O-RAN架构下5G毫米波新商机
- 李佳玲／台北
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" alt="图1：各种高频无线接取传输衰减(图片来源：円通科技)"> 
Apple iPhone 12系列 5G手机的热卖及Apple iPhone 13 5G手机的陆续推出，都已对28GHz与39GHz双频毫米波频段确定支持，同时O-RAN开放式架构的提出与O-RAN OTIC认证的推动，不仅使得5G毫米波相关产品推出与商品化的时程大幅提前，也带动了包括台湾厂商在内5G毫米波新的市场商机与新产品开发的技术挑战。
本篇报告主要针对5G毫米波小型基站在无线接取与前端模块设计上的挑战进行深入的分析，同时探讨厂商在投入5G毫米波相关产品的布局，以及未来在5G毫米波前端模块开发及验证上所面临的机会与挑战。
随着5G手机在2019年推出以来，5G手机在2020年的出货量节节攀升，2021年5G智能手机出货量预估可达约6亿支、2022年出货量则有望超越4G机种。苹果(Apple) iPhone 12与iPhone 13系列5G手机陆续在2020年10月与2021年10月推出后，对于5G手机的推广与普及更是推波助澜，进一步推升了5G手机的全球热卖。
虽然苹果iPhone 12与iPhone 13 5G手机只有美国版本有支持28GHz与39GHz双频之毫米波频段，但是苹果对于5G毫米波的明确支持，使得原本仍有许多人对于5G毫米波是否能够这麽快用于商用市场的疑虑一扫而空。联发科5G毫米波相关芯片与手机产品也预计在2021年送样、2022年进入量产。
另外由全球主要电信营运商所成立的O-RAN联盟，主要希望能够打破之前电信基站由少数几家大厂垄断的局面，提出新的O-RAN开放性架构。将原本的基站电路架构分成O-RU、ODU、O-CU新的架构与订定标准界面，只要各家厂商所设计生产的O-RU能够遵循并通过OTIC(Open Testing and Integration Centre)实验室的认证测试，就可以确保相互间的兼容性与互通性而互相搭配连接，不需要像之前一样必须是同一家厂商的设备因，因而获得国际间广泛的支持。也开启了台湾相关业者进入5G基站供应链的契机。
随着5G手机的热卖，也促使许多公司投入相关前端模块与毫米波芯片的开发。虽然5G采用毫米波频段，主要的优势是可以获取较大可用带宽，使得5G可以比4G网络提供100到1000倍传输速率与通讯容量的目标。
但是对于5G毫米波真正大量使用于商用市场一直有不少的疑虑，主要来自于毫米波频段，使用这麽高频的无线电频段第一次使用在户内与户外移动通讯，不像Wi-Fi或是Bluetooth主要是使用在室内或是短距离通讯，在技术开发上面临了许多新的挑战，包括高频无线接取的挑战，同时也包括毫米波频段所使用天线阵列在整合与散热需求所引致设计、性能、材料与成本上的许多权衡。
毫米波通讯高频接取与前端设计上的主要挑战
毫米波频段使用在不管是户内或是户外的移动通讯有较高的传输耗损，这造成高频无线接取的主要挑战，这些传输耗损包括路径传输损失(Path Loss)、穿墙性(Wall Penetration)耗损、雨衰(Rain Fading)、甚至因为水气与氧气吸收导致的传输衰减(Propagation Loss)等，如图1所示。
(一) 毫米波相位天线阵列(mmWave Phased Antenna Array)设计挑战
要解决毫米波在传输上较大的传输衰减，主要是透过设计大量或巨量天线单元的天线阵列(Antenna Array)，并适当设计天线阵列每个天线单元的辐射场型(Antenna Pattern)使之同相(In Phase)来产生正向藕合(Positively Coupling)。
此时正向耦合后的阵列天线辐射场型会成为聚集能量的较细辐射波束，也因此具有较大的天线增益，此即所谓波束形成技术(Beam Forming)。透过大量或巨量的天线阵列的设计提供够大的阵列增益(Array Gain)，补偿高频通讯的各项传输损失，达成系统规格所要达成之传输涵盖范围的目标。
(二) 毫米波相位天线阵列散热的成因与系统解决方案
在3GPP所完成之Release-15/16 5G NR标准仍持续延用4G标准中所使用之正交分频多重接取技术(Orthogonal Frequency-Division Multiple Access；OFDMA)。而正交分频多重接取技术最大的缺点就是有很大的峰值相对于平均之功率比率(Peak to Average Power Ratio；PAPR)，特别是在搭配高端调变技术64-QAM(Quadrature Amplitude Modulation)时，发射功率需要从功率放大器(Power Amplifier；PA)的1 dB功率(P1dB)点后退(Back-off)约10dB，才能避免因为功率放大器的非线性特性所造成的失真，也才能达到满意的解调变性能，这使得功率放大器(Power Amplifier；PA)的功率附加效率(Power Added Efficiency；PAE)变得很差，如图2所示。
以图2之功率放大器在36GHz频段为例，原本使用砷化镓(GaAs)制成设计之功率放大器(Power Amplifier；PA) 在1dB功率(P1dB)点的功率附加效率(Power Added Efficiency；PAE)约为18%，但后退(Back-off) 10dB之后功率附加效率(Power Added Efficiency；PAE)就只剩下2~3%，这意味着有97%~98%的直流功率(DC Power)只有2~3%转换成传送信号功率，其余97%~98%的直流功率(DC Power)则是转换成热能散逸，造成很严重的散热问题。
由图3可以看出，可以透过降低单一功率放大器的输出功率，同步增加天线单元的个数来增加天线阵列的增益，可达到一样的全向辐射功率(EIRP)，却可使产生的热大幅降低至可处理的范围，这也是目前提供波束成形器芯片方案的厂商，如Anokiwave，采用CMOS制程的主要原因。
円通科技5G毫米波前端模块与量测、校正设备
如图4円通科技针对NXP LA1224评估模块所设计4x4 16-天线单元的28GHz 5G毫米波前端模块为例:
就是采用Anokiwave AWMF-0151波束成形芯片，根据前述系统散热方案设计天线阵列，再搭配热模拟与散热机构设计，有效解决散热问题并提供水平与垂直双极化P1dB=47.5dBi、EVM=-29.5dB的超优性能！
台湾厂商在投入5G小基站前端模块开发的另一个挑战则是来自测试设备的建置成本。円通科技透过与国内厂商及国际仪器大厂的策略联盟，并已推出由台湾自主研发搭配国际仪器大厂Keysight软件之M3FORCE非信令测试仪，整合信号产生器、信号分析仪与网络分析仪三合一功能，且每台价格新台币百万元以下的非信令测试设备，如图5所示。
另外，円通科技也推出针对毫米波天线阵列量测与校正设备YTBM28，如图6所示，不仅不占空间，量测速度快，同时性价比非常高，量测8x8 64-天线单元天线阵列只需四分多钟，实为5G毫米波或是低轨道卫星通讯地面站阵列天线量测的最佳选择！关于円通科技解决方案详细，邀请您报名参加1/12「O-RAN开放性架构下的5G新商机- mmW 5G Made Simple」研讨会，现场将有相关展示解说，邀请您立即报名。
