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5G毫米波时代即将到来!

2021-2-23 10:57| 查看: 80| 评论: 0

本文將深入探討5G毫米波技術優勢與劣勢、商用挑戰,以及其市場價值與前景,並分析何時全球及台灣有機會邁入5G毫米波時代,以及5G毫米波可帶來何種創新應用。

全球5G行動網路服務陸續開台,所使用的主流頻段大都是6GHz以下。不過,市場上也出現利用24GHz「毫米波」(mmWave)以上頻段的5G技術才是所謂「真5G」的聲音。若以3GPP Release 15 (Rel-15)標準規範中所定義,24GHz以上的頻段才可稱之為毫米波,由於毫米波頻譜具備超大頻寬特性,可實現對超高傳輸速率與低延遲有較大需求的應用,因此也被視為下一波5G技術的重要演進方向,且晶片商、網通業者與電信營運商也多看好5G毫米波技術市場前景。

不過,由於5G毫米波採用的是24GHz以上的高頻頻段,目前主流毫米波頻段為24~28GHz、37~49GHz、64~71GHz,因此開發相關技術如天線、射頻…等門檻較高。不僅如此,毫米波技術波長較短,訊號衰減程度大、穿透力與傳輸距離相對較為受限,因此在基地台佈建上得較以往更為密集。本文將深入探討5G毫米波技術優勢與劣勢、商用挑戰,以及其市場價值與前景,並分析何時全球及台灣有機會邁入5G毫米波時代,以及5G毫米波可帶來何種創新應用。

5G毫米波技術整裝待發

根據第三代夥伴計畫(3GPP)的定義,5G NR (new radio)頻段總體上被分為兩個頻率範圍(Frequency Range,FR):包括6GHz以下頻段(450MHz~6GHz)的FR1,以及包含毫米波範圍內頻段(24.25GHz~52.61GHz,即sub-6GHz)的FR2。工研院產科國際所表示,3GPP在制定Rel-15標準時,定義支援24.25~52.6GHz的毫米波頻段;而2019年的WRC-19會議也定義完成IMT-2020 5G頻譜,其中,毫米波頻段包括24.25~27.5GHz、37~43.5GHz、45.5~47GHz、47.2~48.2GHz、66~71GHz。雖然WRC-19所定義的毫米波頻段中,有些是3GPP Rel-15 FR2先前未納入,但3GPP已於Rel-17中將支援52.6GHz以上的頻段納入標準討論,可見毫米波已成為全球5G網路部署的重要頻段。

中華電信指出,波長在1~10mm範圍內,即可稱之為毫米波,而5G通訊技術往毫米波發展的主要原因之一是,現有的450MHz~6GHz頻段已被許多其他無線電技術所佔據,可用的資源不多,因此只能朝其他頻段尋找機會。更何況,5G行動通訊技術透過FR2的毫米波頻段,可實現高速傳輸與低延遲,進而開發更多應用。3GPP和WRC-19會議所定義的毫米波頻段範圍相當廣泛,不過,目前全球以28GHz及39GHz毫米波頻段最熱門。

2020年全球已開始5G商用化服務,雖然目前多以sub-6GHz頻段為主,但5G毫米波頻段的商機,已蓄勢待發。市調機構認為,完整的5G技術才能真正實現5G通訊技術的三大特性——增強型行動寬頻(eMBB)、超可靠低延遲通訊(uRLLC)與大規模機器型通訊(mMTC),因此,現有sub-6GHz頻段的5G技術,除了需向下整合4G LTE,還要加上預計2021年發展將逐漸加快腳步的毫米波技術,才能提供真正的5G體驗。

高通(Qualcomm)即相當看好5G毫米波所衍生的市場商機,該公司認為,未來5G毫米波上路後,預計在2035年,整體市場規模將上看13.2兆美元,其中,智慧製造產值將達4.77兆美元,勝過智慧行動通訊相關應用。不僅如此,由於5G毫米波技術將於2021年進入快速發展階段,因此也將為包括小型基地台(Small Cell)、射頻(RF)相關元件、功率放大器(Power Amplifier,PA)、射頻模組、氮化鎵(GaN)…等元件和新材料,帶來龐大的市場商機。

OYR Electronics Research Center統計資料顯示,自2020年起,受5G網路商業化建設的影響,全球射頻前端市場將迎接快速成長,其中又以功率放大器和濾波器市場成長最快。拓墣產業研究院調查也指出,濾波器及功率放大器的市場規模即佔整體射頻元件的85%以上,可望成為未來射頻元件市場成長的主要推動力。

5G毫米波技術優勢

搜尋5G技術相關資料即可找到一些「關鍵密碼」,5G通訊技術資料傳輸速率是4G LTE技術的100倍,可達10Gbps,延遲時間則低於1毫秒(ms)。不過,這些傲人的數字,必須仰賴毫米波頻段,才能真正實現。

因此,所謂完整的5G技術,毫米波頻段是必不可少的。高通副總裁暨台灣與東南亞區總裁劉思泰曾表示,5G技術納入的sub-6GHz以下頻段能維持平穩傳輸速度,訊號覆蓋範圍也較廣,但5G真正的突破性功能將由毫米波頻段主導。中華電信以該公司標得的28GHz毫米波頻段說明5G毫米波頻段優勢,包括頻譜資源豐富,可滿足高傳輸速率需求;時隙長度縮短,可支援低延遲應用,並實現更高階Massive MIMO技術,以及裝置外型尺寸可較小、易於安裝…等。

  • 高傳輸速率

從頻段使用觀點來看,相較6GHz以下頻段,毫米波頻段最大優勢在於高速與高頻寬。台灣羅德史瓦茲(R&S)市場開發行銷資深協理盧迦立表示,sub-6GHz頻段系統可使用的最大頻寬為100MHz,資料傳輸速率最高1Gbps;而毫米波頻段可提供的最大頻寬為400MHz,其資料傳輸速率可高達10Gbps。值得注意的是,從電波的物理特性來看,因毫米波短波長和窄波束特性可減少來自其他通訊系統的干擾,進而有更好的頻譜效能表現;同時,毫米波也可有較佳的訊號鑑別率與傳輸安全性,適合人口密集的環境使用,也易於解決同時間有大量使用者連接網路時,網路壅塞的問題。

根據中華電信所提供的數據,該公司2020年取得28GHz毫米波共600MHz最大頻寬,其下載理論峰值速率約3.2Gbps,上傳可超過600Mbps。中華電信認為,大頻寬有助於大幅提升下載和上傳速率,可用用於紓解人潮擁擠熱點的基地台容量,以及提供特定企業客戶專案的超高速率需求。

CEVA行動寬頻業務發展總監Nir Shapira認為,毫米波是5G中非常重要的工具,其重要性在於可對現有可用頻段做非常重要的補強,因為6GHz以下頻段非常稀缺,而且這些頻段必須與傳統系統和其他無線接取技術(RAT)爭奪使用權。此外,毫米波此一新的頻段資源不僅可以支援超高速通訊,從頻段再使用的角度來看,毫米波頻段不但寬得多,還可以在近距離,以及室內和室外之間有效地重複使用。

  • 超低延遲

毫米波頻段如何達到更低的延遲?中華電信解釋,與中華電信標得的sub-6GHz中的3.5GHz頻段相比,由於毫米波的波長更短,因此傳輸時間短,加上毫米波頻段時隙(time slot)長度是3.5GHz的四分之一(3.5GHz時隙為0.5ms、28GHz則為0.125ms),因此可進一步降低資料在無線電介面傳輸所需花費的時間,對於需要低延遲應用有明顯優勢。

  • 裝置體積小且易安裝

上面已提到毫米波波長較短,而天線物理尺寸和波長成反比,因此毫米波更容易實現更高階Massive MIMO。據了解,比較3.5GHz及28GHz頻段的5G技術相關設備,3.5GHz頻段的天線加上基地台重量,大約是25~55公斤(kg),28GHz僅7公斤;體積方面,3.5GHz約50公升,而28GHz則是6公升。

由此可見,5G毫米波基地台具有體積小、重量輕及易安裝的優勢,如搭配波束成形(beamforming)等多天線技術,可彈性補強熱點容量及涵蓋弱區。亞德諾(ADI)通訊基礎設施業務部中國區策略市場經理解勇則表示,高頻毫米波主要技術特點為頻段寬,適用於各種寬頻訊號處理,且其天線尺寸小,波束窄、方向性好、空間分辨力高。追蹤精準度較高,亦為5G毫米波頻段的優勢。

安立知(Anritsu)業務暨技術支援部經理林光韋總結5G毫米波頻段技術優勢,「毫米波頻段不僅僅是擁有更高的傳輸頻寬進行資料傳輸,其高損耗特性及乾淨的頻譜使其頻段沒有過多的干擾,而完整的頻段才能支援高速大容量的資料傳輸。」另外,因毫米波波長特性的關係,「可以因應各式樣的微型天線設計,加上陣列天線設計後能提供更多元的應用,也讓台灣眾多的系統與元件廠進而受惠,並發展出更多元的產品。」

實現更多創新應用

毫米波頻段讓5G技術具備高傳輸速率與低延遲…等令人驚嘆的特性,其又能讓5G技術在現有的應用服務之外,更錦上添花開創哪些4G或是過去無法更進一步的新應用呢?恩智浦半導體(NXP Semiconductors)市場行銷經理Rick van Kemenade表示,使用毫米波頻段的主要優點是能夠提供大量的頻寬,從而為用戶帶來極高的數據傳輸速率和極低的延遲,如此將能支援大量的創新應用,如即時遠距的虛擬實境(VR)/擴增實境(AR)、汽車安全功能和輔助駕駛、遙感探測(Remote Sensing),以及驅動智慧工業,和更多超出當前想像範圍的應用。

除此之外,5G毫米波頻段還能實現任務關鍵型應用。解勇舉例,包括自動駕駛、遠端醫療、無線網路控制的工業自動化等,這些都是過去無線網路中不可實現的新應用。CEVA則認為固定無線接入(FWA)會是5G毫米波另一個領先的應用,Shapira解釋,毫米波技術與sub-6GHz有著顯著不同,因此能解開一些新應用案例的「封印」,FWA則是其中一個領先應用,這是由於5G毫米波頻段和高速技術的出現能進一步支援該應用所需頻寬,而又不會受限於sub-6GHz的「正常」數據流量,CEVA亦預期FWA將成為5G早期獲利的重要機會。

資策會產業情報研究所(MIC)則表示,在4G時代,FWA因頻寬問題而無法成為應用主流,但到了5G時代,看準5G毫米波可望促使FWA突破最後一哩,成為未來5G服務重點,因此美國電信營運商Verizon早在5G技術剛開始發展時,即力推該服務,且根據資策會MIC統計,在2020年中,全球已有30家的電信營運商正推出FWA的服務提供消費者選擇,地區以歐洲與中東等地的電信商為主。

如果說FWA是電信業者解決鄉村、偏遠地區光纖或有線網路成為最後一哩的靈藥,那麼整合式接取與骨幹網路(Integrated Access and Backhaul,IAB)技術則是為了克服光纖無法抵達之處,該地區骨幹網路回傳資訊的不足,以及為電信業者免去承擔建置新的5G NR毫米波網路時,需要部署新的光纖及骨幹網路所衍生的成本。中華電信補充,IAB定義在3GPP Rel-16規範中,是透過5G NR支援無線回傳以取代原本的光纖或纜線回傳,而IAB技術特別適用於毫米波,因毫米波傳輸距離短,基地台通常必須密集建置,若採用IAB以無線方式回傳,可大幅降低部署的難度和光纖成本。

IAB架構。

(來源:3GPP)

 

5G毫米波的傳輸速率優勢,在高速視訊下載和上傳相關應用上自然也有如摧枯折腐,尤其是在相對靜止的室內環境中。中華電信指出,毫米波頻段應用將聚焦於區域性,亦即企業客戶及特定場域的需求,用以補強3.5GHz頻段無法滿足的超大頻寬、更低延遲的應用需求。

舉例來說,在影音串流應用方面,4K、8K以上影像品質的上傳與下載,5G毫米波技術可謂「桌上拈柑」;不僅如此,在展演廳、場館,用戶可透過穿戴式AR/VR裝置提升用戶的沉浸式體驗,而單個具4K影像解析度的VR裝置要至少求50Mbps的上傳速率,有時還會有多個VR同時運作,讓使用者享受前所未有的感官體驗,因此沒有5G毫米波的大力支援,是很難做到的。

值得注意的是,多數業者皆認為5G毫米波也相當適合為企業打造5G專網。舉例來說,由於工廠作業環境較可控、穩定、傳輸行為明確,因此不僅可滿足工廠訊務對高速率及低延遲的需求,工廠內部的無人搬運車(AGV)也可以透過毫米波波束密集的特性,達到移動時所需的精準定位。盧迦立也認為,毫米波系統可提供許多有別於4G的服務與應用,如智慧工廠的專廠專網、短距雷達探測、智慧交通系統…等。

總而言之,5G毫米波訊號的超低延遲及高傳輸頻寬特性,使其特別適合小區域、多單元的服務,如5G全覆蓋的智慧工廠,或是要求極高的即時影像傳輸。林光韋進一步說明,遠端高解析度醫療手術、演唱會這類的應用必須兩地即時同步,且不允許訊號跳動與延遲,因此也只有5G毫米波的高傳輸頻寬可提供更高解析度影像,而其低延遲才能即時反應並達到同步的效果。

5G毫米波技術與網路佈建挑戰

「水載舟亦能覆舟」這句話許多人皆知其含意,而這句話套在5G毫米波上也適用。你可能會認為這篇文章的前面的部分,有許多廠商如此看好5G毫米波技術,因此5G技術若是真沒使用毫米波頻段,大概就是比4G再好一點的行動通訊技術而已,很多新穎的應用仍然無法實現。沒錯,5G毫米波的確為整個5G市場挹注了許多新的商機與成長動能,全世界都為之傾倒,但分析毫米波的物理特性即可發現,要實現5G毫米波技術並非想像中的那麼簡單。

隨進入下一代5G技術,蜂巢技術會朝更高頻演進,本圖也顯示LDMOS、GaN和SiGe等射頻技術的工作頻率範圍,並涵蓋了高頻、高整合度功能。

(來源:NXP) 

毫米波屬於高頻訊號範圍,其波長短、振幅小,因此訊號涵蓋範圍較小;再者,波長短其訊號穿透能力就相對較差,很容易被其他物體遮蔽,訊號衰減程度也較快;而毫米波頻段對相關業者來說是一個新的處女地,業者們多數對這全新技術的掌握度較低,進入門檻自然也提高不少。

  • 元件

毫米波在MIMO方面使用上與sub-6GHz不同,在sub-6GHz中,大多數波束成形是用數位方式處理,而在毫米波中,大多數波束成形是用類比實現;再者,毫米波的挑戰是處理非常寬的頻寬而不是大量的空間串流。此外,由於毫米波要求非常高的前傳速度,因此基地台架構通常會有所不同。

Shapira表示,sub-6GHz系統通常會將無線電單元(RU)和基頻單元分開,因此毫米波基地台更類似Small Cell,具有整合的多合一拓撲結構。因此在基頻元件架構中支援毫米波所面臨的挑戰之一是要能將大部分的運算模組重複使用在sub-6GHz和毫米波。林光韋認為,5G毫米波的新門檻是需要解決訊號高耗損的問題,以及更精準的覆蓋設定與規劃;另外,網路同步的議題也是分時多工(TDD)網路的核心議題;而如何選擇合適的新材料、進入量產後品質與良率的提升,則是因此相關元件設計與生產時會面臨的挑戰。

事實上,5G毫米波發展至今,在射頻系統設計上仍面臨既有通訊系統的一致問題,如何在縮小外形尺寸的同時,提升穩定性能、降低功耗,改善延遲並同時兼顧成本考量,這些問題的解決在毫米波上更加嚴峻。盧迦立認為,尤其為了有效提升系統設計的整合度,行動裝置通常採用天線封裝(AiP)技術,將天線與不同基頻電路、射頻元件整進同一封裝內。然為彌補毫米波功率損耗而採用高增益陣列天線,其搭配的功率放大器在過程中將產生大量功耗,如此異質整合下的封裝將隨著5G毫米波不同應用,面臨不同的設計與製程挑戰,包括散熱、介質損耗、電磁波干擾、傳輸功耗、互連損耗、前端(frontend)射頻元件與陣列天線的有效整合…等。

Kemenade也同意毫米波射頻系統和元件的整合度通常遠高於低頻系統。他進一步說明,高整合度意味著建構毫米波系統所需的半導體解決方案和PCB的複雜性會大大增加。對元件商的關鍵挑戰在於提供具有高階特性和性能的解決方案,同時確保總擁有成本得到控制,因此元件設計製造業者儘管面臨複雜的問題,但仍須思考如何以低成本的方式開發與製造解決方案的所有部分。更重要的是,整個產業將不斷推動元件方案持續提高效能。

從各別射頻元件來看,盧迦立指出,考量毫米波短波長、窄波束的特性,在天線陣列的設計上為符合天線單元間小於1/2波長(λ)的距離要求,如濾波器等被動元件在微小化的過程中需同時控制頻寬損失,以及不同溫度下的特性穩定,一般來說至少需小於3ppm/℃。然而不同的設計,不同介質材料的選擇與製程好壞,都會影響這些特性表現,進而影響整體射頻系統的穩定性與頻譜效能。

其中,電路材料的介電係數(Dk)之於銅箔表面不同的粗糙程度,sub-6GHz與毫米波就有截然不同的設計需求。盧迦立舉例說明,就功率放大器而言,因其電路性能會因溫度影響而產生變化,相關電路材料的熱管理能力對毫米波放大器則至關重要。尤其,放大器需同時面對其他更高輸出功率、更高頻寬支援及更好的DC到射頻轉換效率等設計挑戰,因此,GaN即是因應這樣的設計需求開始被導入現在的毫米波相關元件中。

  • 基礎設施

上述提到5G毫米波技術為元件等相關業者帶來的挑戰,而對電信業者來說,即使元件、裝置與設備一一到位,但新技術就需要新的基地台…等基礎設施,且5G毫米波存在著訊號穿透力低、涵蓋範圍小的原罪,電信業者就需密集部署基地台,而這些都是龐大的成本支出。盧迦立指出,由於毫米波易受地形地物影響,為求在網路建置的訊號覆蓋與建設成本中達到最佳化,基地台的部署位置、環境的路徑損耗,波束合成架構…等,都得同時考慮;而若網路的佈建搭配5G低頻段或與LTE混搭,不同系統、頻段間的互連與行動性管理,多種不同形態設備間的互相整合,網路系統架構設計與系統部署前的場景分析等,均是毫米波佈建業者需面對的全新挑戰。

圖中顯示的5G覆蓋層具有不同程度的範圍,以及數據速率或容量。這使5G技術能在農村地區之間,以及密集城市地區之間實現無縫連接,從而實現廣泛的覆蓋範圍。

(來源:NXP)

 

中華電信表示,5G毫米波頻段高、傳播損耗高、穿透衰減大、繞射和散射能力弱,訊號覆蓋能力即相對受限,加上降雨效應及樹葉衰減多寡等不確定因素也會影響傳輸品質,例如典型樹林遮蔽損耗,28GHz頻段約較1.8GHz頻段多10~15dB。不僅如此,因訊號覆蓋半徑小,使得一般終端的移動行為在毫米波下更加頻繁觸發交遞,所以如何適當地設計系統參數以實現靈活快速的交遞及波束恢復機制,也將成為電信業者未來廣佈毫米波基地台的新技術門檻。

最重要的是,現階段28GHz設備價格和3.5GHz產品相去不遠,但訊號涵蓋範圍卻僅3.5GHz的十分之一,且目前支援28GHz的手機價格也偏高,對電信業者來說,毫米波技術與設備短期運用在普遍性涵蓋會導致投資規模大、營銷推動不易種種難題。Kemenade指出,雖然毫米波中的傳輸範圍比低頻率的訊號傳輸範圍更短,不過這個問題可以透過更小的電池尺寸和使用相控陣天線來解決,這些天線採用波束成形以將射頻能量聚焦到使用者上。此外,訊號中繼器則可用於擴展蜂巢網路訊號的範圍,或能為電信業者減輕龐大的毫米波建置成本。

台灣業者機會在何方?

台灣業者在5G技術發展方面相當的積極,政府也致力協助台灣廠商打進全球5G市場。而在5G毫米波技術方面,台灣業者具備的優勢,也使其擁有搶攻5G毫米波市場的籌碼。解勇指出,毫米波時代在高科技系統設計和製造領域帶來了許多新的挑戰,而台灣在這方面擁有經驗,在價值鏈的每一層,設計和製造的複雜性都在增加。這也意味著,提供先進的射頻半導體、組裝、測試和封裝、PCB、機械系統和軟體,以及所有相關的元件和系統級測試解決方案的機會非常大…


高人

专业

握手

霸气

雷人

吐血

山寨

奋斗

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