實現5G願景 毫米波技術不可或缺
- 李佳玲／台北
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5G被稱為「通訊的未來」！現代人日益依賴「無所不在」的通訊，期望能隨時隨地保持連網，這使第五代(5G)蜂巢式無線通訊網路被譽為最新、最偉大的通訊技術，可帶來遠超越4G LTE技術的效能提升。但是，若要5G新無線電(NR)技術實現這些效能提升，其網路基礎架構需採用比4G LTE網路訊號塔更小的小型基地台(small cell)，而且基地台還得更近距離部署才有可能。此外，為了使5G提供比4G LTE系統更高的效能，它還必須在比4G LTE更多的頻譜上運行。
其中，有些增加的頻譜是在6 GHz以下(sub-6 GHz)，但有很大部分是透過24 GHz或更高頻率的毫米波頻段來實現的。在這些較高頻率下的寬廣可用頻寬可支援真正的高速、低延遲、短距離應用。5G系統將利用6 GHz以下和24 GHz以上的各種不同頻率，把使用者與智慧型手機，甚至機器，例如自駕車和物聯網(IoT)感測器等，連接起來。但問題是，有多少的5G NR網路將採用毫米波呢？
毫米波實現5G效能
5G和4G LTE在速度、延遲方面的顯著效能差異，其實是因為5G的毫米波所造成的。只有透過毫米波的大量可用頻寬，才有可能在幾秒內下載一部兩小時的電影；相較之下，利用4G LTE網路，下載相同大小的檔案卻需要好幾分鐘。能為5G在速度和容量方面帶來優勢的是毫米波。要在毫米波上取得優異效能，需要在更多的小型基地台中安裝基礎架構硬體和軟體。
由於毫米波訊號無法進行長距離傳播的特性，這些小型基地台必須距離相近，並採用先進技術，例如能夠進行波束控制(beam steering)的主動天線陣列以及大規模多輸入多輸出(MIMO)天線配置，才能導引能量從小型毫米波基地台傳遞到使用者。相較於以具全向性天線的較大型基地台進行較低頻通訊的4G LTE網路基礎架構，小型基地台中的5G NR天線專注於把訊號在網路節點和使用者之間傳遞，以便能最有效地利用高頻中的可用能量。
然而，若沒有對網路基礎架構的投資，此出色效能是無法實現的。取得毫米波頻譜授權是一筆投資，而建置新的基礎架構又是另一筆投資。Verizon、AT&T、T-Mobile和其他的大型電信業者均展現了對5G和毫米波的明確與長期承諾。
自2017年以來，透過收購或競標取得美國聯邦通訊委員會(FCC)提供的可用頻譜，電信業者已在毫米波上投入或承諾將投資共計近140億美元。Verizon先是在2017年以18億美元收購XO Communications，其中包含了大量的毫米波頻譜資產；又於2018年，以31億美元收購Straight Path，開啟了業界對毫米波頻譜的大量投資。AT＆T隨後亦於2018年以2.07億美元收購FiberTower。這幾家公司都擁有28 GHz和39 GHz頻段的寶貴頻譜。
2018年的Auction 101釋照競標為28 GHz頻段提供了更多頻譜，由Verizon贏得此次拍賣的大部分頻譜，得標金額為7. 02億美元。之後，於2019年，Auction 102的釋照競標是針對24 GHz頻譜，由AT＆T和T-Mobile贏得大部分的授權，總得標金20億美元。而在FCC最近一次的毫米波釋照競標Auction 103中，總得標金額達76億美元，Verizon、AT＆T和T-Mobile為主要的投資者。
無線服務供應商正忙著在現有的4G基地台中安裝5G 毫米波基礎架構設備，將其作為非獨立(NSA)網路節點，同時也忙著把5G 毫米波基礎架構設備安裝到緊密相鄰的小型基地台中，以作為獨立(SA)網路節點。5G NR網路的毫米波功能在人口稠密的地區特別能發揮效益，因為這些地區的使用者需要高速固網以及行動無線通訊服務，以替代電纜或光纖服務，或提供另一種選擇。在人口稠密地區(例如大城市)，大量、且同時上網的無線使用者可能會導致4G LTE網路過載，而出現延遲。具毫米波功能的5G NR基礎架構，不僅能為具存取權限的使用者增加容量和更高效能，還能為仍在較低4G LTE頻率下運行的使用者卸載網路容量。
5G毫米波的市場發展
為什麼毫米波對5G NR網路如此重要？在全球各地，希望擁有比4G LTE 更好的增強型行動寬頻(eMBB)服務的使用者，他們想要的eMBB效能唯有在24 GHz以上才有可能實現。無線行動使用者越來越習慣利用智慧型手機等行動裝置來隨時上網。改善的eMBB服務將能支援下載較大的文件(例如3秒內下載2小時的視訊檔案)、無間斷的視訊串流，以及利用擴充實境(AR)和虛擬實境(VR)來進行商務會議和大學教學活動等應用。
Verizon等服務供應商希望透過毫米波基礎架構來提高5G NR的速度和容量，以避免尖峰時段(尤其是在人口稠密地區)的壅塞。隨著商務使用者轉向越來越多的「數據消耗」活動，例如現場視訊會議，服務供應商必須找到方法來提供更快的上載／下載速度，而不會出現故障或延遲。此外，在人口稠密地區內的IoT裝置數量正不斷增加，也會消耗無線網路容量，亦需要5G NR毫米波網路基礎架構提供的容量和速度。當然，要實現所需的容量增加，就必須安裝具毫米波的5G NR基礎架構。幸運的是，人口稠密的城市意味著，會有能夠支援此投資的客戶群。
因為需要額外的容量和速度，再加上高人口密度才能支撐網路設備投資和營運成本，因此，服務供應商會首先在全球各地的人口稠密地區安裝具毫米波的5G NR基礎架構。相對地，農村地區並沒有足夠的平均數量使用者和行動使用者(即使網路流量很大)，因此5G NR小型基地台的投資難以得到回報。由於人口稠密地區擁有大量的使用者，因此5G NR服務會先從這些人口稠密地區開始，例如紐約、以及在中國、日本、南韓、新加坡和台灣的其他大城市。
中國是人口密度高，智慧型手機和平板電腦等行動裝置使用者眾多的一個很好例子。數十億名無線使用者隨之而來的將是對綿密無線基礎架構的需求：到2018年底，中國各地已共有約370萬座4G基地台。針對5G NR服務，無論是在6 GHz以下，或是在毫米波，至少需要550萬座小型基地台。
中國的無線服務是由國營電信業者提供，例如中國移動、中國電信、中國聯通和中國廣電公司(China Radio)。 這些電信業者與中國工信部(MIIT)等政府機構合作，以確保無線網路提供的服務品質。同時，它們已在北京、上海和深圳等主要大城市持續增加5G NR基礎架構，因為這些人口密集地區最能獲益於具毫米波5G NR網路帶來的效能與容量提升。中國領先的行動電信服務供應商之一中國移動已建置了超過2萬座5G NR基地台，其中有3500多座5G NR基地台是在北京。中國使用的毫米波頻段包括24至27 GHz，以及37至42 GHz。
南韓亦積極推動5G NR基礎架構的建設，當地的領先服務供應商SK Telecom、LG Uplus和KT Corp.與美國服務供應商Verizon合作，快速建置了具 毫米波覆蓋的 5G NR微型基地台(microcell)。自2019年4月以來，南韓的電信業者一直與中國保持同步，在首爾等主要城市提供5G無線服務，到2020年4月，已有超過500萬名5G NR用戶。
這些南韓的無線服務供應商不僅把智慧型手機彼此連接，而且還為如何在人口稠密地區應用5G NR網路的毫米波提供洞見。5G在毫米波的低延遲特性(不超過2 ms)，使5G NR網路對於「自動駕駛」汽車深具吸引力，在這種應用中，車輛到車輛(V2V)和車輛到網路(V2N)的通訊必須是立即的，才能避免事故。人口稠密地區還可望利用5G增加的頻寬來連接數十億個物聯網(IoT)感測器，作為智慧城市的一部分，以為家庭、辦公室、醫療機構和工廠提供控制、監視和自動化服務。
例如，SK Telecom正與5G聯盟小組(5G factor alliance group)合作，利用IoT技術和5G NR網路容量建置智慧工廠。南韓最大的無線服務供應商KT Corp.正在探索如何進一步發揮5G功能在雲端運算、家庭和辦公室的先進保全系統、人工智慧(AI)以及零延遲自動駕駛的應用。該公司認為，5G NR技術的廣泛應用不僅在南韓，在數百個國家的數據漫遊也可望帶來光明前景，並已承諾將在2023年前，投入4億美元用於5G研發。
當然，全球各地的5G NR部署不僅於此。以美國領先的服務供應商Verizon為例，光是2020年，就已投資180億美元在美國的人口稠密地區進行5G擴展、把4G LTE基地台升級至5G NR服務，以及增加光纖建置等工作。隨著這些升級，網路客戶將保留4G LTE服務，並且隨著5G新使用者設備(UE)，如三星Galaxy智慧型手機的上市，這些客戶將能逐漸體驗5G NR網路帶來的更佳服務，尤其是在毫米波上。
實際可行的解決方案
為了加速和簡化5G NR覆蓋所需的許多小型基地台，甚至用戶端設備(CPE)的設計和開發，Anokiwave把先進的12吋矽晶圓CMOS半導體技術應用在製造其高整合度的波束成形積體電路(BFIC)以及中頻積體電路(IFIC)上。這些元件採用微型封裝，可在24/26、28和37/39 GHz的所有主要5G NR 毫米波頻段中作為多單元主動天線陣列的核心組成。它們也是毫米波衛星通訊(SATCOM)和雷達應用的理想選擇。
植基於開發前兩代產品獲得的知識和設計經驗，Anokiwave最近推出了多款支援5G的第三代(Gen 3)BFIC和IFIC： 24/26 GHz頻段用的AWMF-0165和AWMF-0170、 28 GHz頻段用的AWMF-0151和AWMF-0153，以及37/39 GHz頻段用的AWMF-0159和AWMF-0161。每款IC均採用緊湊的晶圓級晶片封裝(WLCSP)，非常適合平面天線設計。束波成形IC可透過控制相控陣列中四個天線單元的增益和相位來提供水平和垂直極化，以及發射和接收功能。除了出色的增益和動態範圍外，這些晶片還具備了許多有用的特性，以確保高可靠性，例如所有封裝接腳上的ESD(靜電放電)保護和過熱偵測。
採用相同型態的微型封裝，IFIC是發送／接收頻率上／下變頻器晶片，可把毫米波訊號降到較低的中頻(IF)範圍，以進行數位轉換和訊號處理。在單顆晶片中，包含了頻率轉換所需的所有元件，包括放大器、本地振盪器(LO)和倍頻器。它涵蓋了第三代合作夥伴計畫(3GPP)標準所定義的毫米波5G NR頻率範圍，可為系統設計人員提供一種低成本、實用的解決方案，以供小型基地台和其他5G NR基礎架構設備的頻率轉換之用。
Anokiwave的晶片產品可為5G毫米波提供最多樣化的效能、成本和功能選項。透過合宜的整合度設計，我們的第三代主動天線IC發揮了唯有12吋晶圓矽晶製程可提供的學習經驗及成本結構，這使Anokiwave能夠為基地台以及類似於Wi-Fi存取點的小型基地台實現最佳的整體擁有成本。
結論
對於被稱為「通訊的未來」的5G技術，業界有很高的期望。然而，若要5G達到這些期望，它必須在寬廣的連續頻譜上運作 ─ 唯有毫米波可實現此目標。24 GHz以上的頻段可支援大量頻寬和高數據速率，是增加無線網路容量的理想選擇。Anokiwave幾年前就預見了此市場需求，同時也是第一家提供商用5G毫米波晶片的業者。今天，在累積了數個世代的產品開發經驗後，Anokiwave已能為5G毫米波提供業界最完整的矽晶產品組合，並已成為全球Tier-1和 Tier-2 OEM業者值得信賴的選擇。關於Anokiwave產品技術詳細，歡迎至Anokiwave官網查詢。
