隨著第一版的5G新無線(5G NR) Release 15標準在去年12月底定,來自全球各地的電信營運商與技術供應商在今年的世界行動通訊大會(MWC 2018)齊聚一堂,競相發佈其5G晶片、天線、互通性測試結果、新的合作夥伴關係以及5G商用部署計劃。

20180403_5G_NT31P1 MWC 2018

行動產業的目標是儘早在2019年啟動並運行5G網路。

然而,在編織所有美好的願景背後,很顯然地,必須仰賴毫米波(mmWave)頻段佈署其5G網路的美國蜂巢式營運商,目前正面臨一連串前所未有的設計、驗證和實施等問題。

是德科技(Keysight Technologies)通訊部門策略規劃經理Michael Griffin說:「針對6GHz以下的射頻(RF)蜂巢式(Cellular)頻段,我們只需要關注訊號品質如何。」如今採用5G毫米波,「我們最需要擔心的第一件事就是訊號在哪裡。」

5G的毫米波頻段目前仍存在著高傳播損耗、 指向性(directivity)以及靈敏度受阻礙等問題。

聯發科技(MediaTek)總裁陳一舟(Joe Chen)在接受《EE Times》採訪時說:「我們目前正大量投資於5G。」他補充說,「雖然在4G時代落後了,但從那時起我們的數據機團隊進行了大量的工作,應該能夠滿足先進的5G技術要求。」

這說起來簡單,但5G毫米波在系統與晶片設計方面的要求與4G截然不同。由於訊號具有高度指向性的本質以及更高的損耗,供應商必須開發多種天線。

陳一舟坦言,根據使用者如何拿手機、與其頭部有多麼接近或者是否邊走路邊講電話等情況,都可能很容易失去訊號。

對於行動產業而言,當務之急在於必須掌握RF設計方面的知識,以及為手機內部的天線陣列進行更策略性的佈局。

英特爾(Intel)在MWC展示了首款採用5G技術的二合一概念個人電腦(PC)。有些參觀者對其罕見的天線佈局感到意外。英特爾在這款PC原型機的背面整合了兩個4 x 4元件組成的大型天線模組。

20180403_5G_NT31P2 英特爾展示二合一PC原型,背面搭載兩個大型的天線陣列單元

英特爾通訊與裝置事業群先進裝置技術總監Baljit Singh強調這只是一款原型。他說,英特爾一直在學習如何最佳化相控天線陣列的設計和佈局。如果其中一個天線區塊遺失訊號,軟體就會觸發動態切換訊號接收到另一個天線陣列區塊。Singh說:「這並不是無法解決的問題。我們正為此開發多種解決辦法。」

至於每個陣列應該使用多少天線元件(是4×4、8×8或更多?)、應該安裝多少天線(2支或更多?)以及應該加在PC或手機(側邊或背面?)的什麼位置?目前都還沒有最佳實踐的教科書。據聯發科技表示,天線陣列將不可避免地會與電池爭奪空間。這些資訊將成為系統設計人員的專有知識,他們都希望利用這些知識來差異化產品。

是德科技的Griffin指出,5G毫米波的挑戰讓測試變得更加複雜。他表示,不只是最終的5G系統必須測試,RFIC也一樣要通過測試要求。

由於天線和RFIC緊密整合在5G毫米波架構中,工程師無法透過電氣連接器來測試RFIC的性能。因此,晶片設計人員在設計之前就必須進行空中傳輸(OTA)測試,但這是他們之前從來不曾做過的。

Griffin補充說,5G毫米波還帶來新的「波束成形和波束控制」。依據訊號的可用性(是否有足夠的5G小型基地台?),5G系統必須能夠利用主波束或切換到旁瓣,以提高訊號強度和鏈路預算。Griffin強調,這種波束成形和波束控制機制使得5G測試更加複雜化。

接下來我們將分享在MWC 2018觀察到的5G新方案,期望有助於讀者迅速掌握5G的最新發展動態。

聯發科技

在5G時代,你可能經常會被問到:「你拿5G智慧型手機的姿勢對嗎?」

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5G手機的設計師注意到消費者拿手機的方式很不一樣。由於5G毫米波RF訊號對於障礙物十分敏感,包括使用者的手、頭部或鼻子,都可能在無意中阻擋了訊號傳輸。

20180403_5G_NT31P4 20180403_5G_NT31P5 20180403_5G_NT31P6 聯發科展示搭載最新5G技術的手機原型

5G毫米波訊號並不是靜態的;波束成形可以持續地變化。手機需要一組接收5G毫米波訊號的天線元件。例如,聯發科在MWC展示的5G原型中加進了兩個2 x 8的天線元件。天線陣列越大,接收效果越好。但天線必須在緊密封裝的手機中與電池爭奪空間。

華為(Huawei)

華為在今年MWC的展示重點都與5G客戶端設備(CPE)有關。

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該公司發佈了一款名為Balong 5G01的5G數據機晶片,據稱可支援5G的所有頻段,包括sub-6GHz和毫米波,以提供適用於多種用途的完整5G解決方案。

華為展示包括5G行動Wi-Fi、5G CPE和5G數據機晶片。鑑於華為Balong 5G01晶片的規模,它可能更適於整合至熱點,而非5G手機中。它的尺寸太大了。儘管如此,該公司宣稱這款晶片將使華為成為「第一家提供包括網路、裝置與晶片級功能的端對端5G解決方案。」

20180403_5G_NT31P8 華為展示5G行動Wi-Fi (左)、5G CPE(中間)和5G數據機晶片

高通

去年MWC的5G重點在於從理論上討論5G的潛在應用——從大規模寬頻到關鍵的通訊以及大規模機器通訊。

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今年,高通(Qualcomm)的展示將轉變為模擬5G的測試結果。其模擬建模了德國法蘭克福(Frankfurt)和美國舊金山(San Francisco)的實際情況——這兩個城市都以現有的基地台位置與頻譜分配為基礎。

舊金山的模擬基礎在於一個執行於800MHz、28GHz頻譜的毫米波建模網路。4G的中級瀏覽速度為71Mbps;到了5G時代,它將跳升至1.5Gbps。對於許多營運商而言,目前的5G都屬於「大規模寬頻」,以便更快速地瀏覽網頁和下載8K視訊。

20180403_5G_NT31P10 高通發表自家5G數據機晶片——X50

高通列舉18家主要的公司都將在2019年發表的5G行動裝置中整合其X50數據機系列,包括諾基亞(Nokia)/HMD、Sony、小米(Xiaomi)、Oppo、Vivo、宏達電(HTC)、LG、Asus、ZTE、夏普(Sharp)和富士通(Fujitsu)等公司。不過,在這份名單中獨缺全球前三大手機製造商——蘋果(Apple)、華為和三星(Samsung)。

英特爾

英特爾在其二合一「概念」PC的背面加進了5G和天線陣列的設計,引發諸多討論。這兩塊模組不僅巨大,而且位於一個不尋常的位置。英特爾一直圍繞著5G毫米波進行大量實驗,試圖解決這個問題。

20180403_5G_NT31P12 英特爾展示其39GHz 5G RFIC與天線陣列

5G毫米波天線陣列的佈局在基於5G蜂巢式的車對車(V2V)、車對基礎設施(V2I)方面將變得更加重要。如果僅僅改變手中的重量就可能很輕易地失去手機訊號,那麼想像一下以70mph的時速執行任務關鍵的V2V通訊將面臨多大的挑戰。

Baljit Singh說,英特爾在MWC展示的車輛中內建4個5G天線陣列模組——分別位於這輛SUV的前面、後面以及兩側。「去年我們在東京御台場與Docomo、電裝(Denso)和愛立信(Ericsson)合作測試基於5G的C-V2X。它的進展十分順利,我們很快就可以完成這項任務。」

20180403_5G_NT31P11 英特爾聯手Docomo、Denso和愛立信進行基於5G的C-V2X測試

愛立信

愛立信(Ericsson)工程師Daniel Figueiredo展示高通與愛立信合作開發的5G NR試驗成果。儘管4G無線訊號在3.5GHz頻段下能夠達到幾公里,但他表示,5G毫米波訊號只能延伸幾百公尺,這意味著營運商必須安裝許多小型基地台。

20180403_5G_NT31P13 Daniel Figueiredo解釋5G NR技術

對於5G的關注主要集中在大規模頻段上。NTT Docomo智慧ICT平台研究部下城拓也(Takuya Shimojo)藉由愛立信的攤位展示日本營運商的「5G核心」(5G Core)成果。例如,網路切片(network slicing)技術是5G網路實現物聯網(IoT)服務的關鍵。他解釋,該技術將根據所需時間與位置以分散式網路提供連接能力,而非傳統以垂直分組方式在單一網路中定位網路功能。

20180403_5G_NT31P14 NTT Docomo智慧ICT平台研究部下城拓也在愛立信攤位展示5G Core成果

是德科技

是德科技展示為5G設計打造的小型天線量測暗室。Michael Griffin指出,5G毫米波本身就很複雜了,再加上5G NR與2G、3G、4G、802.11、免授權頻譜共存,帶來無止盡的各種頻段組合,造成了LTE和5G NR之間的各種問題,包括時間校準、功率傳輸、訊號協調與行動性等。

20180403_5G_NT31P15 是德科技通訊部門策略規劃經理Michael Griffin認為,在5G毫米波時代,最怕找不到5G訊號…

OTA測試需要天線量測暗室和設備,為發射機產生已知的類比毫米波訊號,然後分析由喇叭天線擷取的發射訊號。是德科技為晶片設計人員提供這樣的測試暗室。例如,新創公司Movandi與Keysight合作驗證其mmWave前端波束成形設計。針對Movandi,是德科技的Movandi說:「在新創公司的RFIC和波束成形天線陣列方面,Movandi似乎比其他公司的進展更早幾步。」

20180403_5G_NT31P16 是德科技展示5G小型天線量測暗室

FCC

美國聯邦通訊委員會(FCC)主席Ajit Pai在MWC發展專題演講中表示,他計劃在今年秋天舉行毫米波頻段拍賣會。更具體地說,他指的是在今年11月將會拍賣28GHz頻譜,隨後則是針對24GHz頻譜進行拍賣。

20180403_5G_NT31P17 FCC主席在MWC發表專題演講

美國國會必須在今年5月13日以前通過立法,Pai警告說,延遲國會採取行動可能會「延緩美國5G的未來」。

然而,就算在5月13日失敗了也並不一定意味著整個5G的發佈會戛然而止。Pai推動毫米波頻譜的拍賣計劃似乎受到T-Mobile和AT&T等主要營運商的遊說行動影響——他們最近不斷地敦促委員會拍賣電波。

這些營運商希望透過更多的毫米波頻譜與Verizon競爭,Verizon在上個月收購了擁有各種毫米波頻譜授權的Straight Path公司。

編譯:Susan Hong

(參考原文:MWC: Are Your 5 Fingers Blocking Your 5G?,by Junko Yoshida)