類比技術穿針引線　5G串連全球人類與裝置

隨後，你將目光轉至新聞頻道，頭條報導著全球各地的醫生如何透過遠端遙控的機器人為病人進行手術。另一則新聞則是有關於自動化工廠，敘述著如何對複雜流程的回饋訊號作出立即回應。在觀看的同時，你理解到因科技所帶來的美好生活，並不僅止於智慧型手機和娛樂而已。全球數億人口的生活，都因為高效農業、智慧工廠、更安全的汽車、交通和便利的旅行、以及其他各種應用而獲得大幅改善。但要確保這些高科技創新都能被實現，我們必須具備什麼條件呢？

許多重大的科技造就了這些進步，其中最關鍵的技術之一為第五代無線通訊技術(5G)，其預計於2020年代初期開始展開部署。5G將針對今日的4G無線通訊進行改良，以提供更高的數據處理能力並大幅降低網路的回應時間。其他的目標更包括服務品質的提升以及大幅降低每位元的傳輸功耗。5G同時將會更具彈性和延展性，以因應不斷改變的網路和應用。

有了5G，像是影片和遊戲等的高速應用將能夠被及時下載並和其使用者互動。強調低延遲和立即回應的設備，例如行駛中的車輛以及從事關乎時間和生命安危的機器人，將可幾近零延遲地運作，也就代表相較於今天必須耗費幾十毫秒的網路連結，未來只需不到千分之一秒(毫秒)的時間。此外，不論是居住在人口密集區還是偏遠地區，將會有更多人們能夠同步進行連線。

如同前幾代的無線通訊技術，5G的發展仰賴許多關鍵，包括先進的軟體，有利的法規和社會環境，以及可以藉由進步的通訊技術而獲利的新應用和功能。同等重要的包括因為先進的IC技術而帶來的硬體創新。

5G目標與挑戰

5G的核心需求，就是能夠每秒以更有效率地方式傳輸更多的位元給更多的使用者。現在，全球行動通訊傳輸總量每個月有好幾個EB(Exabyte)，此單位位元代表後面有18個零。影片下載助長了這類的需求，其原本就具有高位元量，又因為3D和虛擬實境(VR)等功能不斷提升解析度而更加龐大。在更多的使用者和裝置互連成網路的情況下，傳輸流量將持續呈指數型成長。

由愛立信(Ericsson)深入產業所發表的一份最新行動報告(Mobility Report)中指出，到2021年，行動用戶將達90億，行動寬頻用戶達77億，智慧型手機用戶達63億。此外，網路服務供應商更預測，同期內物聯網的連網裝置(只算物件，人類使用者不計)將成長至數百億，並將有上傳至雲端進行分析和分享的可能性。

一旦完成部署，新的5G網路將提供高速的資料傳輸率、支援大量連網裝置，並成就低延遲率、低功耗和超高可靠性，以因應更大容量和嶄新服務的需求。由於5G被設想成是演進式的複雜融合技術，IC供應商和設備製造商面臨的核心挑戰，為如何將所有不同的元件整合於同一個平台。因為網路的不同部件必須和諧地互通運作，因此整個系統必須具備足夠的智慧以能夠自動地將其回應進行最佳化。

5G演進的一個重要關鍵在於解決基地台硬體的挑戰。現有的塔台將提供更高的效能以便提供更高的資料傳輸率給更多的通道。此外，易於部署的迷你型基地台所發送的訊號，將更接近使用者。部署小型基地台已是個趨勢，依據傳輸範圍分為微型(Microcell)、微微型(Picocell)、毫微微型(Femtocell)蜂巢式基地台。5G將助長此一趨勢，而且預期將會有更多的基地台設置於市中心街道、購物中心、體育場館、辦公大樓以及其他人口密集的地區(圖1)。這些小型蜂巢式基地台的訊號傳輸將離使用者更近，而且功耗將會更低，並於每秒傳輸更多位元，尤其是在影片傳輸占上絕大頻寬情況下的下行傳輸當中(用戶端基地台或光纖到府)。

圖1 特別是在人口密集的地區，5G 基地台將會更小，效能更高且通道更多，而且訊號將會更接近使用者。

要有效地滿足上述的期待，各式零組件必須進行大規模的整合，伴隨著更高的效能以及更好的省電效果。接下來，本文將介紹先進的收發器、計時器、資料轉換器、微處理器和微控制器、以及電源管理裝置，亦即所有的基地台硬體功能都將涵蓋在內。

MIMO為基礎設施增加通道

每一代的無線通訊都經歷更多的頻帶分配(圖2)。第四代，或稱為4G，於十年前問世，目前以工作頻率高達六千兆赫茲(6GHz)下運作。如何在此頻譜範圍內增加資料處理能力是當前的挑戰，而目前正在進行的半世代演進，將引領實現5G的完整實力。頻帶分配增加的關鍵在於大規模地引進多輸入多輸出(MIMO)天線技術。

圖2 無線通訊世代的演進和頻率

傳統上，塔式天線具有兩個兩極化的接收器和發射器，使之可以同時攜帶兩個多工通道(每個都有大量的使用者連結)。現今正在安裝或改造的塔台則具有四組通道天線陣列，每組天線陣列有四個接收器和發射器。這種增加天線和通道的作法才剛剛開始，而目前的3GPP標準版本整合了天線陣列，可攜帶多達16個MIMO通道，預計未來的陣列可攜帶64、128、甚至256個通道。理論上來說，蜂巢區域中的每秒位元容量的總數會隨著通道數量按比例增加。即使理論上的倍數在實作中不可能實現，實際增加的數量仍能夠將更多的使用者連結起來，或者是在同樣連結數量下能夠使用更大的頻寬，或是上述情況的某種組合。更多的MIMO通道亦有助於等化接收器裝置的無線訊號強度，使通訊擁有更強的穩健性和更低的連結延遲率，這些都與5G標準的目標一致。

如圖3所示，每個MIMO通道本身都具有從接收和發射天線到微處理器的訊號路徑。最基本的接收器路徑都涉及下變頻，從天線接收高射頻(RF)到可進行輸入採樣的低基頻頻率，加上從類比到數位的訊號轉換。發射路徑的功能類似但運作方向相反。現代的「射頻採樣」無線電架構，透過高速和每秒千兆採樣的類比數位轉換器(ADC)以及數位類比轉換器(DAC)，直接採樣射頻訊號來消除這個初始轉換步驟。依據基地台MIMO的規模大小，訊號路徑可以並行放置4到256倍之多。對大規模的MIMO系統情況來說，最大幅度地減小尺寸和複雜度是有其必要性，其材料清單和整體運作成本也可隨之降低。

圖3 具有大規模MIMO通道的通用型基地台圖解

IC整合是達到這些目標的手段，目前已有晶片商積極與基地台設備客戶密切合作，生產高整合性的射頻採樣資料轉換器、無線電收發器、以及可用來逐步部署大規模MIMO的優化訊號鏈。舉例來說，德州儀器(TI)的AFE7500收發器可支援每裝置兩條訊號路徑，並已經獲得正在部署的4或8通道天線陣列採用；而可支援每裝置更多通道的陣列解決方案也已在研發中。

另一個縮小訊號鏈尺寸和複雜度的關鍵，為直接從射頻採樣和轉換資料到數位基頻，省略其在基頻頻率的類比訊號步驟。直接射頻採樣ADC已經問世，而直接射頻採樣DAC不久後也將會推出，其將進一步刺激市場朝大規模MIMO前進，並進而提升容量。

直接寬頻射頻採樣透過將數個射頻帶整合成一個類比訊號路徑，進一步降低無線電硬體的複雜度，因而實現了更小的部署面積、更彈性的硬體、讓多射頻帶可同時搭載更多的MIMO。

面對較高頻率邊界

雖然大規模MIMO有顯而易見的優點，但其中一個關鍵的挑戰在於規模究竟能到多大。當建構一個在2.7GHz頻率工作的256個天線陣列時，其大小大約為一平方公尺。這些裝載電路和散熱片的天線被安裝在塔上是非常沉重的，如同牌桌大小的陣列也會像風帆一樣在風中被拉扯。此外，無線電波的複雜度將隨著通道的增加而提升。

Sub-6GHz的頻段十分分散，有些國家採取保留部分頻帶措施，但其他國家則無。該頻譜在全球有46個頻帶，造成設備商、服務商以及終端使用者極大的困難。其中一大筆的開銷便在於提供大規模MIMO基地台給現今世界各地所使用的破碎頻譜當中。

我們究竟該如何克服這些限制呢？5G的目標之一是將頻譜開放給更多且更快速的傳輸。在Sub-6GHz頻段空間使用大規模MIMO有所幫助，但是使用更高的頻率以取得更高的頻寬也是至關重要的，特別是那些還沒有被劃分給其它用途或鮮少被使用的頻率。目前，24GHz以上的大區塊頻譜在全球皆可取得，該區塊形成一個相當大的頻率範圍，可以集結成完整的頻帶供廣泛的5G服務使用(圖4)。無線產業和監管機構正在密切合作，就此頻譜的使用進行協商；5G網路將在sub-6GHz頻段取得早期啟動，但將在更高頻帶實現全5G的目標。

圖4 毫米波的蜂巢尺寸、處理能力和頻率

24GHz以上的通訊頻率通常被稱為毫米波(mmWave)傳輸，與6GHz以下頻率的數十毫米波波長形成對比。舉例來說，傳統的3GHz和未來的30GHz之間的訊號波長相差十倍，代表接收端天線尺寸只要十分之一(面積為百分之一)，因此在毫米波傳輸中接收256個通道的天線陣列，大小可能只有10×10平方公分(約4×4平方吋)。只要移動到頻寬更大的高頻率傳輸，無線服務業者就可以將讓每個基地台提高10倍的無線處理能力。同時，天線陣列的尺寸亦可大幅縮小，讓更多低廉低價的基地台得以被部署。

由於較小的天線元素發出訊號時不會產生和捕捉太多能量，因此單一通道陣列使用多個天線，其所採用的技術稱為「波束成形(Beam Forming)」。波束成形的重點是定向發射和接收訊號，有別於全向的單一訊號傳輸，該技術可以從不同的方向傳送和接收多個訊號。由於不同波束之間被隔離開來，使得通道容量獲得另一個10倍的提升。

毫米波傳輸的波長短，代表它們的傳輸範圍可能更小。這些波長很容易被固體障礙物所吸收，例如牆壁、建物、移動中的物體如汽車和卡車、以及家和汽車中的節能塗層窗戶。此外，這些訊號不會隨著建物和走道轉彎。在5G毫米波，由於基地台非常小，傳輸範圍將以條塊分割，例如一條街廓只有一座，或南北向街道二座，同樣長度的東西向街道再一座。

以更密集的網路拓撲方式可以部署更多的基地台，讓毫米波傳輸連結離終端使用者更近，以實現連結更多使用者和更高資料率的願景。近地性的增加讓容量可以獲得第三個10倍的提升，使得5G毫米波網路總容量比現在的網路提升1,000倍(更大的頻譜提升10倍，定向收發器提升10倍，基地台數量增加提升10倍)。當這些在24GHz頻段所增加的容量，與來自於sub-6GHz頻段的大規模MIMO容量相加，就可以清楚知道5G的容量將遠比今日大非常多。

毫米波技術帶動IC需求

透過毫米波GHz頻段來部署基地台仍有幾年的路要走，但實地測試能夠在不久的將來執行。第一個商轉的毫米波5G建置預計在2020年初期就會開始運作；在此之前，採用毫米波連結技術的最後一哩寬頻服務到府，會因為優於傳統銅線和光纖的成本和部署優勢而率先被實現。

縮放

最小的基地台將會是一個信用卡大小的天線陣列，對整合度、低功耗和連結性造成艱鉅挑戰。sub-6GHz基地台解決方案雖然尺寸較大，但一樣得面對上述難題，因為尺寸和重量將對塔式基地台大規模MIMO陣列形成另一種挑戰。

現存的整合式sub-6GHz收發器已與多通道裝置如AFE7500進行結合，未來也將出現更多高度集中的裝置。直接射頻採樣，例如ADC32RF80/45 RF-to-bits ADC和TI同時推出的bits-to-RF DAC，將有助於訊號鏈裝置更敏捷和小巧。

毫米波收發器的解決方案雖尚未問世但將會跟進推出。由於這是無線產業的全新領域，基地台製造商極度仰賴IC供應商協助他們開拓市場。這些毫米波傳輸之解決方案的目標為達到10Gbit/s的處理能力、一公里的傳輸範圍以及只有一毫秒的傳輸延遲率。

功率密度

每個位元在每一個傳輸、接收、訊號轉換和處理的階段都需要能量。每個5G大規模MIMO陣列基地台每秒所發射和接收的位元將增加達三個等級，因此每個位元所耗費的能量必須較預計提升的資料率降得快。倘若位元轉換能量跟現今的效率一樣，光是縮小的毫米波陣列就會大幅提高所消耗的功率密度。工程師所面臨的嚴峻挑戰在於訊號鏈的每一個區塊，不管是射頻功率放大器、低噪接收放大器、ADC或DAC，都必須非常積極地改善功率效率，否則這些部署在嚴苛環境的信用卡大小般的陣列，其所產生的溫度將無法獲得妥善的管理。

智慧型電源管理

另一個至關重要的領域是訊號路徑的功耗，因為電路必須將其功率轉換，並且高效率地傳送到較小的物理空間裡。除了以更高的效率為裝置供電外，電源管理功能本身也比較省電，能夠符合基地台的小空間和體積。對極小的毫米波基地台而言，總體功率下降有助於縮小尺寸；而對sub-6GHz大規模MIMO陣列來說，降低發熱也有助於減少重量，因為用來管理附加電路溫度的散熱片，其重量可能和其他裝置的總和一樣重。

此外，次世代無線電的智慧型電源管理，提供分散式電源管理的遠端監控和通訊功能。電源管理匯流排(PMBus)和其他協定如SMBus和I2C是眾多數位通訊介面中，被用來連結功率轉換模組和基地台的整體智慧型系統控制。功率系統管理器經常被用來統籌系統的電力配送和監控，於系統中各種不同的轉換器溝通。

開關模式電源本來就包含用來控制系統的瞬態和穩態效能的密閉控制迴路。另一方面，類比式控制迴路通常用於高效率電源轉換。「數位電源」提升了所謂的磚電源足跡。它還為智慧型開關模式轉換器提供先進的自適應控制演算法。數位負載點(POL)控制器提供POL設計師極高的可配置性。憑藉這種隨手可得的高靈活度，系統設計人員可以快速配置POL的輸出和相位，以滿足設計的特定需求。數位電源管理功能可以將更精細的排序流程，整合至具有許多電源軌的複雜高電流多相應用中。設計師能夠仔細規劃和輕鬆部署讓系統中的各個導軌恢復電力(Power-up)與斷電(Power-down)的最有效排序。

及時調整功率轉換器參數則可以將各種負載條件下的效能最佳化。它可以改善無線基地台輕負載和全負載的效率，並且提高易用性。許多關鍵創新要歸功於智慧型電源管理的興起。新的架構，例如高頻軟式開關和多相轉換器，具有訊號處理演算法的環路控制以及高品質因數的功率裝置(包括諸如氮化鎵(GaN)的新材料)，對於下一代無線基礎設施擁有優異的智慧型電源管理至關重要。

計時

在更高的頻率下，精準的計時變得比以往更重要，因此使用毫米波頻譜的裝置將使用超低抖動時鐘，比當今使用的精密10倍，以保持電路計時盡可能準確。未來，裝置將具備更優越的效能和更高的整合度，以滿足即將到來的5G和毫米波無線電的需求。最後，微處理器和系統軟體將持續提高訊號處理效率。整體目標是利用更少的晶片運行更多的通道，產生最低的熱能。如此一來，系統的尺寸和複雜度得以持續降低，每個通道的材料清單和運作成本也會隨之降低。

邁向下個無線通訊世代

5G承諾將從2020年開始，提供速度更快、低延遲、更多連結和更低功耗的無線通訊。現有和新的塔式基地台將透過大規模MIMO天線陣列進行升級，以支援相較於現今設備所能承載的更多的通道。更小型的毫米波傳輸基地台將遍布在人口高度密集的地區，以實現超高速的傳輸覆蓋率。除了這些主要的部署之外，5G，就像之前的無線世代一樣，也將涵蓋從基本載波規範到安全防護等面向，讓使用者體驗更上一層樓。

(本文作者皆任職於德州儀器)