5G R15规范走向完善 端到端传输效能问题如何解决

2018年是5G标准、技术研发以及产业成熟关键的一年，也是5G走出实验室，大举面向商业运转的起点。5G R15规范逐步走向完善，如何强化端到端传输效能成为产业热门议题。而为克服5GNR所带来的技术难题，芯片与天线设计大厂也纷纷推出解决方案应战。

5G R15标准确定后，5G也朝正式商用化更迈进一步。而在各国陆续展开频谱拍卖、指配后，电信商也纷纷喊出2019年或2020年5G行动服务商用化的愿景。不过，5G不论是在组网方式还是使用的频段，都比历代行动通讯来得复杂。其中，5G NR高频毫米波的技术特性，更为基地台与行动装置设计带来许多挑战。为此，设备与芯片厂商也持续推出解决方案，希望能加速促成5G商用行动服务开通。

现阶段5G焦点主要集中在增强型移动宽带eMBB应用情境讨论，希望能朝更高网络容量与更高传输速率发展。而要增加蜂巢式基地台容量可透过三大措施实现，包括获得新频谱、提高基地台密度和改善频谱效率。对此，ADI通讯基础设施业务部中国区策略市场经理解勇表示，虽然可见新的频谱持续增加、网络密度不断提高，但提升频谱效率仍相当重要。

目前Massive MIMO已被证实能够使行动资料传输量提高3至5倍，且未来有望持续提升。而各国电信营运商也纷纷展开5G Massive MIMO测试，预计在2019年至2020年开始在部分地区进行5G商业部署。而在eMBB逐渐完备后，解勇认为，高频毫米波技术及超高可靠度和低延迟通讯URLLC应用情境将成为下一波产业聚焦热点。

波束成形/主动式天线克服毫米波物理限制

毫米波为极短波长且极高频率的载波通讯，是除了多天线、多工调变方法之外，另一个能直接大幅提升资料传输速率的途径。然而，毫米波技术也面临到传输路径损耗、集肤效应等物理特性所带来的限制，造成通讯距离短、覆盖范围小、易受干扰且易被人体及建筑遮蔽等问题，因此必须透过波束成形Beam Forming、Massive MIMO阵列天线等技术加以解决。

波束成形技术可将多个讯号集中并指向特定方向，以克服毫米波耗损的问题并提升讯号传递的距离。而波束成形的运作还必须藉由相位阵列天线来控制、调整波束的方向，才能形成指向性波束。

而为避免方向偏差影响用户端的讯号接收，基地台天线还须加入波束追踪技术，快速移动、扫描以随时侦测用户位置。而为支援此技术，未来5G基站天线将采主动式、智能型天线设计。

某主流设备商台港澳业务销售总监郑志中进一步说明，主动式阵列天线能确保讯号的稳定性，但以5G时代一个基地台至少须处理64个发射机(TRx)的情况而言，可预见主动式阵列天线将会为基地台带来庞大的运算负载，使得基地台的处理效能与功耗成为重要的课题。为此，该设备商也着手进行实验，希望能将人工智能（AI）技术引入5G基站，利用机器学习算法提升运算效能，并进一步预测用户移动的路径，藉之分担主动式天线所带来的运算负载，提升基地台的运作效能。

而在终端装置的天线设计上，毫米波波束也可能受到手握手机的方式、系统的材质（如玻璃、陶瓷、金属元件、机构件）影响，被物质吸收、反射或是偏移本来应该辐射的角度。对此，Qorvo产品营销经理陈庆鸿指出，目前业界常见的解决方案包括导入多根毫米波天线阵列模块，或透过摆放方式、多极化多频段设计，来降低这些外在影响。

5G RF前端朝模块/IC发展

5G Massive MIMO阵列天线系统，使之对于射频元件的整合度、频宽与成本具更高的要求。此外，5G频段包含6GHz以下的低频频段与高频毫米波频段，支援的频段比4G LTE多且复杂，因此，若要达到5G RF性能指标要求，将为相关RF元件制程与电路设计带来更大的挑战。

LTE技术演进掀起RF前端模块市场第一波热潮，不过市调机构Yole指出，2017年底5G NR非独立（NSA）标准出现，才是驱动RF前端市场大幅成长的主因。5G NR NSA在架构上采用4G/5G联合组网，并引入“双连接”技术确保设备能同时使用两个基地台的无线资源，也促使RF前端设计复杂度以及元件需求向上提升。根据Yole发布的报告，RF前端模块市场2023年产值达352亿美元，2017-2023年复合增长率为14%。

以往RF前端多采用离散式元件，透过印刷电路板PCB上的RF走线连接收发器、功率放大器、低噪声放大器及滤波器等主被动元件。不过，随着RF元件用量的提升，陈庆鸿表示，目前4G高阶手机RF元件模块化已是必然的趋势，而5G将更进一步加速元件整合的趋势。其中，模块的型式包括封装、低损耗板材SMT、软板SMT等，但不论采用何种方式都必须解决IC热集中、高功率消耗的问题。

Anokiwave亚太地区销售总监张肇强进一步说明，5G毫米波信号易耗损、受干扰，为降低信号在PCB传递过程中的耗损，须将RF元件与天线整合以缩短RF走线，理想的做法是将RF元件置于天线基板的背面。然而，除了面临到RF元件用量大幅增加的问题，随着讯号频率变高、波长变短，天线尺寸及每个天线间的距离都会大幅缩小，而离散式RF元件的尺寸较大，因此难以直接将之整合在天线基板上。

由于上述问题，也使得5G毫米波RF元件整合成为必然的趋势，而目前市面也已有业者利用IC或模块的形式将RF元件整合在同一封装。对此，张肇强表示，该公司看好CMOS制程的成熟度、高整合性以及生产成本等优势，因此采用硅基的CMOS制程来生产毫米波RF前端IC，并将之与天线整合成模块，以解决讯号传输耗损问题。

RF模块封装须考量散热问题

Massive MIMO技术的导入使得5G基站与终端装置的天线数量皆增加，散热问题因而成为RF元件与天线设计上的另一项挑战，业者须在确保RF性能的同时，兼顾热管理与成本问题。对此，张肇强解释，虽然过去毫米波雷达与波束成形技术已被运用在军事上，但对于军事应用来说，尺寸与成本都并非设计上的首要考量，因此若要运用相关技术实现商用基地台，除了要克服尺寸问题，基地台散热所带来的庞大成本也是一大挑战。

为此，Anokiwave尝试从封装来改善散热问题，其第一代毫米波RF前端IC采用QFN封装技术，但考量塑胶封装散热效果较差，因此第二代产品改采晶圆级晶粒尺寸封装（WLCSP），在改善散热问题的同时也能进一步缩小封装体积。

同样考量到塑胶封装所产生的散热问题，Qorvo日前推出39GHz的双通道RF前端模块也针对塑胶封装提出相关对策。Qorvo指出，由于该款RF前端模块采用GaN制程，而GaN功率密度比GaAs高出2至3倍，因此在封装设计上面临更棘手的散热问题。为此，该公司在GaN RF前端模块封装基座内加置均热器，在确保产品成本竞争力的前提下，提升塑胶封装的热管理效能。

天线隔离度/线性度克服IMD干扰问题

5G组网方式分为独立（SA）与NSA两种，其中，NSA主要是透过LTE发送控制讯号，而SA则是透过5G NR发送控制讯号。就目前各国电信商布局看来，除了中国移动有意直接部署5G SA网络，多数国家在初期仍会以NSA网络部署为主，因此兼容各标准、架构的解决方案也更显重要。

针对组网方式对于天线设计的影响，陈庆鸿进一步说明，NSA的组网架构，无论是在1T4R或是2T4R的设计上，整体核心网络仍需要4G LTE做为控制通道，5G NR只提供高速的数据传输，因此NSA的架构下，会发生4G LTE与5G NR同时发射的应用场景，在RF前端设计须留意互调失真（IMD）产生的干扰问题。而SA组网架构，虽然不需要4G LTE做为控制通道，但在2T4R的设计上，仍须注意IMD带来的干扰问题。

面对NSA的架构下会发生4G LTE与5G NR同时发射的应用场景，陈庆鸿建议装置端的天线采分天线的设计方式，即4G LTE与5G NR的发射分别位于不同的天线上，利用天线间的隔离度，加上选用线性度较好的元件，来减少IMD对于系统干扰的影响。而他也指出，SA在1T4R的设计底下，除了可以节省一套RF发射元件之外，也无须面对IMD的干扰问题，对于终端装置的RF前端成本考量是一大优势，搭配成熟的天线调谐开关元件，可突破多频且宽带的天线在全面屏行动终端产品上的挑战。

基频芯片厂抢夺商用化先机

要实现5G行动服务商用化，除了克服基地台与终端的RF前端与天线设计问题，基频芯片亦是关键。为加速5G商转，高通、三星以及Intel等芯片大厂也陆续发表5G基频芯片，并纷纷展开通话测试。如高通日前与爱立信共同宣布，利用搭载Snapdragon X50芯片之智能型手机尺寸的测试装置上，在39GHz频段完成符合3GPP R15规范的5G NR通话；而三星也表示，其已利用搭载Exynos Modem 5100的终端原型装置以及5G基地台，完成5G NR数据通话无线传输（OTA）测试。

据悉，三星推出的基频芯片在sub-6GHz频段最高下载传输速率可达2Gbps，在毫米波频段则可达6Gbps的下载传输速率。相较于先前的版本，Exynos Modem 5100在以上两个频段的传输速率分别是前代的1.7倍及5倍。此外，该款基频芯片在4G网络中亦能达到1.6Gbps的下载传输速率。而根据高通日前演示的结果，Snapdragon X50则可在使用两个28mm毫米波通道的情况下，达到1.2Gbps的整体传输速率。

除了基频芯片，高通日前也发表可用于智能型手机与行动终端装置的整合式RF模块。根据其说法，QTM052毫米波天线模块可与Snapdragon X50基频芯片协同作业，在26.5-29.5GHz（n257）、27.5-28.35GHz（n261）以及37-40GHz（n260）频段上支援800MHz的频宽。该模块在设计上，将无线电收发器、电源管理IC、射频前端元件和相控天线阵列功能整合在封装尺寸中，一支智能型手机中最多可容纳4个QTM052模块。

不过，高通也表示，材料、尺寸、工业设计、散热以及辐射功率之监管要求，都是5G毫米波正式商转前，会面临到的挑战。业者必须克服上述问题，才能加速5G毫米波行动装置的商用化。

MIC：5G行动终端装置2021年才会明显成长

纵观5G商用进程，资策会产业情报所（MIC）预测，5G终端将在2018年底陆续推出，然而，首波上市产品将以行动路由器与家用路由器为主；行动装置与智能型手机则会在2019年陆续问世，但要等到2020年各国5G基础建设完备、正式商转后，才会有较明显的出货成长。

资策会MIC资深产业分析师兼产品经理韩文尧表示，5G支援的频段包含4G LTE频段、5G NR sub-6GHz以及5G毫米波三个部分，不同的频段所需的技术不尽相同，因此，若要同时支援三个频段的运作，势必会为终端装置开发带来成本、尺寸、电路设计以及功耗的问题。而他也透露，目前5G毫米波终端原型装置的耗电量仍相当大。

除了技术挑战，毫米波装置在5G商转初期的市场需求不足也是一大问题，业者须设法在频段支援与成本间取得平衡。由于元件用量、天线成本与设计复杂度提升，5G毫米波RF前端成本也将大幅增加。然而，各国初期开放的频段并不全然相同，尽管智能型手机内含高频元件，也只能在部分国家支援5G NR毫米波通讯，市场需求并不高。

韩文尧就各国开放的频段进一步分析，美国与南韩电信商会率先开通5G NR高频频段，因此这两国的终端装置业者较有机会成为首波推出5G毫米波行动装置者。而以中国而言，由于其电信商初期布建着重在sub-6GHz，因此业者在近期推出毫米波行动装置的可能性较低。

而若以整体5G行动装置市场来看，资策会MIC预估2019年5G智能型手机出货量将达420万台，但要到2021年才会有较明显的成长，预估2022年出货量可达3.1亿台。

资策会MIC资深产业分析师兼研究总监李建勋表示，虽然芯片厂与多家Android手机大厂宣布在2019年推出5G行动装置，加上全球最大电信商中国移动也将于2019年初采购5G手机，但除了美国、韩国以及中国，多数电信运营商皆要到2020年才会推出5G商用网络。因此，在5G技术尚未成熟、网络覆盖率未大幅提升之前，出货仍量不会有明显的成长，初期推出的产品可能多属于电信商采购机种。综合上述，5G行动装置市场真正起飞的时间预计会落在2021年后