勾勒下世代行動通訊 無線電技術演進驅動5G發展

DandelionJack 樓主 #1
2019-06-13 08:19
勾勒下世代行動通訊 無線電技術演進驅動5G發展


2019-06-11Thomas Cameron


5G進展順利,許多現場試驗已經完成,同時還有許多其他工作正在全球穩步地進行。根據GSA最近發布的5G試驗快照報告顯示,迄今,全球已確定了326個以上的單獨5G試驗和示範,約有62個國家和地區的134家行動營運業者宣布了5G試驗。

雖然其中許多試驗都側重於展示更高的輸送量,但5G頗具靈活性,其提供的新特性將實現新的使用案例。5G為無線標準奠定了基礎,並將帶領人們走進2030年和未來。



展望未來,隨著視訊共用在社會中越來越普遍,行動資料的產生和消耗卻絲毫沒有減緩的跡象。但是,隨著我們進入即將到來的機器時代,在未來,連接也意味著與身邊的世界相連。人們正邁入數位轉型時代,屆時,人類每天的生活方式、工作方式以及移動方式都將發生翻天覆地的變化。

雖然目前智慧型手機可充當人與資訊之間的介面,但未來的裝置將積極地相互通訊,不受人類互動的影響,並透過密集的互聯感測器網路監控我們周圍的環境。

以高可靠性和低延遲連接每個人、連接萬物的強大行動網路,便是即將到來之數位轉型的核心。

雖然作為一位工程師,可能會更關注頻寬、延遲等新興規範,但5G的基礎之一是靈活性。如果觀察這些規範是如何形成的,就可以看到人們正在定義波形,希望透過規定還未預想到的用例來實現目前設想的一系列使用案例。

而從較高層面來看,實現三大用例的目標推動著5G的發展:

・增強行動寬頻(eMBB)

・大規模機器類通訊(mMTC)

・高可靠低延遲通訊(uRLLC)

目前,業界5G焦點中主要的一部分是增強行動寬頻,利用中頻和高頻頻譜中的波束成形技術向高網路容量和更高輸送量發展。而可以開始看到利用5G網路架構低延遲特性的案例興起,例如工業自動化。

無線電技術推動5G

增強行動寬頻推動了對更高資料輸送量和更高網路容量的需求。蜂巢式基地台的容量可透過三大措施來予以提高:獲得新頻譜、提高基地台密度,以及改善頻譜效率。雖然可不斷看到全球為行動應用提供新的頻譜,並且網路密度透過增加小型基地台(Small Cell)的部署而提高,但仍然非常須要改進可用頻譜的利用率。

近年來興起的大規模多重輸入輸出(Massive MIMO)技術可顯著改善頻譜效率。Massive MIMO涉及到使用大量的主動天線元件,這些天線可以透過相干方式進行調整,以精確地將訊號傳遞給空間中的目標使用者,同時控制對其他用戶的干擾。大量天線與訊號處理演算法相結合,使系統實質上將頻率複用擴展到微觀尺度。

而這就為頻率複用導入了一個新的因素,現在,可以使用空間讓基地台能同時、並在同一頻譜中向多個用戶傳送獨立的資料流程。而這導致頻譜效率大幅提高,進而大幅改善輸送量。圖1顯示了這類的一個系統。天線在物理上顯示為面板,其上安裝了許多輻射器(天線)。每個輻射器後面則是無線電訊號鏈。



Massive MIMO發展現狀

Massive MIMO已被證實能夠使行動資料輸送量提高3至5倍,並且還將繼續提高。全球許多行動營運業者已完成Massive MIMO試驗,預計在2019年至2020年,早期採用者就會開始商業部署該技術,以支援網路中最擁擠地區的通訊。展望未來,隨著Massive MIMO技術的演進和3GPP無線標準中新特性的增加,預計這種無線電規格會在全球行動網路中普及。

在Massive MIMO系統中,為系統添加了更多無線電通道,使其從普通8T8R(8個發射器、8個接收器)時分複用(TDD)無線電前端擴展為64T64R系統。雖然Massive MIMO系統能大幅改善基地台容量,但其代價是無線電頭端的複雜性提高。

傳統無線電部署採用被動天線罩,由遠端無線電前端透過電纜饋送訊號。

Massive MIMO物理結構基於主動天線架構,現在主動無線電訊號鏈嵌入天線元件中。這些無線電系統通常是塔式或杆式安裝,因此主動天線系統的容許尺寸和重量存在限制。天線尺寸由天線元件間距決定,而直流功耗也是影響系統重量的關鍵因素。為了在尺寸、重量和功耗限制範圍內實現所需的無線電性能,使得無線電設計人員正面臨著許多技術挑戰。

無線電開發方案支援5G

有多種方法可以減小無線電系統的尺寸、重量和功耗,最常見的方法是利用電路整合及摩爾定律來縮小尺寸並提高功效比。但ADI提倡須透過系統級方法解決這些重大問題。當然,整合是最直接的無線電收縮辦法,但整合本身也許無法產生預期的好處。然而,如果分割系統並優化整合架構,便能產生令人印象更深刻的結果。

例如,如果基於可減少和/或消除大濾波器及其他被動要素的無線電架構進行構建,便能得到一個綜合性能出色的解決方案。再比如說,由於採用了零中頻無線電架構,整體系統複雜性和功耗降至最低,故能實現相當高的無線電功能整合度。

整合式CMOS無線電收發器產品系列基於零中頻架構,能夠帶來高整合度,大幅改善整體無線電系統的大小、重量和功耗。除了CMOS無線電收發器之外,也有半導體廠商提供用於無線電前端訊號鏈之各種高效能RF元件系列、精密監測和控制功能、高效電源管理電路。

而為加速2G到5G基地台和相位陣列雷達的開發,業者也持續推出新的收發器產品滿足5G部署需求,例如ADI推出內整合數位預失真(DPD)演算法的RF收發器,專門用於優化Small Cell和主動天線系統的發射功效比。由於DPD系統從FPGA劃分到收發器,故JESD204B串列資料介面通道數減半,使得功耗大幅降低,尤其是在每個基地台的天線數增加情況下。

加速5G發展

而若要加速5G發展,供應商可透過全面的Bit到天線(Bits-to-antenna)產品系列,再加上系統級專業技術,以協助開發者解決最棘手的問題。例如,透過設定和利用射頻收發器產品生態系統,快速從概念進入原型製作,再到生產。

無論是使用高度整合的收發器產品進行設計,還是使用前沿資料轉換器和RF產品系列進行設計,系統級的解決方案技術均可提供豐富的技術資訊、參考設計、軟體和工具,協助客戶完成設計流程。並透過包括支援論壇、部落客及其他內容的活躍支援社區,讓設計人員可與半導體技術專家互動,快速獲得設計問題的答案。以ADI的Small Cell無線電參考設計為例,其包含Small Cell無線電系統所需的所有元件,從SERDES介面到天線。所有無線電元件均為板載元件,包括帶DPD的RF收發器、PA、LNA、濾波器和電源解決方案。此外,其配有一個評估套件,可直接連接到基帶子系統,使設計人員能夠快速開發系統原型。

展望5G商轉腳步

2017年年底,3GPP發布了首項5G NR規範(第15版)。雖然該非獨立規範只是實現5G的第一步,但這能使SoC供應商可以透過數據機向前邁進,以支援2019年推出5G手機。早前3GPP宣布完成了5G NR獨立規範制定,這將支援5G NR網路的獨立部署。雖然頻譜選擇因地區而異,但預計到2020年,5G商業部署將會啟動,屆時消費者有望體驗5G技術的先期優勢。可以預期,隨著技術逐漸成熟,在許多地區,5G Massive MIMO將利用中頻段,接著是毫米波部署。在任何部署情況下,包括低頻段、中頻段還是毫米波,ADI都將致力提供開發者發展所需的技術組合,使其能夠實現5G願景。

(本文作者為ADI無線技術總監)
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