4G Lte/IEEE 802.11ac无线设计复杂度高
- 魏淑芳
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移动联网装置对传输效能要求逐步提升，加上万物联网的市场趋势引导下，原有3G移动上网应用已无法满足未来需求，后继而上的4G Lte移动上网不仅在传输效能、网络使用效率各方面都获得极大改善，但受限各区频段与技术整合问题，要达到全网无缝衔接、射频模块设计仍有相当大的挑战…
在无线通讯数据传输发展上，4G Lte(Long Term Evolution)用更短的时间已陆续完成区域商业服务建置，其中最大的关键在于消费者对于移动上网速度的渴求，加上产业界所关注的物联网IoT应用对无线网络接取的服务装置数量、传输数据量，预估将呈现爆发性的成长，看准后续无线数据传输应用的发展潜力，也令电信服务商不得不正视4G Lte或是更新颖的无线通讯技术导入需求，积极投入基站与后端数据服务接取的系统建置。
物联网需求殷切 刺激4G/Lte商用服务快速成形
4G Lte数据接取应用，除了从电信服务端积极布建商业应用服务外，现阶段可因应支持3G、4G Lte、无线区域网络(IEEE 802.11ac)等基础建设，同时可符合无线通讯标准的终端应用产品，目前已有智能手机、智能家庭应用、穿戴式装置、无线网卡等，这些3C或IT装置也会跟随着物联网的庞大应用需求，面对更多网络应用的技术挑战。
先撇除相对成熟的3G无线数据接取服务技术，在4G Lte、Wi-Fi/802.11ac等技术支持下的智能无线终端应用产品，较大的开发瓶颈在于手机、射频前端模块RF FEM(Radio Frequency Frond-end Module)的技术开发与整合，这也会直接影响终端设备的体积、传输效能、运行功耗、设置便利性的重要关键技术。
而Lte技术在早期4G移动通讯技术标准不一状态下，逐渐形成全球标准，再加上IEEE 802.11ac标准释出，使得开发整合RF FEM更具明确目标，对于终端产品想整合如无缝连接(Seamless Connectivity)、支持物联网全域连接(Ubiquitous Networks)的使用效益，可让终端装置联网的同时增更多智能化应用与家庭延伸智能应用。
4G商用频段取得成本增加 无线服务需提升服务效能加速成本回收
但比较可惜的是，4G Lte在全球不同区域的国情与实际市场限制下，在释出规格建议的频段多达44组，依据商业运转服务商在不同国家、区域可用频段又有极大差异，尤其加上4G Lte无线传输服务需要与传统3G、GSM/GPRS回溯兼容、同时必须支持多模式(Multimode)、多频段(Multiband)支持架构，也成为这些终端产品在整合RF应用的复杂度提升。
尤其在全球可用频段越来越有限，在各国可用频段与现有3G或其他无线应用产生排挤，导致各国电信服务商在取得4G频段的成本相对以往更为高昂，在频谱资源有限、商用服务运转成本相对更高的现实下，为了提高有限频谱的最高使用效能，势必需要导入更新颖的无线通讯技术改善传输效能与频段使用效率，例如使用高效能数码调变改善有限频段的传输效能，但这种作法也会导致信号峰均功率比PAPR(Peak to Average Power Ratio)表现劣化，导致终端装置耗能提升、降低装置的电池续航力表现，为了改善这类问题，就必须降低RF射频前端元件的功耗，改进封包追踪ET(Envelop Tracking)技术。
物联网设备数量激增 4G无线技术频段多装置支持更佳
而在物联网应用中，关键的智能关键应用，主要是来在机器对机器网络的设备自动沟通M2M(Machine to Machine)技术延伸，因为透过机器对机器通讯与智能判断、运行，可让设备能有自主运作的智能应用功能，减少使用者涉入操作进而享受便捷生活，而智能设备若能从家中的数个家电、设备扩展到上亿台设备同时联网，搭配稳定可靠的网通基础建设，以稳定无误经由各种数据界面转换与信息再分配，势必能打造一个相对便捷、舒适的智能生活环境。
但要打造可让上亿设备沟通、无缝连接的应用环境，无线网通技术的RF整合就是一大关键，尤其需要支持多模、多频的射频前端整合，才能让设备具备高效、实时建构有效的设备沟通网络。
若需要建构支持全球漫游的4G Lte终端设备，必须在考量通讯连线品质之外，还需考量无线模块是否会在功耗与体积上影响到终端产品的外观设计，观察目前4G Lte全球网络与技术使用状态，4G/Lte商用服务主要技术实现与旧有通讯整合方式会以分频多工FDD Lte(Frequency-division Duplex、分时多工TDD Lte(Time-division Duplex)、分时同步分码多重存取TD-SCDMA(Time Division - Synchronous Code Division Multiple Access)、宽频分码多重存取WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access)与GSM(Global System for Mobile Communications)等通讯技术，相关设备需要考量全球漫游遭遇的服务商技术差异与消费者的设备支持状态。
2G/3G/4G频段技术差异大 多模整合与回溯兼容设计挑战高
以欧洲电信标准协会ETSI(European Telecommunications Standards Institute)发布的3GPP TS 36.101技术文件定义支持4G/Lte 44频段，不同频段采行的通讯技术也会有差异，整合的复杂度更高。至于对于终端装置的射频前端模块，其实包含Lte移动通讯射频元件，像是天线开关模块ASM(Antenna Switch Module)、功率放大器PA(Power Amplifier)、双工器、SAW(Surface Acoustic Wave Filter)、FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator)滤波器，同时在终端装置中，不可免还会设置有无线网络Wi-Fi(IEEE 802.11ac)与GPS(Global Position System)设备的射频前端元件。
光是整合多模射频应用功能，就会使得相关设计更趋复杂化，显而易见地，射频前端元件中功率放大器的创新设计，直接牵动着手机射频前端的细部架构。以PA设计为例，原本仅需支持2G/3G移动通讯的数据封包运作模式的器件，但当持续演进至4G Lte通讯应用时，就必须在器件整合2.5G四频段模块、3G通讯模块与支持Lte的空中界面，整合成可回溯兼容多频段、传输技术的多模多频功率放大器MMMB PA(Multimode Multiband PA)，设计复杂度高，功能验证的难度也相对提升。
4G加IEEE 802.11ac信号失真规范严苛 增添设备验证难度
除了设计复杂度提升外，为了符合Lte与IEEE 802.11ac的Wi-Fi通讯标准对信号失真的规范，对终端装置的射频前端线性度、抗杂讯等要求表现更高，尤其是随着无线通讯标准在技术与实践方法难度大增，设备的联网环境日趋复杂，对射频前端元件的性能要求更高，在设备设计目标希望提高信号传输距离的同时，又须针对设备的接收灵敏度、抗干扰能力进行提升，加重射频前端元件的研发负荷。
在实际的应用中，Lte、IEEE 802.11ac应用功能的信号收？发表现，和射频前端元件本身的线性度表现影响极大，EVM(Error vector magnitude)是衡量RF系统总体表现的衡量指标，用来检视检视功率放大器、低杂讯放大器与整合型单晶微波集成电路MMIC(Monolithic microwave integrated circuit)射频前端元件的效能重要指标，EVM偏差越低则代表模块的线性度表现越好。
一般以IEEE 802.11n的设备或装置，RF前端元件的EVM约在3%，而新一代的IEEE 802.11ac已经要求至少须达到2%或更低的EVM表现，这也会让前端射频模块的开发难度、验证门槛更高，尤其是Lte、IEEE802.11ac还导入多天线(MIMO)与载波聚合(Carrier Aggregation)等技术，对新一代的RF射频模块尚须考量芯片制程、电路设计、滤波与进阶的隔离技术，综合设计下在最终EVM条件也会受到影响，相关零组件与模块设计的线性度要求，也会左右终端装置的射频模块EVM表现。
