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实现5G愿景 毫米波技术不可或缺

  • 李佳玲/台北

透过提供业界最完整的矽晶毫米波IC产品组合,Anokiwave助力5G链路的建置,并拥有实际的3GPP商用部署 ─ 推动智能、可扩展5G天线阵列的实现。

5G被称为「通讯的未来」!现代人日益依赖「无所不在」的通讯,期望能随时随地保持连网,这使第五代(5G)蜂巢式无线通讯网络被誉为最新、最伟大的通讯技术,可带来远超越4G LTE技术的效能提升。但是,若要5G新无线电(NR)技术实现这些效能提升,其网络基础架构需采用比4G LTE网络讯号塔更小的小型基地台(small cell),而且基地台还得更近距离部署才有可能。此外,为了使5G提供比4G LTE系统更高的效能,它还必须在比4G LTE更多的频谱上运行。

其中,有些增加的频谱是在6 GHz以下(sub-6 GHz),但有很大部分是透过24 GHz或更高频率的毫米波频段来实现的。在这些较高频率下的宽广可用带宽可支持真正的高速、低延迟、短距离应用。5G系统将利用6 GHz以下和24 GHz以上的各种不同频率,把使用者与智能型手机,甚至机器,例如自驾车和物联网(IoT)传感器等,连接起来。但问题是,有多少的5G NR网络将采用毫米波呢?

毫米波实现5G效能

5G和4G LTE在速度、延迟方面的显著效能差异,其实是因为5G的毫米波所造成的。只有透过毫米波的大量可用带宽,才有可能在几秒内下载一部两小时的电影;相较之下,利用4G LTE网络,下载相同大小的档案却需要好几分钟。能为5G在速度和容量方面带来优势的是毫米波。要在毫米波上取得优异效能,需要在更多的小型基地台中安装基础架构硬件和软件。

由于毫米波讯号无法进行长距离传播的特性,这些小型基地台必须距离相近,并采用先进技术,例如能够进行波束控制(beam steering)的主动天线阵列以及大规模多输入多输出(MIMO)天线配置,才能导引能量从小型毫米波基地台传递到使用者。相较于以具全向性天线的较大型基地台进行较低频通讯的4G LTE网络基础架构,小型基地台中的5G NR天线专注于把讯号在网络节点和使用者之间传递,以便能最有效地利用高频中的可用能量。

然而,若没有对网络基础架构的投资,此出色效能是无法实现的。取得毫米波频谱授权是一笔投资,而建置新的基础架构又是另一笔投资。Verizon、AT&T、T-Mobile和其它的大型电信业者均展现了对5G和毫米波的明确与长期承诺。

自2017年以来,透过收购或竞标取得美国联邦通讯委员会(FCC)提供的可用频谱,电信业者已在毫米波上投入或承诺将投资共计近140亿美元。Verizon先是在2017年以18亿美元收购XO Communications,其中包含了大量的毫米波频谱资产;又于2018年,以31亿美元收购Straight Path,开启了业界对毫米波频谱的大量投资。AT&T随后亦于2018年以2.07亿美元收购FiberTower。这几家公司都拥有28 GHz和39 GHz频段的宝贵频谱。

2018年的Auction 101释照竞标为28 GHz频段提供了更多频谱,由Verizon赢得此次拍卖的大部分频谱,得标金额为7. 02亿美元。之后,于2019年,Auction 102的释照竞标是针对24 GHz频谱,由AT&T和T-Mobile赢得大部分的授权,总得标金20亿美元。而在FCC最近一次的毫米波释照竞标Auction 103中,总得标金额达76亿美元,Verizon、AT&T和T-Mobile为主要的投资者。

无线服务供应商正忙著在现有的4G基地台中安装5G 毫米波基础架构设备,将其作为非独立(NSA)网络节点,同时也忙著把5G 毫米波基础架构设备安装到紧密相邻的小型基地台中,以作为独立(SA)网络节点。5G NR网络的毫米波功能在人口稠密的地区特别能发挥效益,因为这些地区的使用者需要高速固网以及行动无线通讯服务,以替代电缆或光纤服务,或提供另一种选择。在人口稠密地区(例如大城市),大量、且同时上网的无线使用者可能会导致4G LTE网络过载,而出现延迟。具毫米波功能的5G NR基础架构,不仅能为具存取权限的使用者增加容量和更高效能,还能为仍在较低4G LTE频率下运行的使用者卸载网络容量。

5G毫米波的市场发展

为什么毫米波对5G NR网络如此重要?在全球各地,希望拥有比4G LTE 更好的增强型行动宽频(eMBB)服务的使用者,他们想要的eMBB效能唯有在24 GHz以上才有可能实现。无线行动使用者越来越习惯利用智能型手机等行动装置来随时上网。改善的eMBB服务将能支持下载较大的文件(例如3秒内下载2小时的视讯档案)、无间断的视讯串流,以及利用扩充实境(AR)和虚拟实境(VR)来进行商务会议和大学教学活动等应用。

Verizon等服务供应商希望透过毫米波基础架构来提高5G NR的速度和容量,以避免尖峰时段(尤其是在人口稠密地区)的壅塞。随著商务使用者转向越来越多的「数据消耗」活动,例如现场视讯会议,服务供应商必须找到方法来提供更快的上载/下载速度,而不会出现故障或延迟。此外,在人口稠密地区内的IoT装置数量正不断增加,也会消耗无线网络容量,亦需要5G NR毫米波网络基础架构提供的容量和速度。当然,要实现所需的容量增加,就必须安装具毫米波的5G NR基础架构。幸运的是,人口稠密的城市意味著,会有能够支持此投资的客户群。

因为需要额外的容量和速度,再加上高人口密度才能支撑网络设备投资和营运成本,因此,服务供应商会首先在全球各地的人口稠密地区安装具毫米波的5G NR基础架构。相对地,农村地区并没有足够的平均数量使用者和行动使用者(即使网络流量很大),因此5G NR小型基地台的投资难以得到回报。由于人口稠密地区拥有大量的使用者,因此5G NR服务会先从这些人口稠密地区开始,例如纽约、以及在中国、日本、韩国、新加坡和台湾的其它大城市。

中国是人口密度高,智能型手机和平板计算机等行动装置使用者众多的一个很好例子。数十亿名无线使用者随之而来的将是对绵密无线基础架构的需求:到2018年底,中国各地已共有约370万座4G基地台。针对5G NR服务,无论是在6 GHz以下,或是在毫米波,至少需要550万座小型基地台。

中国的无线服务是由国营电信业者提供,例如中国移动、中国电信、中国联通和中国广电公司(China Radio)。 这些电信业者与中国工信部(MIIT)等政府机构合作,以确保无线网络提供的服务质量。同时,它们已在北京、上海和深圳等主要大城市持续增加5G NR基础架构,因为这些人口密集地区最能获益于具毫米波5G NR网络带来的效能与容量提升。中国领先的行动电信服务供应商之一中国移动已建置了超过2万座5G NR基地台,其中有3500多座5G NR基地台是在北京。中国使用的毫米波频段包括24至27 GHz,以及37至42 GHz。

韩国亦积极推动5G NR基础架构的建设,当地的领先服务供应商SK Telecom、LG Uplus和KT Corp.与美国服务供应商Verizon合作,快速建置了具 毫米波覆盖的 5G NR微型基地台(microcell)。自2019年4月以来,韩国的电信业者一直与中国保持同步,在首尔等主要城市提供5G无线服务,到2020年4月,已有超过500万名5G NR用户。

这些韩国的无线服务供应商不仅把智能型手机彼此连接,而且还为如何在人口稠密地区应用5G NR网络的毫米波提供洞见。5G在毫米波的低延迟特性(不超过2 ms),使5G NR网络对于「自动驾驶」汽车深具吸引力,在这种应用中,车辆到车辆(V2V)和车辆到网络(V2N)的通讯必须是立即的,才能避免事故。人口稠密地区还可望利用5G增加的带宽来连接数十亿个物联网(IoT)传感器,作为智慧城市的一部分,以为家庭、办公室、医疗机构和工厂提供控制、监视和自动化服务。

例如,SK Telecom正与5G联盟小组(5G factor alliance group)合作,利用IoT技术和5G NR网络容量建置智能工厂。韩国最大的无线服务供应商KT Corp.正在探索如何进一步发挥5G功能在云端运算、家庭和办公室的先进保全系统、人工智能(AI)以及零延迟自动驾驶的应用。该公司认为,5G NR技术的广泛应用不仅在韩国,在数百个国家的数据漫游也可望带来光明前景,并已承诺将在2023年前,投入4亿美元用于5G研发。

当然,全球各地的5G NR部署不仅于此。以美国领先的服务供应商Verizon为例,光是2020年,就已投资180亿美元在美国的人口稠密地区进行5G扩展、把4G LTE基地台升级至5G NR服务,以及增加光纤建置等工作。随著这些升级,网络客户将保留4G LTE服务,并且随著5G新使用者设备(UE),如三星Galaxy智能型手机的上市,这些客户将能逐渐体验5G NR网络带来的更佳服务,尤其是在毫米波上。

实际可行的解决方案

为了加速和简化5G NR覆盖所需的许多小型基地台,甚至用户端设备(CPE)的设计和开发,Anokiwave把先进的12寸矽晶圆CMOS半导体技术应用在制造其高集成度的波束成形集成电路(BFIC)以及中频集成电路(IFIC)上。这些元件采用微型封装,可在24/26、28和37/39 GHz的所有主要5G NR 毫米波频段中作为多单元主动天线阵列的核心组成。它们也是毫米波卫星通讯(SATCOM)和雷达应用的理想选择。 

植基于开发前两代产品获得的知识和设计经验,Anokiwave最近推出了多款支持5G的第三代(Gen 3)BFIC和IFIC: 24/26 GHz频段用的AWMF-0165和AWMF-0170、 28 GHz频段用的AWMF-0151和AWMF-0153,以及37/39 GHz频段用的AWMF-0159和AWMF-0161。每款IC均采用紧凑的晶圆级芯片封装(WLCSP),非常适合平面天线设计。束波成形IC可透过控制相控阵列中四个天线单元的增益和相位来提供水平和垂直极化,以及发射和接收功能。除了出色的增益和动态范围外,这些芯片还具备了许多有用的特性,以确保高可靠性,例如所有封装接脚上的ESD(静电放电)保护和过热侦测。

采用相同型态的微型封装,IFIC是发送/接收频率上/下变频器芯片,可把毫米波讯号降到较低的中频(IF)范围,以进行数码转换和讯号处理。在单颗芯片中,包含了频率转换所需的所有元件,包括放大器、本地振荡器(LO)和倍频器。它涵盖了第三代合作伙伴计画(3GPP)标准所定义的毫米波5G NR频率范围,可为系统设计人员提供一种低成本、实用的解决方案,以供小型基地台和其它5G NR基础架构设备的频率转换之用。

Anokiwave的芯片产品可为5G毫米波提供最多样化的效能、成本和功能选项。透过合宜的集成度设计,我们的第三代主动天线IC发挥了唯有12寸晶圆矽晶制程可提供的学习经验及成本结构,这使Anokiwave能够为基地台以及类似于Wi-Fi存取点的小型基地台实现最佳的整体拥有成本。

结论

对于被称为「通讯的未来」的5G技术,业界有很高的期望。然而,若要5G达到这些期望,它必须在宽广的连续频谱上运行 ─ 唯有毫米波可实现此目标。24 GHz以上的频段可支持大量带宽和高数据速率,是增加无线网络容量的理想选择。Anokiwave几年前就预见了此市场需求,同时也是第一家提供商用5G毫米波芯片的业者。今天,在累积了数个世代的产品开发经验后,Anokiwave已能为5G毫米波提供业界最完整的矽晶产品组合,并已成为全球Tier-1和 Tier-2 OEM业者值得信赖的选择。关于Anokiwave产品技术详细,欢迎至Anokiwave官网查询。