行動通訊設計難度高 善用設備收事半功倍之效
- DIGITIMES企劃
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不管是相關技術仍在發展中的5G行動通訊網路，還是目前已相對成熟的LTE無線通訊技術，消費者面對高速聯網、高頻寬網絡的需求一直沒減緩，甚至驅動著RF技術極限向前推進，相關產品開發除需透過驗證、儀表確保無線效能表現，開發段也需要更精密前衛的RF驗證設備投入加速研發成果…
隨著消費者對於無線行動上網的網速需求越來越高，再加上IoT物聯網應用預估將在2020年爆發、預計擴增近500億部連網裝置，以有限的頻譜資源與使用管制要求，在RF連線運用現有的技術架構肯定無法負荷，而應用LTE新穎的無線射頻技術甚至導入5G通訊技術，反而能有效紓解持續暴增的聯網需求。
電信技術更迭速度加快 5G技術可望2020年釋出
觀察過去的無線通訊網路的發展軌跡會發現，過去從2G/GPRS行動通訊網路推進到3G所耗用時間很長，但檢視自3G/HSDPA再推進至4G無線數據服務，整個4G商轉服務上路的過程也僅耗了約5年的時間，但其間的技術升級與應用架構的複雜度反而卻更高，也就是說新一代的無線通訊技術不僅改版更迭速度快、技術層次也向上巨幅提升，而較4G更先進、高效率的5G行動通訊技術，預計也可能在2020年推出，不僅技術更迭的速度更快了，相關技術研發所需的時間更短、複雜度也更高。
較4G無線通訊技術研發更嚴苛的是，業界對於5G無線通訊技術仍未有具體定義，各業者也就自己的技術優勢關注相關核心技術發展，目前較能掌握的是5G核心技術會發展如大規模多重輸入？多重輸出(Massive MIMO)天線、基站優化、運用Millimeter Wave(mmWave) Wireless 毫米波調變技術改良方案進行相關RF管理效率、傳輸效能的提升，至於不管是天線還是RF設計核心技術，每種通訊技術都需自演算法過渡到原型(Prototype)製作，期間需經過繁複過程，也需借助性能極佳的開發平台來進行試作的性能驗證、技術的相關參數優化改善，透過有效精確的數值分析加快原型製作與效能評估的時間。
驗證5G應用的RF技術 測試驗證工具亦須大幅升級
而為加速新一代RF技術研發，相關的測試驗證輔助工具也進行了功能上的提升，例如，透過結合模擬的無線電Software Defined Radio(SDR)軟？硬體設計流程，可有效減少轉換與驗證時程，也能加速5G應用平台的原型設計流程。
尤其是5G的RF平台技術，必須從系統層級解決部分開發技術門檻，並減省驗證耗費的時間，透過SDR硬體電路架構，整合中央處理器(Central Processing Unit；CPU)？通用處理器(General Purpose Processor；GPP)、數位訊號處理器(Digital Signal Processor；DSP)、現場可編程閘陣列(Field-Programmable Gate Array；FPGA)與射頻前端(RF Front-End)等關鍵模塊，因為涉及的硬體模塊功能差異大、不同模塊使用的語言與架構不同，需要跨不同技術人員甚至是研發單位整合開發，尤其是FPGA特性與處理器整合使用的開發模式、環境與工具不一樣，系統花在後期整合的難度相對較高，從演算法階段推導到實務的原型設計階段，開發時程通常要超過3？4季。
較新穎的設計整合方式，為透過Software Defined Radio(SDR)進行開發整合，應用通訊系統化的設計模組來強化多元演算法的原型設計，透過不同程式語言部署的無縫轉換機制，減省原有需要跨不同專業維度、多開發團隊協同合作的開發刑事，僅須透過整合開發平台搭配設定控制、系統定義等過程，就能快速整合出功能原型設計，搭配硬體進行開發成果的驗證修正流程，讓原本動輒至少一年以上的開發時程可以大幅縮短，增加5G進階RF技術的開發速度與成果，提高原型系統的製作速度。
5G通訊技術傳輸條件更高 高頻驗證難度大幅提升
與4G行動通訊應用環境不同的是，5G的RF設計方案，在技術要求上必須能達到1GHz以上可用頻寬、100Gbps傳輸效能等基本條件，為擴增RF通道的傳輸條件，目前相對較成熟的方式為透過應用30GHz以上Millimeter Wave頻段，再搭配天線陣列、Massive MIMO與波束控制(Beamsteering)等多元RF效能提升方案，才有可能在現有RF技術下達到5G通訊技術要求的技術極限，透過各種可能的RF效能提升方案雖能有效提升傳輸特性，但如此也帶來更多相關技術整合的難度。
實際的使用狀況為，5G行動通訊應用將再把RF通訊技術推到新的技術層次，對關鍵通訊元件？RF發射器件、RF系統設計和應用量測均帶來極大變革！加上行動資料傳輸量呈現猛爆成長態勢，與物聯網(IoT)應用終端數量驟增，5G通訊標準除面臨有限頻譜資源限制與無線架構的技術瓶頸須突破外，實際所需的技術方案頻寬、效能與相關技術能建構的應用效能仍有一段落差需要克服，為能跨越開發門檻，以美、歐、日、韓與大陸多數將技術擴展的關鍵點，關注在30GHz以上Millimeter Wave頻段的擴展應用上，解決現有行動通訊頻譜限制與必須和現存WLAN技術共用頻譜資源，也可能發生資源競爭的難解問題。
Millimeter Wave頻段應用利多 但相關開發瓶頸仍待突破
然而，即便5G應用在Millimeter Wave頻段可以輕鬆取用額外的應用頻寬，但實際上在30GHz以上的高頻頻段基於物理性限制問題，訊號傳輸距離增加即會導致信號品質衰減的問題將會更形嚴峻，尤其是60GHz的訊號每米距離即產生約20dB的衰減，這些都會導致5G在應用Millimeter Wave頻段擴展傳輸條件的技術發展限制，而且高頻元器件本身就在元件、開發與驗證成本相對較高，未來導入消費性電子應用可能產生的成本問題並不容易解決。
在全球的5G研究方向，大多關注投入32GHz、38GHz、60GHz以上等頻段的擴展應用，進行新一代5G網路架構的原型開發設計，期待先投入前期開發加速後期5G通訊技術規範釋出後，加速驗證技術的可行性，用以搶先掌握5G核心專利優勢，包括電信通訊標準組織、學術機構、通訊業者，多數投入5G前期技術研究，開發重點在擴充基站的資料吞吐量、集中調校陣列天線信號發射方向提高傳輸效率、或搭配波束控制技術改善訊號品質，同時佈署基站搭配大量Small Cell作為大型基站的網路中繼站點，改善前述Millimeter Wave頻段可能的物理性限制，擴展傳輸距離、基站信號覆蓋範圍，達到更高電信服務覆蓋率。
而5G核心技術均集中在大規模的天線、通訊節點控制技術方面，在相關電信底層技術研發階段，更會重視網路系統的原型開發與設計驗證，透過具高效運算、可程式化軟體控制的驗證系統，搭配高精密度的儀器設備進行開發成果驗證與技術修正，才能收事半功倍之效。
