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在新冠疫情中升温的5G基地台电子元件商机
高频高速与Massive MIMO技术

【作者: 籃貫銘】2020年06月02日 星期二

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在全球新冠肺炎(COVID-19)疫情升温之际,欧美多数国家皆采取了封城与出入管制的措施,许多的工厂与经济活动直接停摆,也造成百业几近萧条的局面。但在此之际,5G建设却逆势成长,成为疫情之下最受注目的发展。


此次的新冠病毒可说彻底的改变了人与人互动的行为,各种商业与制造生产的活动,都被迫以新的形态进行,而首当其冲的,就是人们每日上班上课的需要。也因此,远距离的作业模式变成了产业界的新标准,而其背後所需的,就是更大的频宽与更加灵活的网路技术服务,5G就是这些需求的解答。


也因此,即使在疫情紧张的情况下,全球各地的5G建设仍持续地进行,甚至还加速了进度,中国是其中最大的发动者。目前中国政府已启动了5G二期标案测试采购,甚至下达了「推动5G加快发展的通知」,全力加速5G基础建设的脚步。包含中国移动与中国联通,相继宣布将在今年各自布建20万个5G基地台。



图一 : 新冠病毒疫情大幅加速了5G发展的进度,先前所预测的发展进程,都将因此而缩短数月有馀。(source:3GPP)
图一 : 新冠病毒疫情大幅加速了5G发展的进度,先前所预测的发展进程,都将因此而缩短数月有馀。(source:3GPP)

而受到5G基础建设的拉抬与终端消费者市场的推动,全球高速网路相关的元件、设备与数位内容市场都将会呈现大量的成长。国际光学元件市场研究机构LightCounting就指出,2020~2021年的新冠肺炎大流行,将导致「数位经济」趋势的加速发展。


采Massive MIMO技术 基地台RF元件改朝换代

5G要实际运转的第一步,当然是5G基地台的布建。然而,5G网路的技术架构与4G并不相同,因此其核心网路与基地台的系统也不尽相同。就技术应用来看,5G为了实现高频宽、低延迟与大连结的目标,其天线模组采用了全新的设计。


首先,由於上述的需求,5G基地台将导入Massive MIMO的技术,而其天线的阵列数将大幅增加,通道数也会大幅提高(较4G增加8倍),也因此会把处理射频的远端射频模组RRU(Remote Radio Unit),以及相关的连接线路整合成一个天线模组,称为AAU(Active Antenna Unit)的主动天线模组。


而由於天线与阵列性能的提升,其模组内的电子元件的架构与设计也会随之不同,不仅规格需要提升,搭载的数量也会大幅增加,包括功率放大器(PA)、低杂讯放大器(LNA)、滤波器(Filter)等通讯应用元件将会有庞大的需求。而依据资料显示,以天线阵列模组为例,5G基地台所使用的RF元件数量,将会是过去的数倍之多。


此外,虽然各项元件的应用数量增加,但这并不意味着体积也可以同时放大,相对的,反而是要在有限的体积内进行设计,也因此更先进的元件微型化与整合式设计,就成了5G晶片供应商的必备条件,其不仅要具备高质量,同时晶片的体积也要小。


高频高速 逻辑运算系统也需大升级

5G本质上是高速传输的应用,这意味着庞大的数据和资料需要被运算与传递,而对基地台来说,更高阶的逻辑与储存元件也是必备的要求。


在处理器方面,针对5G基地台应用特性来开发专用的产品已成显学,例如中国的海思半导体,就推出了一款专用的「天殍」晶片,提供给华为用於5G基地台的开发。处理器大厂英特尔,也在日前发表了5G基地台专用的「Atom P5900」单晶片,用以因应5G高频宽低延迟的需求。而这些晶片都是采用最高等级的制程生产,足见5G的商用潜力庞大。



图二 : 由於使用了Massive MIMO的技术,5G基地台就要把RRU和天线模组整成主动式天线模组AAU(Active Antenna Unit)的形式。
图二 : 由於使用了Massive MIMO的技术,5G基地台就要把RRU和天线模组整成主动式天线模组AAU(Active Antenna Unit)的形式。

在记忆体方面,同样在高频宽低延迟的场景下,5G基地台应用的记忆体在读取的速度与稳定度方面也无法妥协,也因此具备较隹读取速度的NOR Flash记忆体,就成为5G基地台的首选。然而5G基地台的频宽大,数据传输量也大,所以需要的记忆体容量和密度也要大,一般而言,至少是从1GB起跳。而目前市场上能够供应如此大容量的NOR Flash的业者并不多,引此呈现供不应求的局面,近期台湾的旺宏的产能全满就是最好的例子。


电源元件与散热系统是运行稳定性的关键

高速高频(RF讯号频宽须达1GHz),往往也代表着高功耗,而5G基地台就是这麽一回事。以目前的设计来看,一个5G基地台的电耗较4G高上约3倍,需要的基本功率从数十增加到数百瓦特,因此其电源元件的性能与数量要求也较4G为严峻,各种电源控制器、升压转换器、功率控制器等,都将是5G基地台的关键零组件。此外,由於高压高频的应用特性,非常考验元件的稳度定与耐用度,於是使用氮化??(GaN)和碳化矽(SiC)材料的功率元件,则成为5G设备采用的首选。


另一方面,高功率通常也会伴随着高运行温度,也因此散热元件的使用与设计,在5G基地台也扮演着重要的角色。尤其是5G基地台的电路设计更加紧凑,散热系统的设计难度也将更高,如何在有限的空间内,建置高效能的散热系统,以排出更多的热能,直接影响了5G基地台的运行稳定度。


5G基地台虽然有高频宽与低延迟的优势,但因所使用的无线技术特性,因此传送的距离较短,覆盖的距离也较小,而为了弥补这个弱项,5G就必须要建置更多的基地台。再者,5G的系统容量高,较4G有1000倍之多,也因此提高网路密度,也是基础建设部署的方向。


在这两个前提之下,5G基地台的数量就会比4G多上许多,不仅是传统的大型基地台的形式,在城市中也会有更多的公共设施整合5G基地台的功能,例如红绿灯和路灯等。再者,为了增加系统容量,5G小型基地台(Small Cell)的使用也会大幅的增加,预料再接下来的3~5年内,这种小型5G基地台的数量将为成长数倍。


而一个完整的网路构成,当然不只会有天空的无线部分,地下光纤网路的部分,更是要率先完成,才能够把错落在各个区域间的站点完美串接。尤其5G世代的传输速度高达1Gbps,超高速的光纤骨干就得要先行布建,因此相关的光通讯设备有将会有大幅的需求,包含GPON和EPON等光通讯设备、光收发模组、电缆线等,也会有庞大的需求。


结语

此番新冠病毒疫情,已大幅加速了5G发展的进度,先前所预测的发展进程,都将因此而缩短数月有馀,尤其是今年下半年之後,加速的力道将会更加明显,并一路持续到2021年。


在此期间,5G基地台将会是最主要的推进项目。由於5G使用新的无线技术,5G基地台的RF元件的数量与性能,也需要大幅提升,而高频宽与高功率的特性,也需要使用更高效能的运算和电源管理系统。在全方位的功能提升的前提之下,将大幅带动相关电子元件的市场。


而在5G 基础建设的提前布建完之後,更庞大的5G终端市场也将随之而来,电子元件厂又可??迎来新的一波成长契机。


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