"O-RAN開放性架構下的5G新商機" 研討會

https://www.digitimes.com.tw/seminar/Anokiwave_20220112/

34. 5G毫米波-聊聊毫米波陣列天線波束的控制

5G毫米波主要是透過設計多個天線單元的天線陣列形成波束, 使能量能夠集中, 因而產生天線陣列的增益!

每一個天線單元在發射端的相位都相同就可以形成建設性干涉的能量聚合而形成波束!

 而使每一個天線單元相同相位的達成主要是透過調整波束成形器中的相移器(Phase Shifter)來達成!

目前使用在5G毫米波的相移器, 相位的控制是透過數位的方式來調整, 大都是5個位元或是6個位元, 以一個完整圓圈360度來說, 5個位元等於是將360度分成2的5次方, 也就是32個等分, 每一個等分為11.25度, 也就是目前5G毫米波的相移器的調整精準度是11.25度!!

以5G毫米波小型基站的基地台為例, 基地台必須360度都能夠通訊, 一個基地台涵蓋角度為90度或是120度, 若是90度, 就需要布建4個, 若是覆蓋角度可以達到120度, 則只需要3個就夠.

 當然對於電信營運商而言建置成本會比較低, 是比較好的選擇, 但對於天線工程師而言, 就必須確保所設計的波束場型在正負60度的地方, 增益不會掉太快 掉太多!!

為符合5G使用者移動通訊的需求, 以及可以隨著不同使用者在時槽(Slot)做調整, 波束必須能夠快速調整方向, 也就是所謂的快速的"波束追蹤"!

目前5G毫米波的設計主流, 並不是以類似飛彈雷達陣列透過預估的方式來形成波束的指向, 因為這會需要很快的運算能力, 同時這對於基頻信號處理會是很大負擔與很高的成本. 因此5G毫米波是以波速切換的方式來達到快速方向切換的需求!

 

波速切換是透過調整相移器的設定, 而相移器何時需要設定與切換? 一個時間點是在基地台布建時, 一個則是使用者移動到不同位置時!

而當使用多個天線單元形成陣列天線, 多少個天線單元就有多少個相移器需要做設定與調整. 以64天線單元天線陣列為例, 就有64個相移器需要設定與快速調整, 目前設計方式是以預存事先設計好的波束表(Beam table)來達成的!

33. 5G毫米波- 聊聊無線通訊晶片的開發與驗證

不同無線通訊系統, 各有不同標準, 主要是根據各個無線通訊應用情境的需求所制定, 所謂應用情境是考慮像: 使用於室內或是戶外, 是應用於10米內短距離連線, 100米內無線資料的傳輸, 或是幾十公里範圍的無線通訊. 根據這些考量制定所需要的封包長度與封包各欄位的功能定義, 依據所需要的傳輸情境, 傳輸速率與資料量採用或設計所對應採用的調變解調技術, 通道編解碼技術, 錯誤偵測碼等的不同的技術制定成標準. 

也因此不同的無線通訊標準, 封包格式不同, 也各自採用不同的調變解調技術, 不同的編解碼格式, 同時依據傳輸距離等各自不同的使用情境, 也各自有不同的通道模型與預期會造成的通道影響, 在接收端也就需要作不同的時序與頻率補償, 通道估測與進行不同演算法的通道補償方式!

所有這些基頻信號處理技術, 都需要工程師依據不同標準, 建立整個無線通訊模擬系統並進行演算法設計!

一般通訊工程師會先採用像Matlab的商用軟體來建構系統, 快速的針對不同演算法進行性能與複雜度的評估, 主要是因為這些商用軟體已內建許多通訊的功能軟體庫, 可以快速的建立通訊系統, 而不需要所有功能都從零開始寫!! 但這些軟體也因為內建太多軟體庫與介面, 使得執行速度相對較慢. 另外, 這些內建功能都是黑盒子, 看不到內部的設計細節, 這對於想要除錯或是進一步性能改善就沒辦法進行!

因此, 通常工程師會再將選定的系統架構與演算法, 利用C/C++語言進行浮點模擬系統設計,之後再進行定點模擬. 所謂的浮點模擬, 是模擬類比世界的系統性能, 模擬的結果是所設計的通訊系統所能達到的最佳性能. 但因為真實世界的信號處理多已是數位信號處理的數位世界, 因此還需要再進行定點設計, 以決定系統所需要從類比轉換為數位所需要的解析位元數.

以往晶片設計工程師完成這一步, 多會先以FPGA來進行較接近實際系統性能的建置與仿真評估, 以在晶片送TSMC等晶圓代工廠製造成晶片前先確認功能無誤, 同時性能也如預期. 但這個步驟並不容易進行, 因為需要花許多時間進行實際通訊系統的建置, 同時因為FPGA的限制, 需要進行許多的妥協或是改寫, 而且通常是需要降速運行, 因為FPGA的運算速度並不像實際晶片那麼快速!

円通科技自行開發的非信令測試儀, 只需直接在提供的圖形介面依據所需規格對射頻前端設定所需頻寬與操作頻段, 就可以完成系統建置, 並可以直接將已完成模擬設計的Malab與 C/C++的無線通訊設計, 直接運行在電腦或筆電, 並在實際情境中進行無線雙向傳輸, 驗證在真實世界中所設計系統或是演算法的實際傳輸性能!

透過使用者圖形介面直接做設定, 可以產生任意波型做為發射端的信號源頭, 也可針對接收端要做的信號分析, 不管是時域的信號波型, 頻域的頻譜, 或是解調後的信號品質, 都可以在圖形界面中直接執行與觀測.

32. 5G毫米波- 聊聊5G毫米波前端晶片:波束成形器

5G毫米波的電路架構如圖1所示:

                                             圖1. 5G毫米波電路架構

 5G毫米波主要是透過設計多個天線單元的天線陣列來作通訊與傳輸, 而天線陣列要能形成波束, 必須確定每一個天線單元發射信號的相位都相同, 也就是通訊上所講的同相(In Phase)! 

每一個天線單元在發射端是由功率放大器輸出再饋入, 由功率放大器輸出到每一個天線單元的路徑長度, 即使在怎麼精細的設計, 也會有一些誤差. 再加上製程, 走線等的路徑長度誤差也都存在!! 另一個主要因素則是因為毫米波頻率很高, 而相位是頻率乘以路徑長度誤差所導致的傳輸時間差, 因此所能容忍的時間誤差, 也就是所能容許的長度誤差非常非常的小!!

要做到每一個天線單元發射信號的相位都相同以形成波束, 就必須先能夠調整由功率放大器輸出到每一個天線單元的相位差, 這部分的調整主要是由"波束成形器"來達成!

目前5G毫米波所採用的波束成形器晶片, 主要是採用CMOS製程, 而不是直覺上覺得高頻應改採用的GaAs 或GaN三五族製程, 這主要是因為5G毫米波前端主要考慮的不單單是發射功率的大小, 更棘手的是整合, 散熱與成本問題!!

像円通科技所設計的4x4 16-天線單元的5G毫米波前端模組就是採用Anokiwave以CMOS製程設計之波束成形晶片AWMF-0151!!

圖2. YTTEK 4x4 5G mmWave FEM

其中AWMF-0151波束成形器整合了8路, 垂直極化與水平極化各4路, 每一路電路如下圖:

都包括一個相移器, 一個衰減器, 一個功率放大器, 一個低雜訊放大器與兩個切換器. 需要切換是因為主要支援時間切分半雙工, 也就是同一時間不是發射就是接收. 同時透過這兩個切換器使得相移器與衰減器在發射與接收時可以共用!

31. 5G毫米波- 聊聊低軌道衛星LEO通訊網路架構與使用頻段

 低軌道衛星通訊的網路架構如圖1所示,分為饋線鏈路(Feeder Link)、服務鏈路(Service Link)、與衛星間鏈路(Inter-Satellite Link; ISL)。

                                          Source : ” Study, Modelling and Design Of Inter-satellite Links 

圖1.  低軌道衛星網路架構

饋線鏈路(Feeder Link)與服務鏈路(Service Link)都包括上行與下行, 上行指的是由地面站往衛星傳輸, 下行則是指由衛星往地面站傳輸. 服務鏈路是指低軌道衛星與用戶端之間的鏈路, 類似地面用戶與基地台之間的鏈結, 提供其覆蓋範圍內的通訊服務. 而饋線鏈路則類似地面上的回傳網路(Backhaul), 將用戶端的通訊需求回傳至局端 或是由局端透過回傳網路傳輸至用戶端. 但由於低軌道衛星並不是像同步衛星般 相對於地面是固定的, 而是非常快速的繞著地球移動, 因此低軌道衛星必須透購衛星間鏈路(ISL)做換手(handover), 類似地面通訊手機移動時, 與鏈結的基地台之間必須不斷的隨移動而換手 以保持通訊不間斷!

低軌道衛星通訊採用上行與下行不同頻段的頻分多工(FDD)模式, 饋線鏈路空對地採用的是 17.3-20.2 GHz 18GHz頻段，地對空部分則是採用 27.5-30.0 GHz 28GHz頻段；服務鏈路部分空對地是 10.7-12.75 GHz頻段，地對空則是 12.75-13.25 (OneWeb)與13.85-14.5 GHz (SpaceX)頻段。

若假設低軌道衛星打的高度是600公里, 可覆蓋仰角是30度, 則如圖2所示, 

                                                                        圖2.  低軌道衛星高度, 仰角與距離

最遠傳輸距離為1075公里, 同時因為使用Ku 18GHz頻段或是Ka 28GHz高頻頻段, 因此信號衰減很嚴重. 以饋線鏈路上行28GHz為例, 路徑損失(Path Loss)達182 dB! 要彌補這麼大的路徑損失, 以往是使用直徑幾米以上的碟型天線來達成!

另外, 因為低軌道衛星移動速度達時速27000公里, 都普勒頻移(Doppler Shift)達6~700KHz, 則需要有性能優異的演算法做頻率追蹤的運算與補償!

30. 5G毫米波-聊聊 最近很夯的低軌道衛星通訊的商機與挑戰

低軌道衛星通訊隨著Elon Musk StarX的衛星越打越多, StarLink上網速度的實測案例越來越多, 商機越來越明確, 也越來越有想像空間!!

馬斯克（Musk）聲稱全球平均下載速度超過 150Mbps。而根據外媒報導, 測試後以歐洲平均下載速度最快, 可達 176Mbps, 這樣的傳輸速度就很吸引人, 因為甚至已經不輸許多4G實際網速。當然, 實際的網速會因為不同國家地區而不同, 這跟衛星相對於地球所在地區的許多因素, 都會影響傳輸!

低軌道衛星的商機分為打到天空的衛星與地面站兩大塊. 衛星的部分, 台灣大部分廠商比較吃不到, 量也不大, 以StarX的規劃, 總數也僅有4萬2千顆, 即使再加上其他公司像OneWeb預計打648顆, 與其他..., 總數也並不大!! 但是地面站的數目就有機會很驚人, 擁有很大的商機, 特別是前端模組供應鏈相關廠商!!

想像一下, 若是每一台汽車都是一座地面站, 那麼開著車子上網就真的可以做到全球覆蓋無死角!! 同時, 搭配電動車的概念, 每一台電動車就像是一台移動電腦, 再加上可連網, 電動車就變成相當於一部大型行動手機, 那地面站的量就是接近一億台汽車市場的數量, 這樣的商機就非常驚人也非常吸引人!! 

在這樣的應用情境下, 地面站天線的大小, 就最好是可以整合進汽車的車頂, 也就不可能是以往1~2米直徑起跳的碟型天線, 不僅很佔空間, 也不可能整合進汽車車頂變成移動地面站, 解決方式就是使用類似現在5G毫米波基地台所採用的設計, 採用很多天線單元的超大型毫米波陣列天線!!

這樣的超大型毫米波陣列天線, 天線單元是1024或是2048個數起跳, 這不僅面臨到比5G毫米波陣列天線更大的設計挑戰, 單單陣列天線波束的量測也是非常大的挑戰!!

若採用傳統的遠場暗室, 暗室的大小是跟天線孔徑成正比, 這麼大的超大型毫米波陣列天線所需要的遠場暗室的空間就要很大, 同時量測時間更是好幾小時!! 

這時類似 円通科技提供的毫米波天線陣列與近場波束量測方案就無異是最佳方案了! 

尤其是近場波束量測方案, 不僅空間比遠場暗室小得多, 造價更是低非常多, 而量測速度更是快非常多!! 以量測1024天線單元為例, 只需不到30分鐘就可以量完, 更重要的是, 在掃描過程就同時可以檢測哪一個天線單元有問題, 可以透過第一時間對天線單元的掃描與檢測, 來大幅降低檢測的時間與成本!

29. 5G毫米波 - 聊聊軟體定義無線電(SDR)的現況

 軟體定義無線電的概念雖然很漂亮, 但之前由於IC製程還不夠先進, 數位電路與時鐘還沒有辦法跑得夠快, 使得幾年前的CPU/DSP沒有辦法跑得太快, 很多功能不得不透過特定應用的晶片(Application Specific IC, ASIC)的方式實現才跑得動.

ADC/DAC的取樣率與解析度也同樣達不到用單一組很強的規格, 像很高的取樣率與很高的解析度, 就可以涵蓋很多應用與規格的程度.

這兩個主要的因素使得軟體定義無線電的概念遲遲無法真正實現!! 

這也是為什麼還是不久之前, 不同規格與應用的電子產品就需要推出一顆對應的IC, 例如像是1990年代WiFi剛推出來的時候, MAC跟PHY都是透過單獨一顆晶片來實現, 射頻收發也是單獨一顆晶片, 因此設計實現WiFi模組時需要將這些晶片與其他被動元件一起整合到PCB板子上, 不像現在多已是整合在一起的單晶片! 

但是隨著這幾年來CMOS IC製程的不斷進步, 現在的系統單晶片 SoC, 單一顆 SoC 就可以整合很多核的CPU與DSP, 而單一顆CPU/DSP也可以跑到 3 GHz以上, 甚至更快!! 另一方面, 目前商用ADC/DAC設計的取樣率也已經可以達到十幾GHz, 解析度還可以同時達到12, 14甚至16-位元的設計, 以ADI AD9371為例, 支援頻寬可以達到100MHz, 取樣頻率122.88MHz, ADC解析度12位元, DAC解析度10位元. 

再以Xilinx 第一代的RFSoC中整合了8個12位元4.096GHz取樣率的ADC與8個14位元6.554GHz取樣率的DAC.  這也使得軟體定義無線電的實現正逐步地變得可能!!

28. 5G毫米波-聽說iPhone 13要支援衛星通訊功能? 聊聊衛星通訊

 Apple最新的手機 iPhone 13下周就要發表了, 這一陣子媒體有在傳iPhone 13可能支援衛星通訊!! 雖然後來有些報導有再提出不同看法, 但也代表衛星通訊這個話題的受矚目!!

目前衛星通訊跑的最快的應該就是馬斯克(Musk)的 StarX, 目前已經全球發射了1800顆衛星, 預計總共要發射1萬多顆, 原本看到的數目是12000顆, 最近又有看到新的數字18000顆!!

StarX 發射的衛星是屬於低軌道衛星(LEO), 所謂低軌道衛星指的是高度300公里~1500公里高度的衛星, 這個高度最大的優點就是高度高, 覆蓋範圍可以大得多, 對於許多收訊不好, 或是偏鄉地區電信公司沒興趣架基地台的地區, 透過衛星來通訊, 就可以輕易解決!! 另外, 像高山上或在海上的漁船, 透過衛星來通訊就很容易可以達成!!

那為什麼 StartX 要打這麼多顆衛星? 主要是因為低軌道衛星的高度, 衛星相對於地球不是同步的, 也就是不會是同一顆衛星在你頭上跟你維持通訊, 低軌道衛星是以很快的速度在移動的, 多快? 每秒7x公里, 不是時速哦, 是每秒!! 因此為了在通訊使用者頭上永遠有一顆衛星可以通訊, 就需要發射夠多顆的衛星!!

目前預期下一版手機的規格, 也就是3GPP R17標準會納入高空(HAP)通訊, 它包括的範圍更大, 包括無人機基地台,  高空飛船基地台, 或是像Google在進行的熱氣球基地台(Loon) 都包括! 當然也包括低軌道衛星基地台, 一般來說, 這版的標準不叫 6G, 而是Beyond 5G, 簡稱 B5G.

另外因為低軌道衛星預計採用的頻段, 往天空上打的是跟目前5G毫米波相同的頻段, 28 GHz 毫米波頻段, 從衛星往下打的則是18 GHz頻段, 像SpaceX打的高度是550公里, 高度還是很高, 一樣, 頻段很高,信號衰減很嚴重, 又要考慮地面站天線的大小, 若使用以往好幾公尺直徑的碟型天線很佔空間, 也不可能整合進汽車變成移動地面站, 解決方式就是用很多天線單元的陣列天線!!

27. 5G毫米波- 聊聊iPhone 13手機

iPhone 13就要來了!!

Apple已經宣布9月15日就要發布最新的iPhone 13手機!!

目前普遍預估Apple最新的iPhone 13 5G手機應該不會像之前的iPhone 12只有美國版本支援毫米波頻段, 而應該會更廣泛在美國以外的更多國家支援毫米波頻段!!

這對於要購買5G手機的消費者無疑是一個很棒的信號, 因為買到的5G手機不再只是支援6GHz以下的半套5G手機, 而是同時支援較完整頻段的5G手機!!

畢竟有了毫米波頻段的支援, 就可以享有較完整的5G好幾Gbps的傳輸速度, 而不是幾百Mbps的速度!! 因為毫米波頻段最大有400MHz 2路, 共800MHz的頻寬, 極速可以達到3.2~3.6Gbps, 是目前手機速度的近千倍!!

由於Apple一向以創新技術帶動潮流與需求, Apple iPhone 13更廣泛支援毫米波頻段, 不僅極有可能促使電信商不得不加速架設5G毫米波小基站, 進而促使5G毫米波手機與應用的加速普及, 也極有可能促使支援5G毫米波的Android手機更快的普及與降價!!

當然, 因為5G毫米波功率效率較低, 白話來說, 就是較耗電, 到時候應該需要搭配較大容量的電池, 同時也會較燙, 這就要靠我們這些工程師繼續努力想辦法改進了!!

另外就是5G毫米波頻率較高, 傳輸範圍只有100~150米, 比較適合在購物商場, 百貨公司, 機場, 車站等熱點應用, 進一步覆蓋範圍的擴大與延伸, 目前最新版的R17標準也積極地在討論中, 預計2022年就會有標準可以遵循來做進一步的改善!!

26. 5G毫米波 - 聊聊軟體定義無線電(SDR)跟我有什麼相關?

軟體定義無線電, Software Defined Radio, SDR 若真的能夠達到它一開始定義的終極目標, 對於一般消費者或是工程師都是有很大好處的!

以你, 我這樣的消費者來說, 我們現在擁有的各種不同無線通訊的裝置, 像是WiFi, 藍芽, 物聯網, 4G, 5G, ..., 等不同應用, 不同規格與標準的無線電傳輸, 若是最終硬體的部分就只剩下像是功率放大器與低雜訊放大器這種最基本, 最必要的部分,  其他功能能夠像現在的軟體APP, 直接透過軟體設定就可以選擇要作甚麼應用, 直接透過軟體就可以依據各種不同應用的要求, 自動設定頻寬, 濾波, 調變解調, 編解碼,...等功能與規格, 那就真的非常彈性又方便, 不用安裝這麼多不同的無線裝置, 一台就全部搞定!!! 

你或許會覺得, 咦! 目前手機不是就已經全都做到了嗎? 是的, 上面所描述的便利, 就像你目前使用智慧型手機一般, 各種功能都已經整合進去了, 因此我們使用手機做各種無線傳輸的應用會覺得非常方便!! 

但其實目前各種不同的無線通訊裝置仍是各自使用各自的天線與射頻前端, 許多應用還是需要各自的基頻晶片, 因此手機會較大隻, 比較耗電, 也比較貴!!

當然以軟體定義無線電SDR 方式實現, 最主要的缺點就是, 若是你要同時使用藍芽或是手機, 因為頻率不同還有機會, 若是要同時使用藍芽與 2.4 GHz 的WiFi就不行, 因為頻段重疊, 必須另外設定不同多工的方式或是WiFi改用5.8 GHz頻段才能實現!!

對於設計工程師而言, 若是能夠真正實現不管是從彈性或是成本來看都是最佳的無線電實現方式, 天線與射頻前端都共用同一套, 其他部分的實現都可以用像C語言的設計語言設計模擬完之後, 直接porting到對應的平台或是 SoC 裡, 驗證與除錯就會容易得多, 來回驗證的時間也快很多!! 

否則像以前, 不同規格不同應用只能開 IC , 每次開 IC 都要非常戰戰兢兢, 因為每次開IC都要花很多錢, 好幾個月的時間! IC 製作完回來測試, 公司高層也是都緊盯進度, 就只怕有個萬一, 單單除錯就會很花時間, 同時也很花錢的大工程!! 

當然對於射頻IC或是射頻前端模組的設計工程師, 設計挑戰會大許多, 因為有許多濾波與干擾的問題要設計, 要克服!!