5G通訊及其未來

ADI 公司無線技術總監Thomas Cameron博士談到了第五代通訊技術的ADI解決方案和開發情況,以及其未來。Cameron博士擁有超過30年的電訊網路技術研發經驗,包括蜂巢式基地台、微波無線電以及電纜系統,以下是他所分享的專業見解。

5G通訊及其未來

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最近發佈的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家行動營運業者宣佈了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利。5G為無線標準奠定了基礎,並將帶領我們走進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,連接也意味著與我們身邊的世界相連。我們正邁入數位轉型時代,屆時,我們每天的生活方式、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信,不受人類互動的影響,並透過密集的互連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,我們更關注頻寬、延遲等新興規範,但5G的基礎之一是靈活性。如果我們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。

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。我們也開始看到利用5G網路架構低延遲特性的用例興起,例如工業自動化。

無線電技術在哪些方面對5G貢獻最大?

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。雖然我們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蜂巢區而提高,但仍然非常需要改進可用頻譜的利用率。近年來興起的大規模MIMO技術可顯著改善頻譜效率。大規模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。而這就為頻率複用引入了一個新的因素,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,進而大幅改善蜂巢的輸送量。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。

圖1.大規模MIMO

大規模MIMO現狀如何?

大規模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大規模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,隨著大規模MIMO技術的演進和3GPP無線標準中新特性的增加,我們預計這種無線電規格會在全球行動網路中普及。

這項技術為工程界帶來哪些挑戰?

在大規模MIMO系統中,我們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)TDD(時分複用)無線電頭端擴展為64T64R系統。雖然大規模MIMO系統能大幅改善基站容量,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,由遠端無線電頭端透過電纜饋送訊號。大規模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。

ADI產品如何支援5G,您針對無線電開發有何最新解決方案?

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。ADI提倡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,如果我們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,如果我們基於可減少和/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。

ADI的整合式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,ADI還提供了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。

ADI的收發器產品系列頗受好評,AD9375 和最近發表的 ADRV9009就是其中幾個例子。2017年,我們發佈了AD9375,它是首款晶片內整合數位預失真(DPD)演算法的RF收發器,專門用於優化小型蜂巢式無線電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"1

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圖2.業界最寬頻寬RF收發器加速2G到5G基地台和相位陣列雷達的開發。

最近,ADI推出業界最寬頻寬RF收發器ADRV9009,以擴展其屢獲殊榮的 RadioVerse 技術和設計生態系統。該收發器為設計人員提供單一無線電平台來加速5G部署,支援2G/3G/4G覆蓋範圍,並簡化相位陣列雷達設計。ADRV9009 RF收發器提供兩倍於前代元件的頻寬(200 MHz),可取代多達20個元件,功耗降低一半,封裝尺寸減小60%。ADRV9009內建LO(本振),支援多晶片相位同步,可實現高性能數位波束成形,同時減小尺寸、重量和功耗。

加速5G發展

RadioVerse技術體現了ADI利用系統級方法為客戶帶來價值。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,我們不僅是供應商,更是客戶的合作夥伴,以協助他們解決最棘手的問題。例如,透過設定和利用我們網站上的RadioVerse生態系統,客戶能夠快速從概念進入原型製作,再到生產。

無論客戶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,RadioVerse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。透過EngineerZone™——一個包括支援論壇、部落客及其他內容的活躍支援社區,設計人員可以與我們的技術專家互動,快速獲得設計問題的答案。

AD9375小型蜂巢式參考設計是RadioVerse生態系統中的又一個很好的例子。圖3中的參考設計包括小型蜂巢無線電所需的所有元件,從SERDES介面到天線。該設計適用於2T2R 250 mW輸出功率/每根天線的室內小型蜂巢。所有無線電元件均為板載元件,包括帶DPD的AD9375、高效率PA、LNA、濾波器和電源解決方案。功耗小於10 W且尺寸小巧,手持非常方便舒適。只需一個12 V電源即可為電路板供電,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。

圖3.參考設計

關於5G的商業現實及其採用和發展

2017年年底,3GPP發佈了首項5G NR規範(第15版)。雖然該非獨立規範是實現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。最近,3GPP宣佈完成了又一個里程碑——5G NR獨立規範制定完畢,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。我們預計,隨著技術逐漸成熟,在許多地區,5G大規模MIMO將利用中頻段,接著是毫米波部署。在任何部署情況下,無論低頻段、中頻段還是毫米波,ADI都能為我們的客戶提供強大且不斷發展的技術組合,使其能夠在5G中超越一切可能。

參考文獻

1 "ADI公司擴充RadioVerse無線技術和設計生態系統, 為4G到5G遷移奠定基礎。"ADI公司,2017年6月。

Author

Thomas Cameron

Thomas Cameron

Dr. Thomas Cameron is the Director of Wireless Technology at Analog Devices. In this role he contributes to industry leading innovation in integrated circuits for cellular basestation systems. He is currently working on the research and development of radio technology for 5G systems in both cellular and mmwave frequency bands. Prior to his current role at Analog Devices he was Director of Systems Engineering for the Communications Business Unit.

Dr. Cameron has over 30 years of experience in research and development of technology for telecom networks including cellular basestations, microwave radios and cable systems. Prior to joining Analog Devices in 2006, he led the development of a broad range of RF systems and technologies at Bell Northern Research, Nortel, Sirenza Microdevices and WJ Communications.

Dr. Cameron holds a Ph.D. in Electrical Engineering from the Georgia Institute of Technology. He has 7 patents in wireless technology and has authored numerous technical papers and articles.