關鍵5G通訊輪廓漸清晰　毫米波/O-RAN挺進商用化

5G應用的動能持續增強，各領域的應用開枝散葉，可以看到5G基礎建設需求持續攀升。Arm首席應用工程師黃彥欽(圖1)提及，截至2020年底，全球已經有超過160家電信商，部署超過兩萬個商用基地台。預估到2022年底，會有超過十億的5G智慧型手機用戶，市場也將出現超過100家設備商，提供超過500個不同類型的裝置。由此可以看到5G的成長速度飛快，也帶動新的商機。

國際行動通訊組織(IMT)指出三大5G應用願景，第一個是3GPP制定的超可靠低延遲通訊(URLLC)規範，確保5G設備符合高可靠度且低延遲的要求。第二個是增強型行動寬頻(eMBB)，主要針對大量數據及高頻譜效能的運算需求。第三則是大規模機器型通訊(mMTC)，在萬物聯網的趨勢下，多種裝置連結便會產生新應用。黃彥欽分析，針對這三大新的應用場景，可以預期生活中的應用，透過公網、私網的布建，可以實現VR、工業4.0、自駕車、遠距醫療等等，有些應用因為技術限制而停留在實驗階段，但是未來相信透過5G發展仍有機會實現。

建構平台迎戰5G多元應用

5G帶動更多的應用需求跟挑戰，包含低功耗、高效能、布建及營運成本降低，都是新技術發展時面對的課題。對此，Arm針對5G基礎建設需求推出Neoverse平台，針對企業的轉型需求，提供更高的安全性跟彈性，並聯合產業夥伴建立生態系。此平台瞄準雲端、HPC、5G跟邊緣運算四大基礎建設市場，注重高效率與高擴充性。其中，Neoverse V1平台擁有較寬的架構，可以容納更多的指令傳輸與執行，並透過網狀互聯技術(CMN 700)可彈性選擇I/O，且支援DDR5，整體效能佳。Neoverse N2平台則關注到多核心數跟異質運算的需求，提供適用於不同應用場景的方案，讓基礎建設可以採用Armv9架構，提升效能跟安全性。

以5G RAN的部署為例，前端的RU、中端的DU，以及後端的CU，每一層需要的算力跟功耗不同，越上層的算力需求及功耗也越大，且需要支援軟體定義的雲端原生功能。越下層的功耗越小，需要更多的IP或硬體加速，以及更多不同DSP的功能。在市場注重機器學習的前提下，每個領域都有其運算需求，而Neoverse平台可以為不同層級提供其需要的方案。

O-RAN創造台廠發揮空間

5G開放式架構的興起，也帶出市場對專網的關注。工研院資通所整合性網通應用系統組專案經理蘇建元(圖2)提及，5G其中一個重要的驅動力來自數位轉型。企業對數位轉型需求很大，GSMA統計，2026年由數位轉型促成的商機，將會達到3.5兆美元，而5G在其中扮演重要角色，特別是垂直應用方面，包括設備、創新應用及整體運作，可以創造1.3兆美元的商機。數位轉型的需求旺盛，企業紛紛建置專網。GSA統計，全球公開或已知的行動專用網路布建有311個，其中106個由電信業者布建，其他來自系統整合商，其中建置最多專網的產業是製造業，共有約67個。

專網的發展，從技術面來看，網路系統傾向多元開放，有意布建的企業比較容易取得系統解決方案，也比較容易建立客製化的專網，落實建置專網的可能性。白牌設備結合開源軟體，或是相對的軟體應用、網元，就能比以往更容易建立自己的電信網路，搶進網路服務的新商機。另一方面，營運商或是系統業者，有機會直接向設備商、伺服器廠商採購硬體、布建軟體，用更低的成本建立差異化服務

從專網布建的趨勢來看，可以發現行動網路的生態系，打破過去被大廠壟斷的局面，IC廠商、軟體、設備、系統整合到營運服務廠商，都受惠於O-RAN，獲得踏進5G生態系的入場券。根據市調公司Dell'Oro的估計，到了2025年O-RAN市場將吸引100億美元的投資，且在行動通訊市場中大約會有10%比例由O-RAN取得。根據日本樂天電信統計，透過採用開放式網路架構，建置成本可以減少50%以上。應用服務的上架測試時間也縮短許多，傳統電信可能需要幾個月，現在的彈性架構只要一小時就能正式上架電信服務，初期建置成本跟日後營運管理成本都有明顯的下降。

不論從O-RAN、專網或5G的角度切入，多數廠商都瞄準2025年後製造業的應用市場。蘇建元總結，O-RAN的標準技術發展漸趨穩定，可以提供成本更低且更有彈性的網路服務，在數位轉型的需求下，垂直市場藉由導入開放式架構，突破過去由傳統電信商壟斷市場的狀況。然而O-RAN設備的技術競爭力還有進步空間，需要透過產業聯盟加速成熟，未來才比較有機會跟傳統電信服務競爭。而在台灣市場中，台廠有硬體製造的優勢，且智慧醫療照護跟製造能力皆有優勢，可促使資通訊產業跨入專網市場，無論設備、系統整合或是未來的服務、維護，都有資通訊產業發揮的空間。

毫米波量測挑戰重重

在5G的技術演進中，毫米波模組的量測也面臨挑戰。鐳洋科技技術長周瑞宏博士(圖3)說明，毫米波的頻段高，當頻率在30GHz以上，頻率越高，空間中的衰減就越大。因此5G毫米波為了克服空間中的衰減，要用很多天線，透過結合天線之間的增益來達到克服衰減的效果。比起Sub-6GHz的被動天線，毫米波的主動天線必須結合射頻前端、天線跟數位控制，複雜度跟困難度較高。同時毫米波傳輸的時候也容易被物體遮蔽，因此毫米波天線的設計者、系統設計者可能須透過優化演算法來解決此問題。

毫米波採用陣列天線，每個天線單元間的振幅跟相位關係，會影響陣列天線的特性，因此如何執行校正流程或校正的演算法，將影響毫米波陣列天線的效能，也為毫米波天線帶來幾個挑戰。周瑞宏進一步說明，首先是毫米波傳輸的時候容易被人體遮蔽，基站跟接收者之間如果有人或物體，傳輸訊號的能量大多會被人或物體吸收，接收到的訊號會大幅降低。對此，有些晶片商會用演算法補償，尋找最佳的一次性反射路徑傳輸，可以降低能量耗損。

第二個挑戰是陣列天線的設計複雜度高，相比Sub-6GHz，受到每個天線之間的相位跟振幅的影響，天線的能量會集中在特定使用者，需要透過數位控制或陣列天線本身的設置解決，確保能夠快速轉換波束。第三則是毫米波陣列天線的校正流程。每個元件在系統分析的時候，當然都期待是理想的元件，例如做增益控制的時候，相位可以維持常數，反之相位控制的時候，希望增益變化是常數。但是實際上所有元件在高增益區已經達到功率放大器或低雜訊放大器的極限，因此相位會隨著增益變化，很難維持線性變化，所以實際上需要用演算法來控制。

針對5G毫米波模組與終端產品的量測挑戰，鐳洋科技提供升降頻模組，串聯測試系統與待測物，同時提供客製化的AiP模組，滿足客戶在精準與快速量測方面的需求。AiP模組可與產線結合，其電線也經過彎曲測試，能在客戶期望的使用年限內，達到每小時量測480個待測物的速度。配合5G毫米波的多元應用，鐳洋科技在終端產品的量測方面，也能提供客製化的軟/硬體量測系統。

毫米波加快商用腳步

原先產業內預估2022~2023年才會看到5G毫米波商用化的成果，但是蘋果(Apple)推出iPhone 12向世界證明5G毫米波的商用可行，市場提早引爆。今年蘋果將推出的iPhone 13預期更廣泛支援5G毫米波，促使5G毫米波全面商用，相關供應鏈廠商紛紛投入搶攻商機。?通科技總經理陳文江(圖4)指出，5G毫米波面臨建置成本與技術門檻的雙重挑戰。建置成本方面，所幸能透過網路軟體虛擬化，原本需要硬體介接的網路，全部透過軟體來虛擬連接伺服器就能實現所有網路功能，讓5G網路的建置成本大幅降低，同時提升應用彈性。5G毫米波高技術門檻則在於設計、測試驗證與調校技術，仍需要積極克服電路設計、模組整合以及散熱挑戰。

毫米波天線陣列與高頻電路設計方面，台廠的技術還有進步空間，雖然台灣在Wi-Fi及4G領域已有不少人才跟經驗，但是高頻毫米波的電路，特別是陣列天線的設計，以往台灣較少投入，還需要一點時間熟悉跟建立技術。其次，5G毫米波的前端除了傳統的RF，還要搭配升降頻晶片，將中頻波升頻到毫米波，以及在接收端將毫米波降低到中頻，再搭配波束成形(Beamforming)元件。將中頻電路、升降頻及Beamforming IC整合到天線陣列有限的面積內，天線尺寸要符合規範，使得模組的整合相當具有挑戰性。最後是在小面積的天線陣列之內有多個PA，功率放大器的物理特性就是越高頻效率越差，導致高比例的功率轉換成熱能，使得散熱成為5G毫米波需要克服的問題。

電路調校方面，陳文江表示，5G毫米波前端電路須經過相關的不良特性包含I/Q不平衡、陣列天線之間不同延遲大小的調校，還有毫米波功率放大器線性度的調校，才能提升模組效能。加上5G毫米波的電路調校環境建置需要封閉式迴路，才能明確知道Tx及Rx的特性，同時搭配使用者友善的開發環境，才能順利開發演算法，並透過即時量測改良演算法。一般而言，上述的建置搭配VAG、VSA不容易調校，但是?通科技的測試驗證平台支援四路T跟四路R，因此可以進行波束及封閉迴路的調校，順利透過軟硬體整合來開發演算法，確保電路調校的結果符合預期。

5G毫米波/O-RAN/專網潛力無限

5G毫米波、O-RAN及專網的商機蓬勃發展，雖然市場潛力十足，但是產品成熟度與技術挑戰都還有待時間考驗。其中，IP廠商透過建置平台布建5G基礎建設，滿足不同應用場景的通訊需求。5G毫米波模組的開發與驗證廠商，也在天線陣列設計的總總限制下，尋找技術出路。蘋果率先向市場證明5G毫米波商用可行，O-RAN相關組織也持續積極推動方案，可說新世代的5G毫米波與O-RAN革新已經近在眼前。