隨著蘋果(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(mmWave)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。
本文主要針對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分析，同時探討業界投入5G毫米波相關產品的布局，以及未來5G毫米波前端模組開發及驗證上所面臨的機會與挑戰。
O-RAN架構與新商機
第一支5G手機自2019年推出以來，出貨量節節攀升，2021年5G智慧手機出貨量接近5.3億支、2022年出貨量更有望超越4G機種，預估將達到6~6.5億支，成為最主流的技術規格。隨著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，Apple更已在2022年3月中旬發表iPhone SE3 5G平價手機，對於5G手機的推廣與普及將可望更進一步推波助瀾，更大幅度地推升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，以及Google Pixel 4a、Pixel 5與Pixel 6也只有美國支援5G毫米波；但是目前Google Pixel 6 Pro在美國、日本與澳洲皆有支援。此外，採用聯發科技(MediaTek)晶片的5G毫米波手機也可望在2022年第二季初上市，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，甚至有機會在2022年下半年正式引爆5G毫米波的商機。
O-RAN聯盟由AT&T、NTT DoCoMo、CMCC、Orange、Deutsche Telekom等五家全球主要電信營運商於2018年成立，提出新的O-RAN開放性架構，主要目的就是希望能夠打破原本由愛立信(Ericsson)、諾基亞(Nokia)與華為(Huawei)等少數電信設備廠商壟斷的局面，為移動通訊基地台制定一個像個人電腦(PC)般的開放性架構。以目前最熱門的分割選項7.2為例(圖1)，將5G基地台架構切分為O-RU、O-DU與O-CU。
圖1 O-RAN 5G架構
O-RAN架構中將傳統物理層(Physical Layer)中的基頻分為L-PHY與H-PHY，L-PHY主要是時域(Time Domain)基頻訊號處理部分，H-PHY則是頻域基頻訊號處理部分，頻域與時域轉換的FFT/IFFT快速傅立葉轉換電路則是包含在L-PHY。O-RU包含L-PHY與RF，是主要需要以硬體方式實現的部分，其餘O-DU與O-CU則是可以以軟體配合伺服器(Server)來實現。
透過O-RAN所訂定的新架構，可以配合網路功能虛擬化(NFV)的趨勢與技術，將傳統上整合在一起的硬體部分，切分為只需要最少硬體的O-RU，與可以軟體實現的O-DU與O-CU；O-RU與O-DU之間，則是可以透過開放式的標準介面eCPRI來連接。
只要各家廠商所設計生產的O-RU能夠遵循O-RAN介面標準，通過OTIC(Open Testing and Integration Centre)開放式測試與整合實驗室的認證測試，便可以確保O-RU與O-DU間的相容性與互通性，而可以任意搭配不同廠商所出產的O-DU與O-CU。就如同目前個人電腦各種介面卡可任意搭配不同廠商的產品般，而不需要像之前一樣基地台的設備必須是同一家廠商的設備。因此，O-RAN標準獲得國際間廣泛的支持，可望打破原本供應鏈壟斷的局面，現今也開啟台灣相關業者進入5G基地台供應鏈的契機。
這不僅使得電信營運商的選擇變多，議價的可能性變高，同時對於原本沒有機會提供移動通訊基地台相關設備的台灣廠商，包括天線模組廠商、伺服器廠商、網通廠、系統廠等，如圖2所示，都有切入5G基地台設備的機會。
圖2 O-RAN 5G基地台布局提高台灣廠商商機
高頻接取與前端模組設計挑戰
隨著5G手機的熱賣與5G毫米波及O-RAN所開啟的新商機，也促使全球許多公司相繼投入相關毫米波前端模組與毫米波晶片的開發，雖然5G採用毫米波頻段的主要優勢是可以獲取較大可用頻寬，以提供比5G sub-6GHz網路更大的傳輸速率與通訊容量，但是對於5G毫米波真正的商用，市場一直有不少的疑慮。
主要因素是第一次使用毫米波頻段如此高頻的無線電頻段在室內與戶外的移動通訊應用，不像Wi-Fi雖然之前也使用60GHz毫米波頻段，但主要是使用在室內短距離通訊，在技術開發上面臨了許多高頻無線接取新的挑戰，也包括毫米波頻段所使用天線陣列與前端模組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；同時包括許多高頻與大頻寬所帶來跨領域驗證與校正設計的高設計門檻。
使用毫米波頻段，主要因為高頻段載波波長較短的特性，在通訊上先天有較高的傳輸耗損，包括路徑傳輸損失(Path Loss)、穿牆性(Wall Penetration)耗損、雨衰(Rain Fading)、甚至毫米波訊號的傳輸會因為水蒸氣與氧分子的吸收導致傳輸訊號的衰減(Propagation Loss)等，如圖3所示。
圖3 各類高頻無線接取傳輸衰減
圖片來源：Millimetre wave frequency band as a candidate spectrum for 5G network architecture : a survey
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)使每一個天線單元所發射出來的訊號同相(In Phase)，來產生正向耦合(Positively Coupling)形成波束。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，這即是所謂波束成形技術(Beam Forming)。透過大量或巨量的天線陣列的設計提供夠大的天線陣列增益(Array Gain)來補償高頻通訊的各項傳輸耗損，以達成系統規格所要達成之傳輸涵蓋範圍的目標。
天線陣列/前端模組過熱成因
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(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(PAPR)，對於功率放大器的線性度會有更嚴苛的要求。特別是在搭配高階調變技術64-QAM(Quadrature Amplitude Modulation)調變時，發射功率需要從功率放大器(PA)的1dB功率(P1dB)點後退(Back-off)約8~10dB，才能確保功率放大器工作在足夠線性的區域來避免因為功率放大器的非線性特性所造成的失真，也才能達到規格所要求的解調變接收性能。原本功率放大器(PA)的功率附加效率(Power Added Efficiency, PAE)就因為頻率越高而越低，發射工作點的平均功率後退將進一步使得功率放大器的PAE變得更差，如圖4所示。
圖4 Power Compression of Power Amplifier 36GHz功率放大器在36GHz頻段
以圖4之功率放大器在36GHz頻段為例，即使是使用物理上有較佳功率附加效率(PAE)的砷化鎵(GaAs)製程設計之功率放大器，在1dB功率(P1dB)點的功率附加效率(PAE)約為18%，但後退(Back-off)10dB之後功率附加效率(PAE)就只剩下2~3%，這意謂著直流功率(DC Power)只有2~3%轉換成傳送訊號功率發射出去，其餘97%~98%的直流功率則是轉換成熱能散逸，這也造成毫米波前端模組很嚴重的散熱挑戰。
由圖5左邊4×4 16個天線單元毫米波前端模組為例的熱模擬結果可以看出，若沒有適當解決散熱問題，在毫米波前端模組這麼小的空間裡甚至可達200~300°C高溫，遠超過功率放大器可正常操作的工作範圍，甚至一供電就將毫米波模組燒毀。
圖5 毫米波前端模組散熱問題系統解決方案
由圖5算式所示，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來同樣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。對此，目前5G毫米波波束成形器晶片方案的廠商採用CMOS製程來設計包含功率放大器之波束成形器晶片的主要原因，以及當5G毫米波波束成形器晶片量大時，成本可以降到比三五族製程低得多的成本考量。
5G毫米波前端模組量測/校正挑戰
5G毫米波前端模組在量測驗證上的挑戰，主要來自非常昂貴的測試儀器設備，使得要建置一套包含訊號產生、訊號分析與S參數量測的設備，所需的經費高達數千萬元，還不包括暗室空間與委外設計建置的高昂費用。一般這麼昂貴的儀器是歸高頻天線與高頻電路設計工程師所專用，而負責系統軟硬體整合與演算法開發的工程師，則需要與高頻天線與高頻電路設計工程師協調儀器使用的時間與支援。
有關高頻電路DC-offset、I/Q imbalance等非理想效應的校正，則是需要演算法工程師與高頻電路設計工程師的跨領域密切合作，更需要有好用的開發驗證平台才能加速演算法的開發與驗證。有廠商円通科技針對NXP LA12XX評估模組所設計4×4 16-天線單元與8×8 64-天線單元的28GHz 5G毫米波前端模組(圖6)，採用Anokiwave AWMF-0151/AWMF-0200波束成形晶片，根據系統散熱需求設計天線陣列，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多路傳輸的功能與良好性能。另外，円通科技透過與國內廠商及KeySight策略聯盟，推出由台灣自主研發的測試平台，搭配國際儀器大廠軟體之非訊令測試儀，一台測試儀中整合了訊號產生器、訊號分析儀與網路分析儀三合一功能(圖7)。
圖6 4×4 16-天線單元與8×8 64-天線單元28GHz毫米波前端模組
圖7 円通科技5G非訊令測試儀
對於5G毫米波或是低軌道衛星通訊地面站來說，超大型天線陣列的量測，若是採用傳統的遠場暗室，因為遠場暗室的大小是跟天線孔徑平方成正比：
1024或是2048天線單元這麼大的毫米波陣列天線所需要的遠場暗室的空間就要很大，同時需要透過機械手臂進行3D場型掃描，量測時間更是需要好幾個小時。近場天線量測主要是透過對每一天線單元規律的近距離電場掃描取樣，分別量測取樣每一個天線單元電場的大小與相位，再透過計算角譜(Angular-Spectrum)，可以近似輻射場的角分布，而得到遠場的2D/3D場型分布(圖8)。
圖8 遠場的2D/3D場型分布
另外一個棘手的問題是除錯，一旦量測結果有問題，需要有另外的工具進行偵錯，得知是哪些天線單元有問題，進一步釐清是因為波束成形晶片故障、空焊或是其他打件問題，才可進一步修正與改良。毫米波天線陣列量測與校正設備YTBM28，如圖9所示，不僅不占空間，量測速度快，同時不需要搭配任何昂貴的測試儀器，量測8x8 64-天線單元天線陣列只需四分多鐘，同時還提供快速檢測的功能，能夠在幾秒內檢測出哪一個天線單元有問題須進行進一步的除錯。這對於5G毫米波或是低軌道衛星通訊地面站陣列天線量測更是最需要的功能，可大幅加速大型毫米波天線陣列量測與檢測除錯的時間成本與建置成本。
圖9 円通科技毫米波天線陣列波束量測校正儀
(本文作者為円通科技總經理)