5G颠覆RF设计想像 技术层次大跃升

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5G将带来截然不同的无线射频(RF)设计风貌。今年NIWeek活动中，各国产官学研皆与美商国家仪器(NI)合作，投入5G网路架构原型设计(Prototyping)，为达到1GHz以上可用频宽及100Gbit/s传输速率等5G基本条件，初步技术共通点皆采用前所未见的30GHz以上毫米波频段、天线阵列、大规模多重输入多重输出(MassiveMIMO)及波束控制(Beamsteering)方案，完全颠覆现有RF设计思维。
         
        美商国家仪器资深经理DavidHall认为，5G将为整个RF元件、系统设计和量测产业带来极大的变革。
         
        美商国家仪器资深经理DavidHall表示，行动通讯技术从2G一路演进至4G，均使用6GHz以下频段；然而，随着行动资料量爆炸式成长，加上物联网(IoT)应用激增，下一代5G标准正面临现有频谱资源和无线RF架构，与实际所需频宽及传输速率需求落差甚大的发展压力；因此，包括北美、欧盟、日本、韩国及中国大陆产官学研各界，皆将目光转投至30GHz以上毫米波(MillimeterWave)频段，以解决目前行动通讯频谱，必须与各种WLAN技术共享而导致资源匮乏的问题。
         
        然而，Hall坦言，尽管超高频毫米波频段如同一片净土，可轻松取得1～2GHz频宽，但基于其物理特性，讯号随距离增加而衰减的情形严重，如60GHz讯号每公尺至少衰弱20dB，再加上高频元件开发和测试成本相对昂贵，目前大多局限于气象、军方雷达等特殊应用；对广域行动通讯技术发展而言，毫米波频段系截然不同的境界，因此业界在迈入5G世代之际，势将引发一连串无线RF技术及网路架构设计革命。
         
        其中，天线阵列、MassiveMIMO和波束控制等新兴RF天线技术，以及微型基地台(SmallCell)，几乎已成为5G网路必要元素。包括诺基亚通讯(NSN)、NYUWIRELESS、三星(Samsung)、NTTDOCOMO及全球通讯标准组织、学术机构皆倾力投入研究，期大幅扩充基地台资料吞吐量，并能以波束控制技术，集中控制天线阵列的讯号发射方向以提高传输效率，同时利用大量部署的SmallCell做为网路中继站，以延展毫米波讯号传输距离，达成更高的讯号覆盖率。
         
        Hall进一步分析，由于5G相关技术皆基于大规模天线和节点控制，因此在网路原型设计阶段，研究机构须透过具备高运算效能、可编程软体控制，以及时序(Timing)和同步(Synchronization)精准度达10-10～10-12秒等级的仪器，才能进行验证。这也是目前全球正进行5G研究的实验室，皆相继导入美商国家仪器LabVIEM加PXI自动化测试平台的主因，其中，NSN、三星和NYUWIRELESS更已在今年NIWeek活动中发表多项研究成果，在在显示美商国家仪器在5G测试的技术领先地位。
         
        现阶段，各国皆马不停蹄投入32GHz、38GHz或60GHz以上频段的5G网路架构原型设计，期加速验证技术可行性，以抢先掌握未来5G标准核心专利。因此，Hall透露，该公司在NIWeek活动中，发布新款频宽高达765MHz，并支援至26.5GHz频率的RF讯号分析仪，就是针对5G高规格测试需求所做的重要布局，这一步可望让美商国家仪器在当前5G网路原型设计案百花齐放之际，抢先卡位市场，并收集大量研究资料，以缩短未来开发5G行动装置量产端测试设备的技术学习曲线。