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O-RAN架構下5G毫米波新商機

  • 李佳玲台北

圖1:各種高頻無線接取傳輸衰減(圖片來源:円通科技)

Apple iPhone 12系列 5G手機的熱賣及Apple iPhone 13 5G手機的陸續推出,都已對28GHz與39GHz雙頻毫米波頻段確定支援,同時O-RAN開放式架構的提出與O-RAN OTIC認證的推動,不僅使得5G毫米波相關產品推出與商品化的時程大幅提前,也帶動了包括台灣廠商在內5G毫米波新的市場商機與新產品開發的技術挑戰。

本篇報告主要針對5G毫米波小型基站在無線接取與前端模組設計上的挑戰進行深入的分析,同時探討廠商在投入5G毫米波相關產品的布局,以及未來在5G毫米波前端模組開發及驗證上所面臨的機會與挑戰。

圖2:Power Compression of Power Amplifier @ 36GHz功率放大器在36GHz頻段。円通科技

圖2:Power Compression of Power Amplifier @ 36GHz功率放大器在36GHz頻段。円通科技

圖3:毫米波前端模組散熱問題系統解決方案。円通科技

圖3:毫米波前端模組散熱問題系統解決方案。円通科技

圖4:円通科技4x4 16天線單元毫米波前端模組。円通科技

圖4:円通科技4x4 16天線單元毫米波前端模組。円通科技

圖5. 円通科技M3FORCE 5G非信令測試儀。円通科技

圖5. 円通科技M3FORCE 5G非信令測試儀。円通科技

圖6. 円通科技毫米波天線陣列波束量測校正儀。円通科技

圖6. 円通科技毫米波天線陣列波束量測校正儀。円通科技

隨著5G手機在2019年推出以來,5G手機在2020年的出貨量節節攀升,2021年5G智慧手機出貨量預估可達約6億支、2022年出貨量則有望超越4G機種。蘋果(Apple) iPhone 12與iPhone 13系列5G手機陸續在2020年10月與2021年10月推出後,對於5G手機的推廣與普及更是推波助瀾,進一步推升了5G手機的全球熱賣。

雖然蘋果iPhone 12與iPhone 13 5G手機只有美國版本有支援28GHz與39GHz雙頻之毫米波頻段,但是蘋果對於5G毫米波的明確支援,使得原本仍有許多人對於5G毫米波是否能夠這麼快用於商用市場的疑慮一掃而空。聯發科5G毫米波相關晶片與手機產品也預計在2021年送樣、2022年進入量產。

另外由全球主要電信營運商所成立的O-RAN聯盟,主要希望能夠打破之前電信基地台由少數幾家大廠壟斷的局面,提出新的O-RAN開放性架構。將原本的基地台電路架構分成O-RU、ODU、O-CU新的架構與訂定標準介面,只要各家廠商所設計生產的O-RU能夠遵循並通過OTIC(Open Testing and Integration Centre)實驗室的認證測試,就可以確保相互間的相容性與互通性而互相搭配連接,不需要像之前一樣必須是同一家廠商的設備因,因而獲得國際間廣泛的支持。也開啟了台灣相關業者進入5G基地台供應鏈的契機。

隨著5G手機的熱賣,也促使許多公司投入相關前端模組與毫米波晶片的開發。雖然5G採用毫米波頻段,主要的優勢是可以獲取較大可用頻寬,使得5G可以比4G網路提供100到1000倍傳輸速率與通訊容量的目標。

但是對於5G毫米波真正大量使用於商用市場一直有不少的疑慮,主要來自於毫米波頻段,使用這麼高頻的無線電頻段第一次使用在戶內與戶外移動通訊,不像Wi-Fi或是Bluetooth主要是使用在室內或是短距離通訊,在技術開發上面臨了許多新的挑戰,包括高頻無線接取的挑戰,同時也包括毫米波頻段所使用天線陣列在整合與散熱需求所引致設計、性能、材料與成本上的許多權衡。

毫米波通訊高頻接取與前端設計上的主要挑戰

毫米波頻段使用在不管是戶內或是戶外的移動通訊有較高的傳輸耗損,這造成高頻無線接取的主要挑戰,這些傳輸耗損包括路徑傳輸損失(Path Loss)、穿牆性(Wall Penetration)耗損、雨衰(Rain Fading)、甚至因為水氣與氧氣吸收導致的傳輸衰減(Propagation Loss)等,如圖1所示。

(一) 毫米波相位天線陣列(mmWave Phased Antenna Array)設計挑戰

要解決毫米波在傳輸上較大的傳輸衰減,主要是透過設計大量或巨量天線單元的天線陣列(Antenna Array),並適當設計天線陣列每個天線單元的輻射場型(Antenna Pattern)使之同相(In Phase)來產生正向藕合(Positively Coupling)。

此時正向耦合後的陣列天線輻射場型會成為聚集能量的較細輻射波束,也因此具有較大的天線增益,此即所謂波束形成技術(Beam Forming)。透過大量或巨量的天線陣列的設計提供夠大的陣列增益(Array Gain),補償高頻通訊的各項傳輸損失,達成系統規格所要達成之傳輸涵蓋範圍的目標。

(二) 毫米波相位天線陣列散熱的成因與系統解決方案

在3GPP所完成之Release-15/16 5G NR標準仍持續延用4G標準中所使用之正交分頻多重接取技術(Orthogonal Frequency-Division Multiple Access;OFDMA)。而正交分頻多重接取技術最大的缺點就是有很大的峰值相對於平均之功率比率(Peak to Average Power Ratio;PAPR),特別是在搭配高階調變技術64-QAM(Quadrature Amplitude Modulation)時,發射功率需要從功率放大器(Power Amplifier;PA)的1 dB功率(P1dB)點後退(Back-off)約10dB,才能避免因為功率放大器的非線性特性所造成的失真,也才能達到滿意的解調變性能,這使得功率放大器(Power Amplifier;PA)的功率附加效率(Power Added Efficiency;PAE)變得很差,如圖2所示。

以圖2之功率放大器在36GHz頻段為例,原本使用砷化鎵(GaAs)製成設計之功率放大器(Power Amplifier;PA) 在1dB功率(P1dB)點的功率附加效率(Power Added Efficiency;PAE)約為18%,但後退(Back-off) 10dB之後功率附加效率(Power Added Efficiency;PAE)就只剩下2~3%,這意味著有97%~98%的直流功率(DC Power)只有2~3%轉換成傳送信號功率,其餘97%~98%的直流功率(DC Power)則是轉換成熱能散逸,造成很嚴重的散熱問題。

由圖3可以看出,可以透過降低單一功率放大器的輸出功率,同步增加天線單元的個數來增加天線陣列的增益,可達到一樣的全向輻射功率(EIRP),卻可使產生的熱大幅降低至可處理的範圍,這也是目前提供波束成形器晶片方案的廠商,如Anokiwave,採用CMOS製程的主要原因。

円通科技5G毫米波前端模組與量測、校正設備

如圖4円通科技針對NXP LA1224評估模組所設計4x4 16-天線單元的28GHz 5G毫米波前端模組為例:

就是採用Anokiwave AWMF-0151波束成形晶片,根據前述系統散熱方案設計天線陣列,再搭配熱模擬與散熱機構設計,有效解決散熱問題並提供水平與垂直雙極化P1dB=47.5dBi、EVM=-29.5dB的超優性能!

台灣廠商在投入5G小基站前端模組開發的另一個挑戰則是來自測試設備的建置成本。円通科技透過與國內廠商及國際儀器大廠的策略聯盟,並已推出由台灣自主研發搭配國際儀器大廠Keysight軟體之M3FORCE非信令測試儀,整合信號產生器、信號分析儀與網路分析儀三合一功能,且每台價格新台幣百萬元以下的非信令測試設備,如圖5所示。

另外,円通科技也推出針對毫米波天線陣列量測與校正設備YTBM28,如圖6所示,不僅不占空間,量測速度快,同時性價比非常高,量測8x8 64-天線單元天線陣列只需四分多鐘,實為5G毫米波或是低軌道衛星通訊地面站陣列天線量測的最佳選擇!關於円通科技解決方案詳細,邀請您報名參加1/12「O-RAN開放性架構下的5G新商機- mmW 5G Made Simple」研討會,現場將有相關展示解說,邀請您立即報名。