量測效能比較，與1L4H/1H天線於不同MIMO天線組態所造成的效能差異亦會在此處做分析。 場域測試設備與環境 此部分將說明工研院LTE實驗網基地台設備與相關基地台參數，且呈現終端所使用之NEMO Handy測試工具，最後場域測試環境亦將詳細說明。 LTE實驗網基地台設備與譁裕天線設置要點 工研院LTE實驗網基地台設備如圖1所示，其基地台設備主要是利用Nokia LTE基地台設備並且搭配Kathrein公司的基地台天線；相關工研院LTE實驗網基地台參數如表1所示，此處我們所使用的為LTE Band 40的基地台設備來做場域測試，其可用LTE頻寬與EARFCN分別為20MHz與39450，且基地台傳送功率為39dBm。  圖1　工研院LTE實驗網設備和基地台與天線設備(a)、(b)Nokia基地台設備 譁裕基地台天線部分主要有兩種天線，分別為圖2中的1L4H天線與圖3中的1H天線，其中1L4H天線包含了低頻與高頻兩種頻段，而1H天線只包含高頻頻段。天線埠部分，1L4H有2個低頻天線埠與8個高頻天線埠，而單一個1H天線只包含2個高頻天線埠；由於兩種天線都具有複數個天線埠可供基地台設備連接，因此可測試不同接法對於整體MIMO測試效能之影響。   圖2　譁裕1L4H天線設備 正面架設圖(a)、(b)反面架設圖 圖3　譁裕1H天線設備，分別為短天線間距架設(a)、(b)長天線間距架設。 最後在天線傾角部分，不同的天線覆蓋需求可透過調整天線傾角來達成；1L4H天線除了可利用圖4(a)的支架來調整機械傾角外，亦可調整電子傾角，如圖4(b)所示，但電子傾角最大只到10度；1H天線不具有電子傾角裝置，因此只能透過支架來調整機械傾角。 圖4　譁裕1L4H基地台天線傾角設定，分為機械傾角設定(a)、(b)電子傾角設定。 使用NEMO Handy終端設備進行效能量測 NEMO Handy是由是德科技(KeySight Technology)所開發之終端量測設備，其主要為手持式道路測試工具，可用來進行LTE系統之下行效能量測，並觀察相關LTE效能指標，如Throughput、RSRP、CQI等，因此可以幫助系統營運商來做網路規畫(Network Planning)、布建(Deployment)、驗證(Verification)、最佳化(Optimization)、維護等功能。 除此之外，搭配NEMO Handy上所紀錄之GPS座標資訊，於軟體地圖上可描繪出不同LTE效能指標之分布情形，幫助系統營運商了解天線覆蓋範圍內不同地形或位置之訊號品質狀況。 場域測試環境 場域測試環境部分主要是把譁裕基地台天線架設於工研院51館頂樓，並且調整不同天線方向與傾角來達到不同天線覆蓋之效果。圖5中呈現了工研院院內與院外之地圖，在工研院院內主要是於院區道路與停車場來測試天線效能，院外部分則是於中興路、公道五路、竹北興隆大橋等路段來做效能量測。 圖5　不同天線傾角之Throughput效能圖(a)3o、(b)8o、(c) 13o。 圖6為工研院51館頂樓之環境，主要是把譁裕1L4H或1H天線架設於頂樓角落，並且透過線材與工研院實驗網設備做連接。天線方向部分主要有兩種，如圖7(a)所示，三種方向於天線端所看到的測試環境分別呈現於圖7(b)與圖7(c)。圖7(b)的方向主要是往竹東的方向來發射訊號，而圖7(c)的方向主要是往竹北興隆大橋的方向來發射訊號。 圖6　譁裕天線與測試設備相對位置圖 圖7　天線端視角之測試環境圖(a)基地台位置、(b)East、(c) West 場域測試結果分析 此章節將討論不同天線傾角、不同天線型態(1L4H/1H)、不同天線組態對於整體系統效能之影響。 不同天線傾角比較 此節第一部分將會討論1L4H天線於圖7(b)的方向，其中基地台使用2個天線埠且天線組態為交叉極化(Cross Polarization)情況下，不同天線傾角對於整體效能之影響，如此將可確定量測路線中較適合的天線傾角。 從圖5與圖8之Throughput與RSRP量測結果可看出，不同天線傾角具有不同的訊號分布範圍，當天線傾角越大，越靠近天線端的訊號強度越大，但天線訊號覆蓋範圍則較近；反之，天線傾角越小，天線訊號服務範圍較遠。 圖8　不同天線傾角之RSRP效能圖(a)3o、(b)8o、(c) 13o。 此節第二部分將討論1L4H天線於圖7(c)的方向，其中基地台使用2個天線埠且天線組態為交叉極化情況下，不同天線傾角對於整體效能之影響。從圖9與圖10之Throughput與RSRP量測結果可看出，當天線傾角為3o時，遠方興隆大橋上的訊號較其他天線傾角來的佳；反之，天線傾角為13o時，效能最差。 圖9　不同天線傾角之Throughput效能圖(a)3o、(b)8o、(c) 13o。 圖10　不同天線傾角之RSRP效能圖(a)3o、(b)8o、(c) 13o。 從第一部分與第二部分的結果來看，天線傾角的設定取決於欲量測的路徑，若待測距離較遠，則必需要選擇天線傾角較小的狀況來提高天線訊號服務範圍；反之，若待測距離較近，則可選擇天線傾角較大的狀況來做量測。 不同天線型態比較(1L4H/1H) 此節將會討論1L4H與1H天線於圖7(b)的方向，天線傾角為8o，其中基地台使用2個天線埠且兩種天線組態皆為交叉極化。由於1L4H天線比起1H天線使用更多的天線單元(Antenna Element)，因此天線增益為1L4H較高，因此從圖11的Throughput效能圖與圖12的RSRP效能圖中可看到，使用1L4H天線所得到的Throughput或RSRP效能會比使用1H天線來的佳，而此差異主要是由兩種天線之天線增益所造成的結果。 圖11　1L4H與1H天線之Throughput效能比較圖(a)1L4H、(b)1H。 圖12　1L4H與1H天線之RSRP效能比較圖(a)1L4H、(b)1H。 不同天線組態比較 此節第一部分將會討論1L4H天線使用2個天線埠且於不同天線組態下使用的效能，主要是比較交叉極化(+45,-45)與單一極化(+45,+45)的效能比較。從圖13的Throughput效能圖中可看到，使用交叉極化的Throughput效能會比使用單一極化的效能來的佳，而此部分的效能增益並非是從功率差異所得到的，因為此處兩者1L4H天線的傳送功率與天線增益皆相同，會有效能的差異主要來自於兩者通道矩陣(Channel Matrix)全秩(Full Rank)機率不同所導致。 圖13　1L4H天線於不同天線組態之Throughput效能圖(a)交叉極化(+45,-45)、(b)單一極化(+45,+45)。 對於終端的設備而言，若使用交叉極化且2個天線埠來傳送訊號，其全秩機率會比使用單一極化來得高，此現象可從圖14看到。比較圖14(b)與圖14(d)後，可看到圖14(b)中的交叉極化天線組態，其CW1(Codeword...

通常示波器、頻譜分析儀、網路分析儀等萬用型的量測儀器會被歸類為基礎儀器。在物聯網(IoT)產品上，相關的功能需求有增無減，但是隨著設備發展日趨複雜，以往的基礎儀器效能已漸漸無法滿足製造商的需求。 另外，在量產階段儘管量測項目較少，對於效能的要求也沒有研發階段來得高。但是在物聯網逐漸普及的同時，相關設備的低價化趨勢也無法避免；設備成本預算的降低，也將影響設備廠商在量測儀器投資上的預算規畫。為因應以上趨勢，儀器廠商也各有戰略，紛紛推出相對應的解決方案。 IoT提升電源量測挑戰  低功耗/大電源為趨勢 隨著物聯網的發展，基礎儀器所涵蓋的電源量測功能已漸漸不能因應時下廠商的需求。其中，物聯網設備講求低功耗的特性，時常要求電源需使用長達10年以上；另外也由於車聯網的趨勢帶動，使得大電源的量測需求也在提升當中。 是德科技行銷處資深行銷專案經理郭丁豪(圖1)表示，在以往，基礎儀器普遍是指電源供應器、示波器、訊號源頻譜分析儀這樣的量測儀器；然而隨著物聯網設備的發展，基礎儀器的量測效能已無法滿足新設備的要求。 圖1　是德科技行銷處資深行銷專案經理郭丁豪表示，隨著物聯網設備的發展，以往基礎儀器的量測效能已無法滿足新設備的要求。 在以往，電源相關的量測儀器多是屬於基礎儀器的範疇之內，然而由於物聯網設備對於低功耗的要求更高，因此電源相關的量測儀器的應用範圍與功能都必須要再提升，才能符合物聯網設備的需求。 為了延長電池續航力，製造商必須分析物聯網裝置在運作、閒置、待機和休眠模式下的電流消耗情況。裝置製造商還需重新建立各種運作條件，例如遠端軟體更新、極限覆蓋條件下的重複傳輸，以及裝置無法連接到伺服器等條件，以充分掌握每一種情境中，分別需要消耗多大電流。 郭丁豪分享，以整體物聯網設備需求來看，除了低功耗的量測需求之外，2018年開始也出現了許多大電流的量測需求，其主要是來自車輛聯網設備。面對此超低功耗與大電流兩個物聯網設備未來的進展方向，是德科技亦推出相對應的解決方案。 為了克服功耗問題，是德科技依據系統或元件測試低電流分析需求，提供直流電源分析儀(N6705C)以及元件電流波型分析儀(CX3300系列)。另外，物聯網裝置電池壽命最佳化解決方案(X8712A)則能幫忙有效分析耗電狀況。另一方面，CX3300同時滿足低電流量測要求，且具高取樣率，涵蓋100pA到100A的寬廣量測範圍，並提供高達200MHz的頻寬。 NB-IoT功耗優勢不敗  三表模組需求不減 在眾多物聯網連線技術中，由於NB-IoT具備超低功耗的獨特優勢，因此未來將會和5G技術並行，並且在電表、水表、瓦斯表市場占有一席之地。 羅德史瓦茲(R&S)無線通訊量測事業部程世豪(圖2)表示，以中國市場為例，該市場特別專注於NB-IoT設備的布建，並以三表應用為主，另外，在北美、澳洲也都能看到NB-IoT在礦場與畜牧業的應用。 圖2　羅德史瓦茲無線通訊量測事業部程世豪表示，在北美、澳洲都能看到NB-IoT在礦場與畜牧業的應用。 安立知業務暨技術支援部經理林光韋(圖3)亦提及，NB-IoT設備傳輸數據小，雖無法為電信營運商帶來太大的營收，但由於NCC的扶植，因此電信營運商期待能夠透過NB-IoT的推廣提升客戶數量。另外，由於傳輸資料量小的特性，NB-IoT的所需功耗非常的低，終端設備大約只需10年更換電池即可。 圖3　安立知業務暨技術支援部經理林光韋指出，由於物聯網設備對於成本的要求非常高，此趨勢也將對測試儀器市場有所影響。 羅德史瓦茲(R&S)應用工程部副理林方立(圖4)則說明，目前NB-IoT已進入模組量產階段，在該生產階段，廠商對於量測儀器的需求多為終端產品的驗證，羅德史瓦茲的CMW500寬頻無線通訊測試儀便能滿足該階段需求。另一方面，許多中小型的模組廠商不像是晶片商一樣擁有大產量與大資金，因此在模組量產階段，許多廠商也需要更為經濟型的綜合分析方案支持。 圖4　羅德史瓦茲應用工程部副理林方立說明，在NB-IoT量產階段，廠商對於量測儀器的需求多為終端產品的驗證。 IoT設備低價化  儀器商擴大產品系列應戰 無論是在物聯網設備的研發階段或是量產階段，廠商對於基礎儀器要求皆與以往有所差異；眾儀器廠商也積極推出相對應的產品系列應戰。 林光韋表示，以NB-IoT為例，由於該連線技術可以透過原本已架設好的LTE頻寬傳輸，再加上NB-IoT執照有NCC的扶植，因此電信營運商也更有推廣的動力。但也由於物聯網設備對於成本的要求非常高，必須要夠低價，才有可能做到真正的普及化，這也將對測試儀器市場有所影響。 正因為物聯網設備對成本十分要求，設備廠商在量測儀器的投資預算也會壓低。在未來，基礎儀器將會逐漸更加的小型化、輕量化。由於物聯網設備對成本考量及量測需求已不是過去傳統的基礎儀器能夠滿足，因此，未來無論是NB-IoT或是其他物聯網的量測需求都將更為複雜。 針對更加繁複的量測需求，安立知推出了VectorStar寬頻向量網路分析儀，該產品的頻率涵蓋範圍為70kHz~110/125/145GHz，能夠滿足更高階的量測需求，這些需求也依然是現在許多研發單位需要的功能。然而，另一方面，對於已經邁入量產階段的物聯網相關模組、天線或是被動元件廠商來講，量產的階段測項較少，對於成本更為考究，因此安立知也提供了ShockLine高性能向量網路分析儀產品系列，以滿足該需求。 Wi-Fi/藍牙加持 　實現高CP值智慧實驗室 到量測儀器產業。為因應物聯網設備量測需求，不僅使得基礎儀器的需求提升，就連基礎儀器本身向外的資料傳輸與儲存也成為熱門議題。因此，已有儀器廠商推出導入無線介面的基礎儀器組合，瞄準平價市場，實現高CP值的智慧實驗室。 旺群儀器創辦人葉品顯(圖5)表示，任何量測儀器只要導入連線功能，便會提高數倍價格。舉例而言，一台最平價的分貝計只要台幣600元以下便能入手，但是一旦導入有線介面，價格便可能突破萬元台幣，價差非常大。 圖5　旺群儀器創辦人葉品顯表示，在平價的基礎儀器上導入有線介面除了將大幅增加成本之外，也會帶來配線複雜與掉線的缺點。 葉品顯進一步說明，目前市面上儀器之間的連線多以USB、RS232、GPIB與LAN為主，在平價的基礎儀器上導入有線介面除了將大幅增加成本之外，也會帶來配線複雜與掉線的缺點。 有鑑於此，旺群正式於2017年11月代理中國儀器商利利普旗下OWON品牌儀器，並推出包含示波器、訊號產生器、電表與電源四套件組合，其中示波器與電表導入了Wi-Fi與藍牙無線技術，並且瞄準教育市場與工程師各體用戶，期待能將物聯網的概念導入至基礎儀器之中，為這兩個客群帶來高CP值的智慧實驗室。 此外，在2018年旺群已與台南科大合作，在校園中建置14套智慧實驗室配備。葉品顯認為，基礎儀器的介面無線化將會持續發酵，在未來預期將會有更多廠商投入該市場；旺群則期待能秉持著先行者的優勢，在該市場搶下優勢。