與目前的4G標準相比，第五代行動網路(5G)能夠實現更高的資料傳輸速率和更低的延遲，並且可以支持更高密度的行動寬頻用戶。頻率為60GHz左右的無線電通訊有很大潛力能支持這些5G通訊網路。舉例來說，imec的60GHz收發器原型適用於室內WiGig應用(例如家中的影像播送)和室外5G應用(例如固定無線接入)，此外，imec正在開發針對數據密集型產業應用的ATTO Cell技術，這些應用甚至要求比5G更高的傳輸率、更高的密度和更低的延遲。
現在的無線室內應用通常使用符合Wi-Fi標準的裝置，用於支持無線網路互聯。這些裝置是基於IEEE 802.11標準，並且採用2.4和5GHz波段。但下一代無線技術預計要面臨10GHz以下頻帶中頻譜出現稀缺的現象。這歸因於用戶和產品數量的爆炸式的增長，以及當今消費電子產品上運行的數據密集型應用數量的不斷增加。此外還出現了一系列全新應用，其中包括家庭影像播送、平板電腦與智慧手機之間多GB資料的快速交換、筆記型電腦的沉浸式遊戲和無線對接。
滿足室內數據密集型應用 60GHz無線通訊登場
為了應對即將到來的頻譜稀缺問題，人們正在尋找具有24至100GHz毫米波頻率的頻寬。一個有趣的選項是使用世界各地都擁有的57~66GHz免執照頻帶。該頻帶能夠符合5G要求，在低延遲的情況下實現多Gbit/s的速度。但是，由於氧氣和其他材料能嚴重吸收訊號，所以60GHz左右的頻率表現出極具挑戰性的通訊特徵。從有利的方面看，這些頻率能夠通過使用高度定向束，實現空間複用。換言之，兩個或多個相鄰的連結可以在不產生訊號干擾的情況下同時共用同一個頻道。但傳播衰減也伴隨著一個缺點，因為它會導致較高的路徑損失和訊號堵塞，這將無線傳播的距離限制在大約500~1,000公尺。
IEEE 802.11標準(又稱WiGig)允許人們採用不擁擠的60GHz頻帶。WiGig是一種面向室內場景的全新標準，它將Wi-Fi體驗擴展至虛擬實境、多媒體串流、遊戲、無線對接等。
符合WiGig標準低功率60GHz收發器
以imec開發的小型低功率60GHz收發器晶片為例，它能與WiGig標準相容，用於高速、資料密集型的室內應用。imec的原型晶片(被稱為Phara)的特點是採用波束成型技術，這種訊號處理技術採用相控天線陣列，實現定向傳輸或接收。晶片包含一個相控陣列收發器IC和一個小型的4天線模組。收發器IC採用28奈米互補金屬氧化物半導體(CMOS)技術，面積僅有7.9平方毫米。它的架構特點是採用直接降頻轉換，並在模擬基帶中實現波束控制(相位轉移)。這樣就能按照正確方向控制輻射。28奈米CMOS技術擁有非常高的切換速度，能實現毫米級的無線電波，它的性能足以比肩SiGe BiCMOS技術中的毫米級無線電。發射器(Tx)和接收器(Rx)分別只消耗425毫瓦和350毫瓦的峰值直流電流。
配備晶片的4天線模組擁有一種封裝天線配置，它帶有極低損失的天線介面(0.5dB@60GHz)。這個天線陣列專門用於在-45o至45o的方位掃描範圍內以及-30o至30o的仰角掃描範圍內進行波束控制。在全部4個WiGig頻道(58.32、60.48、62.64和64.8GHz)中，發射器到接收器的誤差向量幅度(EVM，用於測量收發器的調製品質和誤差性能)都優於-20dB，其中發射器的等效全向輻射功率(EIRP)達到24dBm。這就為QSPK和16QAM這兩種通常用於無線應用的調製技術提供了可能性。晶片已經通過了IEEE 802.11ad標準無線連結的驗證，能在1公尺的距離實現4.5Gbit/s的資料通訊，並在10公尺距離實現1.5Gbit/s。
5G固定無線接入和小型基地台回傳
藉由按比例增加天線數量，60GHz無線電的範圍可以增加到數百公尺，從而使得這項技術對5G小型基地台回傳應用和固定無線接入(FWA)更具吸引力，而且後者可能會成為首個5G使用案例。透過FWA和小型蜂巢式回傳，可以在無須為最後一哩安裝光纖的情況下，將每秒數GB的連接帶入家庭中。對FWA來說，需要直接連接兩個固定位置。基站可以放在路燈或屋頂等位置，而指向終端用戶的無線電鏈路最好是位於室外(例如，位於窗戶旁的盒子中)，從而將訊號損失降到最低。每個FWA裝置都配備在視線範圍內，實現更好的訊號接收。毫米波FWA可以與毫米波回傳相結合，通過無線方式讓資料通訊更加深入地進入通訊網路，導向行動網路運營商的核心網路。一個選項是使用串聯的路燈來部署小型基地台。
在城市環境中將5G FWA和小型基地台回傳相結合是理想的選擇，因為這裡設置光纖回傳連接可能更加昂貴，或傳輸速率過於緩慢。無線點對點回傳鏈路可輕鬆安置在路燈或房屋外牆上，而考慮到監管或者安裝批准，光纖這個替代選項，可能需要等待更多時間。或者可以想像一種只在短時間內需要超高速頻寬的情形，例如一次音樂會、一次重要的自行車比賽或者一個遭受天災的區域。
imec的無線電解決方案包含多個Tx-Rx相控陣列(Phara)收發器晶片，並帶有一個大型天線陣列，用於更遠範圍的5G回傳。例如，擁有4個(Phara)收發器晶片的16天線陣列能夠在150公尺的距離內實現1.5Gbit/s的資料通訊。對於更長的距離，可以使用配備8個收發器晶片的32天線陣列，它能在300公尺的距離內提供1.5Gbit/s的資料通訊。
透過ATTO Cell技術突破5G目標
imec-根特大學的研究人員更進一步，正在研究ATTO Cell技術，這可視為是無線小型基地台技術的一次演進。在小型基地台技術中，要安裝大量天線，並且每個天線覆蓋一個有限的區域(亦即Cell)，從而實現高速無線寬頻。Cell越小，它能提供的速度就越快，而這個過程就將我們帶入ATTO Cell。ATTO Cell技術將整合到地面中的寬頻天線與專用硬體相結合，實現短程高速無線連接。根特大學團隊的目標是在延遲係數為100(即少於10微秒)和密度係數為1,000的情況下突破5G目標。並且為了用硬體實現不同ATTO Cell的互聯，團隊構想了一個射頻光纖傳輸技術(RF-over-fiber)網路，它能提供足夠的頻寬，從而繼續將ATTO的資料速率提高到每名用戶專用100Gbit/s，這是即將到來的5G技術速度的10倍。為了實現這個目標，研究團隊將利用57至64GHz之間可用的7GHz頻寬。這可能將應用於工業環境中的機器人，它們需要能夠傳送並接收超高容量資料。為了研究和開發顛覆性的無線ATTO Cell技術，Demeester教授和他的團隊(imec–根特大學)獲得了歐洲研究委員會(ERC)250萬歐元的高級撥款。
60GHz技術開發依賴於imec在IC設計、天線模組開發以及系統建模等領域的長期經驗。例如，imec的天線研究的目標是提高天線效率、頻寬和掃描範圍，從而提供更好的用戶體驗。為了實現成本/功率/範圍的最優平衡，imec採用了不同的技術。imec還開發了完整的IEEE802.11ad訊號處理模型，其中包括用於同步、通道估計、均衡、追蹤和探測的演算法解決方案。創新的波束成型演算法即使在多路徑環境中也能提供超高性能。
imec透過各種不同商業模式為開發商提供毫米波研發。首先，感興趣的廠商可全程參與整個3年計畫。這個計畫使用開放式創新模式，並且目標聚焦於半導體供應商。合作夥伴可以獲得在世界範圍內使用所有研究結果的商業許可證。其次，系統提供商可以加入應用計畫(這是一個完整計畫的分支，但沒有訪問IC設計資料庫的許可權)。再次，一種白盒智慧財產權(IP)許可證實現技術共享。其中包括對原型IP進行透明的技術轉讓，包括原理圖、布局、測量結果和模擬。遵照這些商業模式，許可證能協調並實現imec原型的商業化。
(本文作者為imec商業開發經理)