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5G、无线射频应用将迎来爆发 耀登集团加速产业布局

活动开场贵宾合影

2019年可以说是5G正式进入商用的关键年,虽然相关市场的商机无限,但业界要如何从产品设计,到最终的量测验证,从而获得全球市场的入场门票,却不是那么简单的事。由于不同市场通常都有相对应的电磁与射频规范需要遵守,也因此,这些产品从概念到设计,再到上市的不同阶段中,都要面对许多挑战。

而除了5G议题以外,基于无线射频的相关技术也越来越深入到我们的日常生活中,普及到包括一般消费电子、汽车,甚至健康与医疗器材中。然而无线射频在安全性、可靠性,以及效能、功耗方面,都还是要有严格的标准需要遵循,而这些标准牵扯到各种专门领域的知识,并不是产品设计出来就可上市。

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耀登集团张玉斌董事长

经济部5GO张丽凤技术长

台湾电磁产学联盟吴瑞北召集人

活动主持人台湾大学电机信息学院吴宗霖副院长

美国IBM T.J. Watson Research Center讲师Dr. Xiaoxiong Gu

美国FDA讲师Dr. Wolfgang Kainz

经济部5GO许冬阳主任

中山大学电机系教授洪子圣

瑞士Schmid & Partner Engineering AG讲师Dr. Mark Douglas

产官学研大合作

为了协助业者解决这些问题,耀登集团一直以来在各种设计平台或者是验证流程中,提供业界可以遵循的参考准则,同时也提供了设计咨询服务去帮助那些还无法建立自己的射频专门团队的中小型企业达成设计目的。

在产业的大方向上,耀登集团与IEEE EMC SOCIETY台北支会共同举办的第四届「下世代智能生活- 生物电磁与前瞻通讯技术研讨会」,以几个核心主题和与会者进行探讨交流。该活动已经举办多年,一直以来都是以横跨产、官、学、研全领域为主要诉求的国际级研讨会,而主讲者不只是政府单位与技术领域专家,本次活动由台湾大学电机信息学院副院长吴宗霖主持,也邀请了来自IBM、美国FDA的技术专家,让与会学员的视野也同步扩展到国际层面。

在耀登集团董事长进行开场之后,经济部技术处张丽凤技术长也在早上的Keynote中揭露了未来台湾在5G产业中所扮演的重要角色,同时也说明了近年政府为了准备5G产业的到来,在法规、产业合作以及技术研发方面的努力。

张技术长提到,由于台湾的产业特性,5G相关生态发展将会以偏向垂直应用为主,而在松绑对共建、共频、共网的法规限制之后,营运商也就不限定于目前的电信厂商,而是可以包含更多的应用类型,资本规模较小的厂商也能提供5G的网络应用服务,而不是由大型营运商专用。

而台湾电磁产学联盟吴瑞北召集人也在开场演说中指出,未来射频技术包含万千应用,如何在各种产业应用中最快掌握趋势,提升国际竞争力,人才的培育与确保是重要关键。

另一方面,也因为不同产业需要的人才类别不同,但同时也需要有能够跨领域的人才作为统筹或者是主导技术发展方向,因此,不论是教育政策,或者是产业与学界的结合,都可以针对这方面进行努力。

毫米波雷达的设计挑战

随后是来自IBM的Watson研究中心的Xiaoxiong Gu博士解释了目前毫米波雷达的设计挑战,由于毫米波雷达已经被普遍应用在汽车自动驾驶环境当中,且5G射频基本上也是属于毫米波技术的一环,有不少共同的技术难题需要克服。他简单列出了几个仍待解决的问题,包括传播时的讯号损失、互连时的讯号损失、技术限制,以及测试成本的昂贵等。

首先在传播的损失方面,他提出使用相位阵列来解决,也就是通过一群天线来组成阵列,强化讯号在指定方向的强度,并且压抑其它方向的强度,可以有效减少干扰,并强化讯号质量。

而在互连的讯号损失方面,他则是提出使用内嵌集成式天线的IC设计概念,藉由缩短传输路径,让讯号的流动不会被外界干扰。当然,目前在设计相关的毫米波射频产品时,其实还是有生态的问题,相关技术也还是由少数公司所掌握,因此后进者并不是那么简单,这方面可能要通过从IC、天线到DSP公司之间的互相合作,共同针对一项课题来进行设计,单打独斗可能在综效方面没有办法获得突出。

而针对测试环境与设备昂贵的问题,他也提出不少方式来解决。而针对毫米波的应用情境与天线设计技术方面,Xiaoxiong Gu博士也提出不少看法。

医疗电磁标准日趋严谨,台美合作创商机

研讨会也难得邀请到美国食品药品监督管理局(FDA)的Wolfgang Kainz博士,为与会者精辟解释目前在医疗设备中对医疗环境中电磁射频的安全性设计以及评估。

虽然与5G乍看之下有点距离,但是医院环境中充满了各种敏感的设备,以及高危险性的医疗器材,如果无法确保医疗环境中各种设备的讯号可以合乎规范,而不会在运行时互相影响,不仅可能会影响到医疗质量,甚至严重会造成病人的生命危险。而台湾作为医疗大国,拥有世界一流的医疗质量,在医疗器材日新月异的情况之下,也更应该重视这方面的规范。

Wolfgang Kainz博士也强调在电磁射频方面设备是医院的主要诊断机器之一,而要如何让这些电磁设备不会对身体有如心律调整器等电子植入物的患者产生负面影响,需要在很多层面的技术进行设计与确保,而他也提到,目前美国FDA也和台湾许多研究机构共同进行研发合作,要解决这方面的难题。

毫米波对人体的影响仍须关注

来自Schmid & Partner Engineering AG的Mark Douglas博士则是针对毫米波普及化之后可能会造成的影响,以及相关的量测方法进行了精彩丰富演说。

由于毫米波是通过以更高的频率来达成更大的资料传输带宽,因此被下一世代的无线网络技术当作核心的传输方式,不只5G会使用,下一代Wi-Fi也会使用。不过目前毫米波对人体的影响安全规定,主要是在ICNIRP与IEEE C95.1这两个标准之中,该标准定义了毫米波在空气中与人体接触的讯号强度限制。

FCC也规定了相关量测的准则,针对许多最差情况进行了模拟与测试,而为了找出毫米波的潜在风险,相关的测试工作流程也被设计出来,这些工作流程包含了在各阵列元素下进行所有波束赋形的测试,另外也测试了在全负载的情况下进行波束讯号强度的量测等。

由于毫米波不会以单一的讯号传输模式存在,而是会从单天线,到MIMO天线阵列的形式,从近到远,进行不同情境下的量测。

而量测必须在各种表面上进行,而测试的过程必须要可以重建,量测的流程必须可追踪,要把不确定的因素降到最低。通过完整的量测机制,可以帮助业界设计出符合国际规范的毫米波产品,解决产品对于人体或外围安全上风险的疑虑,以能营销国际市场。

从5G展望未来,需要产业通力合作

紧接著经济部5GO办公室的许冬阳主任以精彩的内容为与会者解释了从1G到5G的技术与产品进程,过去手机从1G进展到2G时,关键技术是类比转数码,而前进到3G时,则是加入了数据服务,4G引进了全IP化的概念,同时在语音服务方面也采用封包化的概念,大大的提升了语音的音质。

而5G最重要的概念在于使用了高频段与虚拟化的传输与带宽管理技术,同时又能具备极大的带宽,极低的延迟,同时又能同时服务100万个连结以上。

当然,除了需要高带宽的影音内容串流服务以外,在终端产品上,也更适合未来万物互连的IoT设备生态的建立,当然,讲到终端,不只是设备,IC设计也要有对应的方案,而这对台湾这种在高科技设计与制造经营已久的国家而言,无疑是最好发挥手脚的方向。

而另外在5G的应用层与硬件层方面,许冬阳主任则是分别指出,前者将走虚拟化的原生云行动网络,后者则是会朝向白盒化的基地台设计这两个方向发展。原生云网络的概念是指未来5G网络的概念将不是由电信营运商的角度来切割,而是以服务和应用的型态来看。由于5G的可分割、共频、共网的概念,未来在5G网络上的应用服务商将会更具弹性,内容也会更丰富。

而在基地台白盒化的方向上,在接口开放的潮流之下,硬件也会走向标准化,同时软件也会朝开放原始码的方向前进。

而由于5G基地台会以高密度、毫米波,搭配MIMO技术来发展,在预期庞大的需求带动下,也将为相关的RF元件带来成长动能,而新一代半导体材料在满足5G高频、低杂讯、高功率、耐高压以及低耗电的需求下,对于GaAs/GaN等材料的需求也将有明显的成长。

而5G在工业生产方面,也能通过搭配人工智能与机器视觉来进行自动化管理,提升效率,另外在近年火热的自动驾驶方面,5G更是打通自动驾驶任督二脉的重要关键,通过智慧城市的布建,以及自动驾驶云平台的规划,未来汽车在城市中可以更有效率的和交通控管核心自动进行沟通,自动选择最佳化的路线,智慧城市也可以主动分导车流,舒缓目前主要城市道路的壅塞状况。目前Audi、BMW与Ericsson、华为、Nokia、英特尔、高通已经组成5G Automotive Association,也就是5GAA,订定移动运输服务的通讯标准。

当然,5G带来庞大的带宽与应用机会,但随之而来的是更难预防的资安问题。这是由于5G网络具备有多型态的接入方式以及更广泛的垂直应用,附加在相关基础建设上的智能型设备将非常庞大,包括智能工厂、自动驾驶、医疗、智能IoT等,如果在资安方面没有很好地解决,那么5G带来的恐怕不只是便利,还有恶梦。

学界投入研发创新技术思维,产学合作共创商机

而中山大学电机系的洪子圣教授,则是以令人惊艳的角度阐述其如何利用现有无线射频技术进行生物活动追踪能力,不只深入理解技术,也为与会者揭开了背后隐含的庞大商机。

洪教授展示了两大技术方向,包括手势侦测,以及利用注入锁定技术来让无线通讯装置充当人体的生理特征雷达。

在手势侦测方面,洪教授使用智能型装置的二维相机并结合Wi-Fi讯号注入锁定都卜勒雷达系统来达成。这项技术的动作侦测原理涉及画素基底的计算机视觉算法以及都卜勒相位移侦测技术。洪教授设计了一套3D手势轨迹之空间座标校正程序,将相机中画素基底的平面影像座标转换为真实空间中的座标,藉此得到手势横向位移轨迹信息,再使用Wi-Fi讯号都卜勒相移侦测雷达系统,从Wi-Fi的反射讯号所含手势造成的都卜勒相位移,得到手势纵向位移轨迹信息,最终结合手势轨迹的横向和纵向分量,即可以建构出空间座标中的3D手势轨迹。

而在将手势转换为图象的处理方面,洪教授最初使用动态追踪的技术,藉由辨识动作与背景模型的差异,而得到手掌的重心位置,但陆续遇到一些问题需要进一步修改算法,最终选用的是基于HSL色彩之区块辨别算法。而在雷达技术方面,则使用了单基式被动雷达系统,首先完成了双手与一维手势辨识的应用,其后搭配软件技术与计算机视觉处理完成了3D手势轨迹之辨识,并分别发展出非实时性与实时性的手势追踪技术,达成混合手势感测雷达之应用。

在手势辨识的技术中,混合手势感测雷达技术比当前主流技术更具有发展潜力,低计算资源与低功耗是此雷达架构之优势,并且微型化后能应用在智能型手机之中,不需要额外的相机镜头组或是高频讯号源,就能达成AR或是VR的体感互动功能。

而另一个重头戏是结合雷达与Wi-Fi的方式,侦测心跳、呼吸、人体动作来做为新型搜集数据资料的装置,满足智慧城市与智能建筑相关应用。该技术与手势辨识同样使用都卜勒传感器解调出Wi-Fi发射与反弹回来的讯号内容,以非接触方式感测细微的震动现象,象是生物呼吸及心跳所造成的皮肤表面起伏等,借以侦测生物的心跳等生理活动现象。

假使将该技术导入办公室Wi-Fi AP之中,不仅能随时掌握员工的身体状况,亦可随时侦测出员工进出办公室状况,自动化开关空调系统控管能源。 此技术最大挑战在于降低讯号干扰与提升灵敏度问题,而这项难题须仰赖新的物理机制才能解决。

洪教授所研发的无线雷达感测采用的是「注入锁定」(Injection Locking)物理机制,由于振荡器会随著人体移动的不同调整频率,因此透过都卜勒传感器解调侦测振荡器频率变化,从而获知侦测物的相关讯息。

而在展示环节中,洪教授也透过影片的方式,展示了使用该雷达技术侦测同一个房间,以及侦测不同房间的不同情境,即便是通过水泥墙,也能成功侦测到实验对象的生物特征。

另外下午的三个技术分场共16场演讲, 也带来精彩的前瞻信息与分析。

耀登集团这场活动不仅带给业界关于无线射频的设计、规范,以及未来5G应用等不同的思维与视野,同时由几位政府、业界、学界的专家学者提出的政策和技术方向,更为与会者提出了多种可能的应用潜力。而作为主办者的耀登集团也在随后的专访中说明了该公司已经为整个产业准备好包括设备与技术的升级,随时都可以帮助产业开拓更大的市场空间。

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