Mu-MIMO
技術效能大躍進 Wi-Fi 6超新星蓄勢待發
本文的主要目標是探討未來十年Wi-Fi 6如何憑藉其主要功能、優勢和技術,取代前幾個世代的Wi-Fi。同時也將檢視採用此技術所面臨的挑戰,並針對網路和IT管理員現在該做什麼以充分利用此重大進展提出建議。
此外,本文還將檢視Wi-Fi 6和5G的關係。雖然Wi-Fi如今定義了組織網路的邊緣,且為多數的室內,甚至許多校園和公用環境中全體使用者和應用的首選存取方式,但5G行動數據的出現確實引發一些問題,這對所有的IT和網路管理員都非常重要。也許,Wi-Fi 6和5G之間的合作關係大於競爭關係,本文稍後將針對這一點提出分析。
Wi-Fi技術承先啟後
有鑑於龐大且持續成長的流量,Wi-Fi顯然是主要的室內組織(和住宅)網路連線的選項。此外,它還遍及商業(如零售)環境和許多高人口密度的室外場所。這樣的成果背後是由於IEEE 802.11工作小組持續運用無線和半導體技術的進步不斷提高標準,進而使產品持續提供現今和往後員工生產力不可或缺的成效(表1)。雖然Wi-Fi 6的核心技術很複雜,但每一代Wi-Fi所展現的進步已證明其數十年來部署於全球的價值。
即使Wi-Fi 6延續了長期以來每個新WLAN標準的傳統,也就是提升單一資料串流輸送量—例如,假設是40MHz的通道,單一Wi-Fi 6串流可較前一代標準提高原始輸送量(287vs.200Mbps)達43.5%—這也是Wi-Fi 6轉變為針對特定設施使用者共享存取的關鍵動機,以改善他們的體驗品質(Quality of Experience, QoE),並透過將整體延遲減至最低來達成目的。更高的頻譜效率(每個頻率、時間及空間單位若使用MIMO能成功傳輸更多位元數),以及該頻譜的有效和高效共用是現今達成最佳產能的關鍵。Wi-Fi 6的優勢如圖1所示。
圖1 本測試結果顯示Wi-Fi 6改善產能的能力。不像前幾代,即使流量成長,使用者的輸送量仍然維持不變
Wi-Fi 6關鍵五技術進展滿足當代需求
Wi-Fi 6延續Wi-Fi的悠久傳統,採用非常複雜的無線電和半導體技術,並將其用於低成本、小巧、節能且可靠的元件,適用於廣泛裝置和應用。Wi-Fi 6奠基在802.11n(Wi-Fi 4)首創的技術,在此情況下採用了MIMO和正交分頻多工(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, OFDM),以及額外的空間串流、多使用者MIMO(Multi-User MIMO, MU-MIMO),和802.11ac(Wi-Fi 5)的波束成形。然而,Wi-Fi...
結合MU-MIMO 三星電子展示5G毫米波應用潛力
日前三星電子(Samsung Electronics)發布其5G研發進展,以800 MHZ的毫米波(mmWave)結合多輸入多輸出(MU-MIMO)技術,提供新款5G毫米波的存取單元。
圖 三星電子發布其5G研發進展,提供新款5G毫米波的存取單元。來源:三星
透過兩個行動裝置進行演示,兩個裝置皆可達到4.3 Gbps的速度,以及產業內較高的8.5 Gbps,而高速資料傳輸的核心,即是搭載載波聚合(Carrier Aggregation)與MU-MIMO。
此次演示突顯使用毫米波頻譜的5G特色,包含毫米波的寬頻寬,有助於電信營運商提供低頻無法使用的數千兆位元(multi-gigabit)速度。當裝置具備數千兆位元速度,使用者便能體驗5G的突破性功能。電信業者也能同步推出更多新穎、豐富的服務,例如8K影片串流、AR遠距學習、VR會議,以及即將開發的種種新功能。
許多國家,包含日本、南韓與美國完成了5G毫米波頻譜的分配,其中兩國則已經發售使用該頻段的商用5G設備。此外,今年預估將有超過15個國家加入5G毫米波的行列。
而聚焦三星的研發歷程,過去成功提出涵蓋無線電與核心網路的端到端解決方案,並同時適用於中頻段(2.5GHz/3.5GHz)與毫米波(28 GHz/39 GHz)之中。三星現正關注韓國及美國市場,並且推動日本的5G商用化,預計將拓展加拿大與紐西蘭等全球市場。
5G設備開發挑戰多 射頻模擬工具重要性大增
6GHz以下的5G服務已準備進入商轉,5G用戶端裝置與微型基地台的市場需求很快就會到來,但由於5G導入了MU-MIMO與波束成型等技術,使得天線的數量大幅增加,且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比以往更加講究。這些因素都使得5G用戶端裝置與微型基地台的設計,比過去受到更多條件限制。
另一方面,採用毫米波頻段的下一波5G通訊,將為射頻子系統設計帶來更大的考驗。由於頻率太高,其訊號在電路板上傳輸的損失太大,因此射頻元件供應商紛紛投入開發天線整合封裝技術,但這也使得封裝測試必須面臨新的考驗,因為封裝完成的元件成品,萬一效能表現不如預期,要依靠量測數據找出根因會變得相當困難。
在這個情況下,電磁模擬工具的重要性大增。透過模擬工具的輔助,不管是終端產品的整合設計,或是RF元件廠在進行封裝設計時,都可以在虛擬環境中藉由參數設定,預先得知實體產品原型出爐後大致上的性能表現,進而省下大量開發時間跟成本。
散熱/損耗為5G天線設計兩大難題
安矽思(Ansys)HFSS產品經理Matt Commens(圖1)指出,跟現有的通訊技術相比,5G通訊所使用的頻段明顯高出許多,而且採用了波束成型、MU-MIMO等先進射頻技術,對天線的設計跟配置帶來很大的挑戰。高頻意味著訊號會有更大的損耗,複雜的MIMO技術則使得裝置必須內建更多天線,這些因素都使得5G設備的設計,變得遠比4G產品更為困難。
圖1 安矽思HFSS產品經理Matt Commens指出,在5G應用開發跟部署的過程中,模擬工具的重要性更勝以往。
也因為5G產品在設計過程中需要考量的因素更多,模擬工具在產品開發的過程中,重要性更勝以往。設計工程師必須在模擬工具所建構的虛擬環境中,針對各種可能的設計參數進行模擬,才能加快產品設計速度,提高產品設計符合預期的機率。
以高頻電磁場的應用設計來說,工程師最關心的議題有二,一是訊號損失跟其所衍生的副作用--熱的分布情況;二則是天線配置對電磁波場型的影響。Ansys的高頻電磁場模擬工具HFSS是一款可以求解任意三維結構電磁場的模擬工具,無須掌握身號的電磁場知識和反覆嘗試不同的網格剖分,就能取得高精度的模擬結果。
舉例來說,天線罩跟天線本體的距離、天線罩的材質等,都會影響到天線的性能表現;天線的位置、使用者手持的方式,也會影響天線的訊號收發,這些變數都可以在HFSS裡面完成模擬。另外,結合Ansys的熱模擬跟應力模擬工具,設計人員也可以輕鬆掌握由訊號損失轉變而成的熱,在系統中會如何分布,又會對天線造成何種影響。
除了5G終端設備的開發者之外,對IC設計跟電信業者來說,模擬工具的重要性也比以往更為重要。在IC設計端,由於高頻訊號的衰減太大,因此天線跟射頻前端(RF)在印刷電路板上的繞線距離要越短越好,或是直接讓訊號跳過PCB走線;如果是毫米波通訊,則基本上天線都必須整合到晶片封裝裡,這使得IC設計者也必須開始關注跟射頻電磁場有關的問題。至於電信業者,則可以在進行網路布建跟規劃的時候,利用電磁場模擬工具搭配城市的3D地圖,進行基地台訊號涵蓋的模擬,提升網路覆蓋的品質。
此外,材料供應商在發展新材料時,也可以把模擬工具反過來利用,得知新材料的特性。5G射頻會使用到許多新的材料,但材料供應商在開發新材料時,必須對材料進行大量量測作業,才能掌握新材料的特性。藉由模擬工具輔助,材料開發商只要設定好對應的材料測試環境,量測某幾項關鍵參數,再把資料餵回模擬工具,模擬工具就能藉由已知的資料反推出許多沒有量測,甚至難以靠量測取得的材料特性參數。這對於材料廠商發展新材料,縮短研發時程,也能帶來很大的幫助。
Commens總結稱,隨著5G時代的到來,模擬工具的使用客群一定會比以往更為廣泛。從最上游的材料、晶片供應商到中間的系統設計/整合,再到電信商的網路布建,模擬工具能幫得上忙的地方非常多。因此,未來電磁模擬工具的應用普及率,勢必將節節高升。
搶食5G商機 達梭系統不缺席
5G跟車用雷達的興起,在射頻技術領域掀起革命。由於這兩種應用所使用的頻段都比以往來得高,因此其波長均已達到毫米波水準,與以往的射頻訊號在物理特性上有著極大差異。硬體開發者為了克服毫米波所帶來的挑戰,紛紛導入新的設計架構與材料,例如將天線整合到晶片封裝,或是在PCB板上使用導波材料,但這也使得硬體設計變得更加複雜,設計開發時將面臨更多不確定性。
達梭系統(Dassult Systems) Simulia電磁模擬解決方案顧問趙桐(圖2)表示,目前5G主要發展頻段有二,一是6GHz以下,二是24GHz以上的毫米波頻段。這兩個頻段的天線設計各面臨新的設計挑戰。與4G比較都是更高的頻段,電磁波長更小,天線尺寸跟隨波長變得更小,小到5G天線更多是一個含晶片的模組。當然在天線結構種類上也與4G不同,5G天線需要用到相位陣列天線,這種天線還是有一些關卡要突破。
圖2 達梭系統Simulia電磁模擬解決方案顧問趙桐認為,高頻跟多天線共存,是未來行動裝置設計上最大的兩個考驗。
談到5G天線的設計挑戰,無論是手機還是任何5G電子設備,假設實際尺寸不變,在更高頻率條件下的電尺寸相對於4G時代產品更大。所以在毫米波28GHz頻段,天線實際尺寸和手機尺寸,甚至人體尺寸,基站尺寸,差別更大,這種尺寸上的差異對天線安裝後的整合性能分析增加相當大的難度。
除此之外,在這兩個頻段上的天線設計要求更寬的頻寬,寬頻帶才能得到高速率。單就這電尺寸和頻寬兩方面的難題來講,5G天線對電磁類比的演算法選擇就提出了挑戰。傳統的有限元頻域演算法在寬頻類比和電大尺寸的計算上會顯得更吃力,時域演算法更適合寬頻類比。所以三維模擬工具是否能夠結合時域頻域演算法,場源激勵法,高頻近似演算法,硬體加速以及支援多種天線結構的設計流程,是5G新天線設計和產品設計的關鍵。
因為5G本身就有兩個頻段的天線,智慧終端機除了5G,還要支持Wi-Fi、GPS、藍牙、3G、4G等功能,所以伴隨著多天線共存而來的干擾,以及硬體設計要如何布局等長久以來智慧終端機研發避免不了的問題,在5G時代會變得更有挑戰性。
車載系統亦為必爭之地
除了行動通訊裝置或小型基地台之外,汽車亦為模擬工具業者非常重視的市場。除了5G帶動汽車聯網風潮所創造的車載無線通訊需求之外,毫米波雷達也是促使車廠跟相關子系統供應商開始在設計流程中採用更多模擬工具的原因。事實上,毫米波雷達所使用的頻段比5G預定使用的頻段還高,最高可達77~79GHz,因此訊號衰減、散熱等問題,同樣困擾著相關業者。除此之外,車載系統的工作環境跟行動通訊設備截然不同,因此相關設計者不只需要高頻電磁場模擬工具,還需要結合其他物理模擬工具,才能準確而完整地模擬毫米波雷達在真實世界的運作狀態。
這也使得Ansys跟達梭系統等產品線涵蓋面廣,能執行多重物理模擬的工具供應商,在這個領域有相對顯著的競爭優勢。例如Ansys除了HFSS之外,還有RF和SI Option工具,可以應用在毫米波雷達設計上,同樣的,達梭除了SIMULIA CST之外,還有原本就專為汽車設計模擬所開發的CATIA。趙桐透露,CST已經開始與達梭的其他汽車設計解決方案合作、整合,不斷的推出車載系統的完整解決方案。
Wi-Fi 6勢在必行 認證計畫2019 Q3上線
在CES 2019期間,Wi-Fi 6帶來了相當的討論聲量,近日Wi-Fi聯盟也宣布Wi-Fi 6相關認證計畫將在2019年第三季上線。可以想見,在認證計畫上路之後,勢必也將帶動終端產品的導入速度,Wi-Fi 6的時代已然來臨。
Wi-Fi聯盟行銷總監Kevin Robinson表示,Wi-Fi 6支援了大量的新功能,這為互通性、互操作性(Interoperability)帶來新的挑戰。正因如此,相關的認證計畫內容,也將隨著互通性、互操作性的重要性提升,而出現許多新挑戰。
Wi-Fi 6採用許多進階版本的MU-MIMO技術,也就是允許一次傳輸更多的資料。Robinson說明,Wi-Fi資料傳輸的過程就像是一列車隊的運行,以往車隊的目的地相同,但現在不僅是增加了車隊中卡車的數量,而且要允許卡車個別前往不同的目的地。也就是說,Wi-Fi 5的MU-MIMO就像是一輛具有四輛卡車的車隊,它們可以同時將數據並行移動到多個客戶端;但是Wi-Fi 6不僅將使得車輛數增加一倍,並且這八輛卡車可以透過不同路徑傳送給不同客戶端,這將能夠大幅增加網路的整體吞吐量。
Wi-Fi 6能有效提升2.4GHz和5GHz頻段的效能,此外,也能提高電源效率。除此之外,聯邦通訊委員會(FCC)也正在考慮將6GHz頻段納入,以因應更多免執照頻段(Unlicensed Band)需求所用。Robinson認為,業界相當期待Wi-Fi 6能夠納入6GHz頻段,IEEE也已經開始針對此需求展開工作。
市場研究單位ABI預期,到了2022年,Wi-Fi 6晶片組產量將超過10億。市場研究單位IDC也預測,到了2019年中旬,就能看到Wi-Fi 6產品開始展示;在2020年,才能看到大量產品出現在市場上。當然,一旦認證計畫開始啟動,滿足設備的互操作性需求以及安全標準立定後,勢必將加快普及速度。
滿足V2I應用需求 802.11ax巧扮連網橋梁
汽車無線連結能力必須符合下列三大條件,首先是速度必須夠快,支援享受豐富刺激多媒體服務所需的資料傳輸速率;其次,在要求更為嚴苛的環境中(與消費性電子產業相比),維持高穩定度;最後則是安全性必須提高,才能保護傳輸/接收的資料。
汽車聯網須滿足三大要素
路上有越來越多的車輛使用高階無線連結能力,資料耗用量因而大增,取得足量的可用空中媒體成為一大技術挑戰。每一台車都需要與其他鄰近車輛共用網路,而在車輛堵塞率高的地區,可能必須與數百台車共用網路。
其中一個解決辦法,就是透過使用LTE/5G通訊技術。然而,這個方法是否有經濟可行性仍不確定,因為它仰賴使用獲得授權的無線網路。這可能會造成財務支出增大,並對不同服務相關的商業模式產生不利影響。
現在,新興的802.11ax Wi-Fi標準儼然成為替代解決方法。此標準已針對高使用者密度的狀況最佳化,相較於先前的Wi-Fi技術,顯然有更優異的能力與增進更多的頻譜效率。由於採用正交頻分多址(OFDMA)調變,其可同時處理大量的資料串流。此外,其多通道MIMO(MU-MIMO)能力可大幅提高整體覆蓋率。
具OFDMA功能 802.11ax實現車聯網應用
藉由使用802.11ax,可透過更符合經濟效益(相較於透過採用蜂巢網路)的方式來運用車對路(V2I)通訊。此外,該標準支援低延遲操作,這代表駕駛人(或車輛的ADAS系統)可即時發現潛在問題(如車前意外),原因在於其可在鄰近車輛或基礎設施之間傳輸資訊;之後駕駛人或相關系統即可採取適當回應,進而避免危險發生。此連結能力也同樣可運用在車載資通訊/分析活動。
從眾多散布在現代化車輛中的不同感應器取得的所有資料均可安全傳回雲端(以便製造商確認效能指標、評估提供下一次維護的時間,或找出任何急需解決的顯著問題)。車輛如同802.11ax基地台(STA),可將此類資料上傳至任何鄰近的802.11ax存取點(AP),而不會發生目前應用現況中因其他車輛皆競相爭用AP頻寬所致的延遲問題。空間、頻率及時間重複使用均可受惠於802.11ax所支援的OFDMA與MU-MIMO技術,媒體可與其他各方共用,而非只是彼此爭用。
802.11ax連結能力的另一項功能是在車輛出廠後,可提供車輛韌體無線更新。汽車製造商總是持續改進其車款;因此,車廠希望在每台車輛的生命週期中推出每個新功能時,都能即時實施部署。
如此一來,車輛的使用年限就可延長,更換週期也會比像智慧型手機之類的產品長上許多。為車輛實施新功能並不需要將車輛駛回經銷商處;在經銷商處實施新功能必須直接透過纜線介面執行,對車主來說不僅極其不便,也會因技師必須親自執行這項作業,而產生必定可觀的成本。定期透過無線更新套用韌體會是更好的選擇;只要有足夠的頻寬和安全性即可。
經由安全可靠的無線平台對所有相關車款同時進行無線更新,對製造商而言有著顯著的後勤與經濟效益。車主對此必然也會欣然接受,因為他們不必抽空把車輛駕回經銷商處進行更新。即使需要在車輛售出之前進行更新(車輛入港等候運送時,或停放在製造廠的車輛存放場時),相較於直接接觸實體的方式,以無線方式更新的好處也顯而易見。由於執行工作所需的人力資源更少,作業效率將會高出許多,同時也可節省可觀的時間成本與費用。
802.11ax提升使用者體驗
現在我們再回到車輛乘員及其需求上。 對於與國內環境現況應用類似的方法,需在車內提供的Wi-Fi端點數量大幅增加,因此,連結能力必須相應進化。相較於前幾代技術,802.11ax存取點具備OFDMA能力,將可連結至更多的手持式裝置。因而可在傳送數位娛樂內容的同時,確保提供良好的使用者體驗,並避免任何讓人沮喪的狀況發生。
為此,802.11ax無線晶片供應商便致力推出相關解決方案,如Marvell旗下的88Q9098,是與AEC-Q100 Grade 2相容的系統單晶片(SoC),包含2×2plus2×2同步雙Wi-Fi,以及雙模式Bluetooth 5/Bluetooth Low Energy(BLE)與802.11p功能,可提供千兆級的資料供應能力(圖1)。
圖1 88Q9098功能方塊圖表
綜上所述,802.11ax通訊協定意味著民眾在住家/辦公室享有的Wi-Fi效能體驗和在車內可獲得的存取體驗,不再有差異。 藉由實施汽車最佳化解決方案,無縫無線連結能力有可能獲得實現,且民眾針對某些生活層面所依賴的服務,也可有效普及化,民眾可隨時隨地皆可獲取到。
(本文作者皆任職於Marvell)
專訪安矽思產品管理總監Larry Williams 模擬工具加速5G應用開發
安矽思(Ansys)產品管理總監Larry Williams表示,行動通訊技術以往的應用情境相對單純,不是人與人之間的語音、文字通訊,就是行動寬頻上網。但5G將是一種和蒸汽機、引擎類似的通用技術(General Purpose Technology),除了要繼續支援現有的行動應用外,還要承載V2X通訊、物聯網等新的應用服務。
為了滿足更多樣化的應用情境,5G標準導入了許多新的射頻通訊技術,例如MU-MIMO、更複雜的天線陣列甚至毫米波(mmWave)等。這些新技術不是讓系統設計變得更為複雜,就是要採用全新的設計架構。例如毫米波通訊,由於線路損失太大,因此天線必定要整合到射頻前端的封裝裡,亦即AiP封裝。
因此,要確保5G通訊設備跟相關元件成功開發,周延的模擬必不可少。唯有透過模擬工具,才能在產品設計階段早期發現可能產生的問題,進而提出因應對策。目前Ansys在5G設計模擬方面,已經推出眾多解決方案,從晶片設計、封裝到基地台等級的訊號涵蓋模擬工具,Ansys都能提供。目的是要讓使用者盡可能減少在原型開發跟實地測試上所需投入的資源,並盡可能涵蓋各式各樣的應用情境。
事實上,從整個無線通訊產業的發展軌跡來看,模擬所扮演的角色只會越來越重要。沒有完善的模擬,工程師無法建立精確的模型,後面的應用開發就只能靠嘗試錯誤的方法來摸索,這是非常耗時又昂貴的過程。
RF CMOS就是一個典型案例,在相關元件的行為模型建立起來之前,RF CMOS的應用發展極為緩慢,但隨著模擬工具日趨完善,工程師對RF CMOS的行為特性掌握度更高,才促成今天RF CMOS元件廣泛應用的局面。
安矽思(Ansys)產品管理總監Larry Williams認為,在5G應用發展的過程中,模擬工具會扮演十分關鍵的角色。