毫米波創造5G網路無限想像

作者 : EDN Taiwan編輯部

5G網路為什麼需要毫米波?目前在相關產業的應用情況如何,其產業生態又發展到哪一步了?未來還有哪些潛在或關鍵應用場景?

隨著5G大規模商用逐漸步入下半場, 低頻段的頻譜資源很快地即將「捉襟見肘」;另一方面,為了實現更全面的5G體驗,除了sub-6 GHz,還需要毫米波(mmWave)共同發揮作用。因此,導入支援3GPP定義的24GHz頻率以上毫米波頻段(FR2)已迫在眉睫。

5G毫米波(5G mmWave)由於具備高頻寬、大容量以及超低延遲等多項優勢,能夠實現較大的可用頻寬和更高的傳輸速率,有助於推動工業物聯網、智慧製造與雲端運算等產業發展。在消費應用上,提升AR/VR線上遊戲體驗,加速元宇宙發展。此外,毫米波支援密集區域的部署,實現高精準度定位與裝置整合度,有利於促進基地台和終端小型化,部署大型體育館與展演場域等高訊務服務熱點等行動寬頻場景;5G 毫米波基地台也被視為最後一哩(last mile)家用寬頻替代方案。

隨著5G時代來臨,拓展5G相關應用已是許多國家與產業的重要發展目標。從5G毫米波的技術、標準與相關產品發展來看,業界至今也已取得了不錯的成績,至於實際的應用呢?其產業生態又發展到哪一步了?未來還有哪些潛在或關鍵的應用場景?

5G毫米波智慧工廠

日月光5G mmWave智慧工廠導入5G混合實境智慧眼鏡支援「AR遠端維護協作」。(圖片來源:日月光半導體)

5G 毫米波具有更低延遲、更大傳輸頻寬以及支援大量節點連線的特性,可在工業 4.0 的架構下加速智慧工廠發展,推動5G部署智慧製造的各種潛在應用場景。

日月光半導體(ASE)在高雄啟動的「5G mmWave智慧工廠」,就是一座結合了5G與人工智慧(AI)元素的高度自動化廠房,除了架設5G毫米波企業專網作為通訊骨幹,並導入AI無人搬運車(AGV),以及支援遠端設備維護的AR裝置。

日月光表示,藉由低延遲、高頻寬並支援多連線的5G通訊網路,工廠設備維護人員能遠端連結機台執行設備診斷,並透過大數據分析實現預測性維護;在發現問題時,工廠現場人員與團隊其他成員、或是設備供應商的工程人員,能藉由AR裝置共同查看機台情況執行遠端修復,這在疫情發生期間人員出差受限時特別能發揮優勢。

在此智慧工廠中採用的AR裝置是由仁寶電腦(Compal Electronics)開發的5G混合實境智慧眼鏡APAL 5G MR,結合獨家光學技術、人因工程設計,並將電池與裝置本體分離以減輕眼鏡重量。該智慧眼鏡內建高通Snapdragon XR2晶片,支援空間感知演算法,可提供沉浸式視覺效果,讓使用者更容易執行工程應用。

中磊企業用5G mmWave小型基地台。(圖片來源:EE Times Taiwan)

日月光的5G mmWave智慧工廠在中華電信協助下部署的5G企業專網,採用了中磊(Sercomm)的企業用5G mmWave小型基地台,利用28GHz毫米波頻段,以4個載波單元達到每秒GB級的資料傳輸量,可支援生產線即時影像資訊回饋以及AR/VR等應用,提升工廠自動化及生產效能。中磊表示,透過小型基地台,電信營運商可先以4G及5G並存方式建構5G基礎建設,不僅可大幅節省成本,未來更可平順移轉至獨立式5G網路…(參考原文:結合AI、5G 日月光全球首座mmWave智慧工廠亮相)

企業專網佈局垂直場域商機

著眼於5G專網搭配AI、大數據、雲端、物聯網發展企業垂直應用帶來的需求與商機,電信業者正積極聯手業界廠商佈局專網市場。

愛立信(Ericsson)與遠傳電信共同協助聯發科(MediaTek)在其位於新竹科學園區總部以及三個製造晶片的合作夥伴基地部署,打造3.5GHz與28GHz頻譜的5G企業專網,協助企業在單一網路上執行多個使用案例場景,保留對網路資源分配的控制,以及確保關鍵資料都能夠儲存在企業現場。

愛立信也與亞太電信一起驗證NR-DC雙連線(Dual Connectivity)網路,完成首通數據通話,協助台灣5G邁向獨立組網和毫米波發展里程碑。這項測試網路延遲部份僅約5ms,較現有NSA架構再提高50%效益,後續將有機會應用在企業專網,提供超高網速、低延遲且高可靠的5G服務。

愛立信並與Telstra澳洲電信聯手進行3.5GHz與28GHz頻譜的5G SA NR-DC 雙連線實驗網路,測試可提供接近1Gbps的上行速率,能將其5G 網路上行速率提升一倍。

毫米波上行速度強化5G使用者體驗

結合毫米波的上行載波聚合測試計劃使用搭載聯發科M80 5G數據機晶片的裝置。(圖片來源:MeduaTek)

從上網到串流媒體服務,下行鏈路表現或下載速度一直在用戶的網路使用中佔主導地位。然而,隨著COVID-19疫情帶動世界各地的人們在家工作或學習,也突顯出上行鏈路或上傳速度性能的重要性。

愛立信和聯發科技(MediaTek)攜手在5G毫米波頻段執行4載波(4CC)上行載波聚合(UL CA),創下最高495Mbps傳輸速率的紀錄──在5G NR達到425Mbps加上4G LTE達70Mbps,速度整整為目前兩倍。此次測試使用搭載聯發科M80 5G晶片的裝置,以準商用軟體進行,並採用愛立信RAN Compute (無線存取網路運算)基頻設備6648和毫米波無線單元AIR 5331。

這項上行載波聚合測試計劃結合毫米波和載波聚合技術,以近500Mbps的最高上傳速率提供更快的資料傳輸速度,可望為電信商的上行鏈路應用提供更好的速度和容量,進而強化5G使用者體驗。

上傳速度除了決定資料從電腦或行動裝置發送到網路的速度,包括將文件(例如照片和影片)上傳到社群媒體或協作工具中,對於視訊會議影像和聲音品質也極其關鍵。尤其是在使用Skype或Microsoft Teams等應用程式時,強大的上行鏈路傳輸能減少或終結螢幕畫面停格、音質損壞的情形,以及改善網路電話IP語音(VoIP)和線上遊戲體驗。

5G毫米波TCU打造全新車載體驗

5G毫米波TCU可望加速全自動駕駛問世。 (圖片來源:Samsung)

車載行動資通訊控制器(TCU)技術催生了許多車載功能,為了進一步提供即時行車資訊並實現連網汽車願景,高速傳輸大量資料的5G毫米波至關重要。然而,實現穩定的通訊品質還需要仰賴特別的天線定位與TCU設計,才能克服5G毫米波高穿透損失、高傳輸損失與訊號易被障礙物阻擋的問題。

為了有效傳輸並接收大量資料,三星(Samsung)結合使用5G毫米波與天線陣列波束成形技術,將天線波束集中特定方向,以提升傳輸能量;亦可將外部干擾降至最低,同時擴大傳輸覆蓋範圍,並提供穩定的連線以提高傳輸速度,實現資料的超高速傳輸與接收,即使車輛正在行進中也不受影響。

三星電子研發的車載5G毫米波TCU。(圖片來源:Samsung 

三星為此開發的毫米波基地台Compact Macro配備1024支天線,可精準快速地完成波束成形,並能無縫連線至時速200公里高速行駛的車輛,以實現完整的5G服務。

隨著5G毫米波天線陣列波束成形技術的導入,當車載5G毫米波TCU商用化後,其快速穩定的通訊能力將促成嶄新且升級的車內服務,使用者不僅能享受更強大的車聯網(V2X)服務,還能擁有安全又有趣的行車體驗。

5G毫米波TCU也有助於加速全自動駕駛技術問世,透過零延遲的資料傳輸進行即時通訊,駕駛可提早掌握路況並做好準備;還能實現自動駕駛車隊(Platooning)和遠端駕駛無人車等使用案例。當駕駛自主駕車時,此技術能透過超低延遲傳輸,提供快速危險警示和高解析度道路影像等服務,進一步保障行車安全。

在車載娛樂體驗方面,乘客亦將擁有更豐富的選擇。透過毫米波技術,公車和計程車的每個座位皆能播放UHD 8K影片,還可在車中玩遊戲、看演唱會,並享受各種利用VR和AR的多媒體服務。

5G毫米波智慧共杆POC啟動

5G智慧杆主杆、副杆通訊及標準驗證。(圖片來源:5G智慧杆標準推動聯盟)

從傳統路燈到智慧路燈,進而到5G智慧共杆,都屬於智慧城市建設之一環。看好路燈智慧化升級商機,由台北市電腦公會籌組的「5G智慧杆標準推動聯盟」,集結電子、電信、電動車充電產業龍頭共46家會員廠商共同參與,協助訂定標準化5G智慧桿設計與應用規範,並以台北市政府大樓東側廣場之松智路段進行首次5G智慧杆概念驗證(POC)。

聯盟標準制定委員會主席暨和碩技術長黃中于表示,結合5G Sub-6 與毫米波通訊的POC是多家電信5G微型基地台共構之5G智慧杆設計,採用802.11ad技術實現智慧杆之間的無線資料互傳,並首創智慧杆5G行動網路回傳(Backhaul)功能,如遇固網光纖通聯中斷等意外,仍可自行透過行動電信網路回傳智慧杆資訊。

該智慧杆POC試煉場域由1根主杆、2根副杆及1個共用迴路控制箱所組成。高達10公尺的5G智慧杆建有5G微基站及毫米波連 網、電動車充電樁、結合AI及邊緣運算控制LED燈號警示、智慧照明、科技執法、交通監測、環境氣候偵測、道路淹水偵測、數位看板等各項智慧城市解決方案的應用功能,充份展現作為智慧城市建設中「神經單元」的核心角色。

5G智慧杆掛載設備示意圖(資料來源:5G智慧杆標準推動聯盟)。

毫米波通訊利用更多的頻譜資源,提供更大的傳輸速率,但同時也面對訊號易衰減的問題。在聯盟中參與標準制定與測試驗證的是德科技(Keysight)行銷處資深專案經理郭丁豪指出,「5G智慧杆使用5G毫米波小型基地台提高傳輸速率,能讓在路上的行人或汽車實現高達Gbps等級的傳輸速率。然而,由於訊號容易衰減,在佈建上必須考慮到周圍環境影響與傳輸方向,才能確保良好的覆蓋率。」

在5G毫米波佈建時,使用手持式頻譜有助於解決訊號死角或干擾問題。例如是德科技FieldFox可攜式分析儀單機最高達54GHz,能以120MHz 的無間隙即時頻帶擷取難以捉摸的訊號,有助於日常維護、深入故障排除或因應嚴苛的環境。

普通路燈變身5G毫米波基地台

只需幾分鐘時間就能將此毫米波智慧中繼器安裝於路燈的光電池插座。(圖片來源:Ubicqui

為了強化5G和固定無線接取網路(FWA)範圍,Movandi和Ubicquia兩家公司聯手開發並部署毫米波路燈中繼器,讓普通路燈變身5G毫米波基地台。Ubicquia利用Movandi的技術打造此毫米波智慧中繼器,號稱只要花幾分鐘時間,就能安裝於路燈的光電池(photo cell)插座,且相容於全球現有3.6億支路燈,加速廣泛的5G毫米波和FWA部署。

這些安裝能在幾分鐘內完成並自動鎖定主機RAN訊號,以確保中繼器之間的連結,而無需透過光纖連接核心網路。該毫米波智慧中繼器也號稱能與所有主要的RAN/OpenRAN技術整合,包括愛立信、華為(Huawei)、諾基亞(Nokia)、三星等公司的解決方案,並支援全球所有的毫米波頻段。

該路燈中繼器將配備Movandi的毫米波5G RF技術和參考設計平台,包含有RF半導體元件、客製化相位陣列天線模組、演算法以及包括用於管理、控制,還有人工智慧/機器學習(AI/ML)資料分析之雲端應用程式介面(API)在內的軟體。

該路燈中繼器預計於2023年進入測試和部署階段,並符合公用電力、保護、讀表、重量和風力負荷等相關要求,能透過延伸5G毫米波基地台(gNB)範圍、重新引導障礙物附近的訊號 確保戶外覆蓋和使用者經驗的最佳化。

該裝置在街道上幾乎看不見。它被放在路燈燈罩上、靠近路燈本身,使其能融入現有基礎建設之中。而安裝工作通常可以在15分鐘內完成,讓路燈搖身一變成為低頻段或中頻段5G基地台…(參考原文:普通路燈也能變身5G毫米波基地台!)

驅動極致的沈浸式4K雲端遊戲

5G毫米波驅動的4K雲端遊戲,為手遊玩家實現極致沉浸式體驗。(圖片來源:Qualcomm

從智慧工廠到智慧城市,5G毫米波在工業及企業場域已實現多種創新應用;如今5G毫米波更進一步延伸至消費生活中。

中華電信攜手高通(Qualcomm)、華碩(ASUS)和Gamestream展示由5G毫米波驅動的4K雲端遊戲,打造專為手遊玩家實現的頂級行動遊戲體驗。在此展示中,使用者以支援毫米波通訊的智慧型手機,連接至5G基地台及Hami雲端遊戲服務,即可在行進間透過手機及5G毫米波連線,體驗沈浸式雲端遊戲。在可預見的未來,手遊玩家在任何5G毫米波支援的場域,即使是人口密集的環境中,仍可隨時隨地享受桌機等級的遊戲體驗。

此「5G毫米波4K雲端遊戲應用測試」由高通提供5G毫米波通訊技術及相關解決方案,搭配中華電信架設的5G毫米波基地台以及Hami雲端平台,使用者藉由華碩與高通共同打造的毫米波手機Smartphone for Snapdragon Insiders登入Hami,便可即時串流由雲端遊戲平台Gamestream專為沉浸式體驗及4K影像規格提供的兩款雲端遊戲,包括由Keoken Interactive打造的科幻解密遊戲《Deliver Us the Moon》以及由34BigThings開發的競速遊戲《Redout》。

展示中採用的Smartphone for Snapdragon Insiders是少數率先支援5G毫米波的行動裝置之一。此款智慧型手機搭載高通第三代Snapdragon X60 5G射頻(RF)系統,支援目前可用的sub 6GHz及毫米波5G全頻段,具有先進的5G及Wi-Fi 6/6E連線能力,並採用高通Game Quick Touch技術,較上一代反應速度提升20%,實現幾近零時差的超高擬真遊戲場景。

在行動裝置中實現4K雲端遊戲可說是宣告了5G毫米波顛覆消費者日常體驗的開始,預期未來還可進一步延伸至遠距學習、模擬試衣、多角度觀賽等應用場域,逐步實現電影一級玩家的全方位超擬真情境。

多維度展演空間打造即時互動體驗

號稱全球首座的5G毫米波多維度展演空間讓現場演員與直播主、線上觀眾即時互動。(圖片來源:Qualcomm

高通日前並與中華電信、啟碁科技、廣達電腦在國家兩廳院場域建置全球首座5G毫米波多維度展演空間,達成600Mbps的上傳速度,讓在兩廳院演出《神不在的小鎮》的現場演員能同時與網路直播主、線上觀眾進行影像即時串流與互動,達到異地共演、虛實整合的全新多視角觀演體驗。

《神不在的小鎮》是文化部、經濟部、資策會共同支持的國家兩廳院「文化科技5G垂直應用場域建構及營運計畫」的成果之一。為確保發揮5G毫米波大頻寬、高速、低延遲特性,讓表演藝術呈現全新面貌,此計畫打造的5G毫米波藝文展演公共場域覆蓋面積超過1.5公頃,是亞洲最大的文化專網,成功因應現場逾5千名觀眾與線上1.5萬名觀眾互動的巨量高畫質影音即時串流。

此5G毫米波展演專網同樣採用Snapdragon X55 5G RF系統;中華電信提供28GHz 5G毫米波頻段網路環境;啟碁、廣達提供搭載高通技術的毫米波手機、路由器等解決方案,實現驗證單位面積達600Mbps/3Gbps上下行速度。

此外,當天演出現場部份直播主手持高通與華碩合作打造的5G毫米波Smartphone for Snapdragon Insiders手機,即時上傳影音與線上觀眾互動。這款手機搭載最新Snapdragon 888 5G旗艦行動平台,融合5G、AI、電競和相機技術等行動創新,提供現場即時影音串流。

從晶圓到戶外現地量測的毫米波測試

毫米波網路分析儀萃取電晶體在高頻響應時的物理特性。(圖片來源:Anritsu

5G毫米波在大幅提高了傳輸速率的同時,也帶來了新的挑戰,對於RF設計的要求也變得更高。從5G毫米波的晶片設計前期來看,由於需要對基礎電晶體的物理特性進行萃取,而晶片發展因為終端應用逐漸出現對高頻、高壓、高溫、高功率及高電流等需求,半導體材料也由第一代的矽基半導體,進化到二代高效益三五族半導體,到近年來寬能隙的第三代半導體。

這些不同應用取向的半導體材料都會透過先進封裝的製程整合在IC上,安立知(Anritsu)為晶圓的5G 毫米波設計量測開發寬頻網路分析儀ME7838x系列,提供單次掃頻就能達到125、145或220GHz,可望在萃取電晶體於高頻響應物理特性時實現更高的量測效率。

隨著5G FR1 sub-6 GHz與FR2 mmWave頻段逐漸普及,為用戶帶來低延遲高資料量的影音串流服務體驗,但在人口稠密的城市中進行高速巨量的資料傳輸成為新的挑戰。在訊號傳輸路徑上,可利用高密度的蜂巢訊號網路架構作為提升終端用戶通信品質的方法,而對應這樣蜂巢式網路的點對點毫米波頻率需要選擇W-band、D-band與G-band (80~175GHz)等頻段,搭配交互極化干擾移除(XPIC)技術,讓點對點毫米波傳輸系統成為5G Backhaul關鍵的最後一哩路。

Claudio Paoloni提出ULTRAWAVE概念。 (圖片來源:THz Communications: Paving the Way Towards Wireless Tbps)

這款高效率的毫米波網路分析儀已成功協助微波元件大廠建立W-band、D-band的5G Backhaul雙工/多工器產線,同一系列的超廣域掃頻VNA系統,在亞洲除了三星、日本NTT實驗室等跨國公司外,也進一步協助多家晶圓廠的研發暨元件模擬單位分別建置145GHz、220GHz與330GHz的量測能量,加速實現利用毫米波搭配蜂巢式網路提供短波長、高資料量且大頻寬的智慧城市應用情境,並為接取資料中心的無線核心網路提供更彈性的佈建方案。

毫米波量測方案協助台灣創造5G優勢

XBeam與自動化機台整合5G mmWave量測天線模組。(圖來片來源:稜研䅻技)

為了協助台灣在5G戰役持續取得製造業的優勢,毫米波頻段的天線模組成本與效能驗證速度正成為競爭力的關鍵。然而,由於其高頻段測試有別以往傳統方法,量測系統不僅耗時、費力和且需要大範圍空間,對製造端帶來量測產品效能的瓶頸。

稜研科技(TMYTEK)開發出最快不到1秒即可完成量測一片模組的「毫米波測試方案 XBeam」,能有效辨識瑕疵模組,提升產線的效能,協助企業節省10倍以上製造與測試時間,加速實現市場商轉。

XBeam毫米波量測方案整合是德科技(Keysight)的儀器能量,共同成立O-RAN毫米波量測中心,期望協助提升台灣產業在5G/毫米波通訊產品研發設計之量測實力,以驗證5G O-RAN和衛星通訊系統之天線封裝(AiP)設計功能及效能。此毫米波量測中心不僅能檢測陣列天線模組的效能,更可建構、播放、擷取並量測O-RAN流量,進而驗證O-RU是否相符最新的O-RAN規格,以及使用開放標準之多廠商無線存取網路的分散式裝置能彼此互通,在下行鏈路(DL)和上行鏈路(UL)存取跨域和多通道O-RAN協定量測。

稜研並攜手佛山藍譜達科技打造「5G毫米波陣列天線開發平台」,搭配是德科技VNA,其中BBox 5G可提供天線研究者進行天線的設計與開發、波束成形OTA測試,能有效地縮短開發時程;結合後端基頻的研究,便於進行系統整合設計、波束演算法開發,進行5G毫米波通訊應用的原型驗證等軟硬體研究。

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年6月號雜誌

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