2018年是5G標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)研發(fā)以及產(chǎn)業(yè)成熟關(guān)鍵的一年，也是5G走出實(shí)驗(yàn)室，大舉面向商業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)的起點(diǎn)。5G R15規(guī)范逐步走向完善，如何強(qiáng)化端到端傳輸效能成為產(chǎn)業(yè)熱門議題。而為克服5GNR所帶來的技術(shù)難題，芯片與天線設(shè)計(jì)大廠也紛紛推出解決方案應(yīng)戰(zhàn)。

5G R15標(biāo)準(zhǔn)確定后，5G也朝正式商用化更邁進(jìn)一步。而在各國陸續(xù)展開頻譜拍賣、指配后，電信商也紛紛喊出2019年或2020年5G行動(dòng)服務(wù)商用化的愿景。不過，5G不論是在組網(wǎng)方式還是使用的頻段，都比歷代行動(dòng)通訊來得復(fù)雜。其中，5G NR高頻毫米波的技術(shù)特性，更為基地臺(tái)與行動(dòng)裝置設(shè)計(jì)帶來許多挑戰(zhàn)。為此，設(shè)備與芯片廠商也持續(xù)推出解決方案，希望能加速促成5G商用行動(dòng)服務(wù)開通。

現(xiàn)階段5G焦點(diǎn)主要集中在增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶eMBB應(yīng)用情境討論，希望能朝更高網(wǎng)絡(luò)容量與更高傳輸速率發(fā)展。而要增加蜂巢式基地臺(tái)容量可透過三大措施實(shí)現(xiàn)，包括獲得新頻譜、提高基地臺(tái)密度和改善頻譜效率。對(duì)此，ADI通訊基礎(chǔ)設(shè)施業(yè)務(wù)部中國區(qū)策略市場經(jīng)理解勇表示，雖然可見新的頻譜持續(xù)增加、網(wǎng)絡(luò)密度不斷提高，但提升頻譜效率仍相當(dāng)重要。

目前Massive MIMO已被證實(shí)能夠使行動(dòng)資料傳輸量提高3至5倍，且未來有望持續(xù)提升。而各國電信營運(yùn)商也紛紛展開5G Massive MIMO測試，預(yù)計(jì)在2019年至2020年開始在部分地區(qū)進(jìn)行5G商業(yè)部署。而在eMBB逐漸完備后，解勇認(rèn)為，高頻毫米波技術(shù)及超高可靠度和低延遲通訊URLLC應(yīng)用情境將成為下一波產(chǎn)業(yè)聚焦熱點(diǎn)。

波束成形/主動(dòng)式天線克服毫米波物理限制

毫米波為極短波長且極高頻率的載波通訊，是除了多天線、多工調(diào)變方法之外，另一個(gè)能直接大幅提升資料傳輸速率的途徑。然而，毫米波技術(shù)也面臨到傳輸路徑損耗、集膚效應(yīng)等物理特性所帶來的限制，造成通訊距離短、覆蓋范圍小、易受干擾且易被人體及建筑遮蔽等問題，因此必須透過波束成形Beam Forming、Massive MIMO陣列天線等技術(shù)加以解決。

波束成形技術(shù)可將多個(gè)訊號(hào)集中并指向特定方向，以克服毫米波耗損的問題并提升訊號(hào)傳遞的距離。而波束成形的運(yùn)作還必須藉由相位陣列天線來控制、調(diào)整波束的方向，才能形成指向性波束。

而為避免方向偏差影響用戶端的訊號(hào)接收，基地臺(tái)天線還須加入波束追蹤技術(shù)，快速移動(dòng)、掃描以隨時(shí)偵測用戶位置。而為支援此技術(shù)，未來5G基站天線將采主動(dòng)式、智能型天線設(shè)計(jì)。

某主流設(shè)備商臺(tái)港澳業(yè)務(wù)銷售總監(jiān)鄭志中進(jìn)一步說明，主動(dòng)式陣列天線能確保訊號(hào)的穩(wěn)定性，但以5G時(shí)代一個(gè)基地臺(tái)至少須處理64個(gè)發(fā)射機(jī)(TRx)的情況而言，可預(yù)見主動(dòng)式陣列天線將會(huì)為基地臺(tái)帶來龐大的運(yùn)算負(fù)載，使得基地臺(tái)的處理效能與功耗成為重要的課題。為此，該設(shè)備商也著手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，希望能將人工智能（AI）技術(shù)引入5G基站，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法提升運(yùn)算效能，并進(jìn)一步預(yù)測用戶移動(dòng)的路徑，藉之分擔(dān)主動(dòng)式天線所帶來的運(yùn)算負(fù)載，提升基地臺(tái)的運(yùn)作效能。

而在終端裝置的天線設(shè)計(jì)上，毫米波波束也可能受到手握手機(jī)的方式、系統(tǒng)的材質(zhì)（如玻璃、陶瓷、金屬元件、機(jī)構(gòu)件）影響，被物質(zhì)吸收、反射或是偏移本來應(yīng)該輻射的角度。對(duì)此，Qorvo產(chǎn)品營銷經(jīng)理陳慶鴻指出，目前業(yè)界常見的解決方案包括導(dǎo)入多根毫米波天線陣列模塊，或透過擺放方式、多極化多頻段設(shè)計(jì)，來降低這些外在影響。

5G RF前端朝模塊/IC發(fā)展

5G Massive MIMO陣列天線系統(tǒng)，使之對(duì)于射頻元件的整合度、頻寬與成本具更高的要求。此外，5G頻段包含6GHz以下的低頻頻段與高頻毫米波頻段，支援的頻段比4G LTE多且復(fù)雜，因此，若要達(dá)到5G RF性能指標(biāo)要求，將為相關(guān)RF元件制程與電路設(shè)計(jì)帶來更大的挑戰(zhàn)。

LTE技術(shù)演進(jìn)掀起RF前端模塊市場第一波熱潮，不過市調(diào)機(jī)構(gòu)Yole指出，2017年底5G NR非獨(dú)立（NSA）標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)，才是驅(qū)動(dòng)RF前端市場大幅成長的主因。5G NR NSA在架構(gòu)上采用4G/5G聯(lián)合組網(wǎng)，并引入“雙連接”技術(shù)確保設(shè)備能同時(shí)使用兩個(gè)基地臺(tái)的無線資源，也促使RF前端設(shè)計(jì)復(fù)雜度以及元件需求向上提升。根據(jù)Yole發(fā)布的報(bào)告，RF前端模塊市場2023年產(chǎn)值達(dá)352億美元，2017-2023年復(fù)合增長率為14%。

以往RF前端多采用離散式元件，透過印刷電路板PCB上的RF走線連接收發(fā)器、功率放大器、低噪聲放大器及濾波器等主被動(dòng)元件。不過，隨著RF元件用量的提升，陳慶鴻表示，目前4G高階手機(jī)RF元件模塊化已是必然的趨勢，而5G將更進(jìn)一步加速元件整合的趨勢。其中，模塊的型式包括封裝、低損耗板材SMT、軟板SMT等，但不論采用何種方式都必須解決IC熱集中、高功率消耗的問題。

Anokiwave亞太地區(qū)銷售總監(jiān)張肇強(qiáng)進(jìn)一步說明，5G毫米波信號(hào)易耗損、受干擾，為降低信號(hào)在PCB傳遞過程中的耗損，須將RF元件與天線整合以縮短RF走線，理想的做法是將RF元件置于天線基板的背面。然而，除了面臨到RF元件用量大幅增加的問題，隨著訊號(hào)頻率變高、波長變短，天線尺寸及每個(gè)天線間的距離都會(huì)大幅縮小，而離散式RF元件的尺寸較大，因此難以直接將之整合在天線基板上。

由于上述問題，也使得5G毫米波RF元件整合成為必然的趨勢，而目前市面也已有業(yè)者利用IC或模塊的形式將RF元件整合在同一封裝。對(duì)此，張肇強(qiáng)表示，該公司看好CMOS制程的成熟度、高整合性以及生產(chǎn)成本等優(yōu)勢，因此采用硅基的CMOS制程來生產(chǎn)毫米波RF前端IC，并將之與天線整合成模塊，以解決訊號(hào)傳輸耗損問題。

RF模塊封裝須考量散熱問題

Massive MIMO技術(shù)的導(dǎo)入使得5G基站與終端裝置的天線數(shù)量皆增加，散熱問題因而成為RF元件與天線設(shè)計(jì)上的另一項(xiàng)挑戰(zhàn)，業(yè)者須在確保RF性能的同時(shí)，兼顧熱管理與成本問題。對(duì)此，張肇強(qiáng)解釋，雖然過去毫米波雷達(dá)與波束成形技術(shù)已被運(yùn)用在軍事上，但對(duì)于軍事應(yīng)用來說，尺寸與成本都并非設(shè)計(jì)上的首要考量，因此若要運(yùn)用相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)商用基地臺(tái)，除了要克服尺寸問題，基地臺(tái)散熱所帶來的龐大成本也是一大挑戰(zhàn)。

為此，Anokiwave嘗試從封裝來改善散熱問題，其第一代毫米波RF前端IC采用QFN封裝技術(shù)，但考量塑膠封裝散熱效果較差，因此第二代產(chǎn)品改采晶圓級(jí)晶粒尺寸封裝（WLCSP），在改善散熱問題的同時(shí)也能進(jìn)一步縮小封裝體積。

同樣考量到塑膠封裝所產(chǎn)生的散熱問題，Qorvo日前推出39GHz的雙通道RF前端模塊也針對(duì)塑膠封裝提出相關(guān)對(duì)策。Qorvo指出，由于該款RF前端模塊采用GaN制程，而GaN功率密度比GaAs高出2至3倍，因此在封裝設(shè)計(jì)上面臨更棘手的散熱問題。為此，該公司在GaN RF前端模塊封裝基座內(nèi)加置均熱器，在確保產(chǎn)品成本競爭力的前提下，提升塑膠封裝的熱管理效能。

天線隔離度/線性度克服IMD干擾問題

5G組網(wǎng)方式分為獨(dú)立（SA）與NSA兩種，其中，NSA主要是透過LTE發(fā)送控制訊號(hào)，而SA則是透過5G NR發(fā)送控制訊號(hào)。就目前各國電信商布局看來，除了中國移動(dòng)有意直接部署5G SA網(wǎng)絡(luò)，多數(shù)國家在初期仍會(huì)以NSA網(wǎng)絡(luò)部署為主，因此兼容各標(biāo)準(zhǔn)、架構(gòu)的解決方案也更顯重要。

針對(duì)組網(wǎng)方式對(duì)于天線設(shè)計(jì)的影響，陳慶鴻進(jìn)一步說明，NSA的組網(wǎng)架構(gòu)，無論是在1T4R或是2T4R的設(shè)計(jì)上，整體核心網(wǎng)絡(luò)仍需要4G LTE做為控制通道，5G NR只提供高速的數(shù)據(jù)傳輸，因此NSA的架構(gòu)下，會(huì)發(fā)生4G LTE與5G NR同時(shí)發(fā)射的應(yīng)用場景，在RF前端設(shè)計(jì)須留意互調(diào)失真（IMD）產(chǎn)生的干擾問題。而SA組網(wǎng)架構(gòu)，雖然不需要4G LTE做為控制通道，但在2T4R的設(shè)計(jì)上，仍須注意IMD帶來的干擾問題。

面對(duì)NSA的架構(gòu)下會(huì)發(fā)生4G LTE與5G NR同時(shí)發(fā)射的應(yīng)用場景，陳慶鴻建議裝置端的天線采分天線的設(shè)計(jì)方式，即4G LTE與5G NR的發(fā)射分別位于不同的天線上，利用天線間的隔離度，加上選用線性度較好的元件，來減少IMD對(duì)于系統(tǒng)干擾的影響。而他也指出，SA在1T4R的設(shè)計(jì)底下，除了可以節(jié)省一套R(shí)F發(fā)射元件之外，也無須面對(duì)IMD的干擾問題，對(duì)于終端裝置的RF前端成本考量是一大優(yōu)勢，搭配成熟的天線調(diào)諧開關(guān)元件，可突破多頻且寬帶的天線在全面屏行動(dòng)終端產(chǎn)品上的挑戰(zhàn)。

基頻芯片廠搶奪商用化先機(jī)

要實(shí)現(xiàn)5G行動(dòng)服務(wù)商用化，除了克服基地臺(tái)與終端的RF前端與天線設(shè)計(jì)問題，基頻芯片亦是關(guān)鍵。為加速5G商轉(zhuǎn)，高通、三星以及Intel等芯片大廠也陸續(xù)發(fā)表5G基頻芯片，并紛紛展開通話測試。如高通日前與愛立信共同宣布，利用搭載Snapdragon X50芯片之智能型手機(jī)尺寸的測試裝置上，在39GHz頻段完成符合3GPP R15規(guī)范的5G NR通話；而三星也表示，其已利用搭載Exynos Modem 5100的終端原型裝置以及5G基地臺(tái)，完成5G NR數(shù)據(jù)通話無線傳輸（OTA）測試。

據(jù)悉，三星推出的基頻芯片在sub-6GHz頻段最高下載傳輸速率可達(dá)2Gbps，在毫米波頻段則可達(dá)6Gbps的下載傳輸速率。相較于先前的版本，Exynos Modem 5100在以上兩個(gè)頻段的傳輸速率分別是前代的1.7倍及5倍。此外，該款基頻芯片在4G網(wǎng)絡(luò)中亦能達(dá)到1.6Gbps的下載傳輸速率。而根據(jù)高通日前演示的結(jié)果，Snapdragon X50則可在使用兩個(gè)28mm毫米波通道的情況下，達(dá)到1.2Gbps的整體傳輸速率。

除了基頻芯片，高通日前也發(fā)表可用于智能型手機(jī)與行動(dòng)終端裝置的整合式RF模塊。根據(jù)其說法，QTM052毫米波天線模塊可與Snapdragon X50基頻芯片協(xié)同作業(yè)，在26.5-29.5GHz（n257）、27.5-28.35GHz（n261）以及37-40GHz（n260）頻段上支援800MHz的頻寬。該模塊在設(shè)計(jì)上，將無線電收發(fā)器、電源管理IC、射頻前端元件和相控天線陣列功能整合在封裝尺寸中，一支智能型手機(jī)中最多可容納4個(gè)QTM052模塊。

不過，高通也表示，材料、尺寸、工業(yè)設(shè)計(jì)、散熱以及輻射功率之監(jiān)管要求，都是5G毫米波正式商轉(zhuǎn)前，會(huì)面臨到的挑戰(zhàn)。業(yè)者必須克服上述問題，才能加速5G毫米波行動(dòng)裝置的商用化。

MIC：5G行動(dòng)終端裝置2021年才會(huì)明顯成長

縱觀5G商用進(jìn)程，資策會(huì)產(chǎn)業(yè)情報(bào)所（MIC）預(yù)測，5G終端將在2018年底陸續(xù)推出，然而，首波上市產(chǎn)品將以行動(dòng)路由器與家用路由器為主；行動(dòng)裝置與智能型手機(jī)則會(huì)在2019年陸續(xù)問世，但要等到2020年各國5G基礎(chǔ)建設(shè)完備、正式商轉(zhuǎn)后，才會(huì)有較明顯的出貨成長。

資策會(huì)MIC資深產(chǎn)業(yè)分析師兼產(chǎn)品經(jīng)理韓文堯表示，5G支援的頻段包含4G LTE頻段、5G NR sub-6GHz以及5G毫米波三個(gè)部分，不同的頻段所需的技術(shù)不盡相同，因此，若要同時(shí)支援三個(gè)頻段的運(yùn)作，勢必會(huì)為終端裝置開發(fā)帶來成本、尺寸、電路設(shè)計(jì)以及功耗的問題。而他也透露，目前5G毫米波終端原型裝置的耗電量仍相當(dāng)大。

除了技術(shù)挑戰(zhàn)，毫米波裝置在5G商轉(zhuǎn)初期的市場需求不足也是一大問題，業(yè)者須設(shè)法在頻段支援與成本間取得平衡。由于元件用量、天線成本與設(shè)計(jì)復(fù)雜度提升，5G毫米波RF前端成本也將大幅增加。然而，各國初期開放的頻段并不全然相同，盡管智能型手機(jī)內(nèi)含高頻元件，也只能在部分國家支援5G NR毫米波通訊，市場需求并不高。

韓文堯就各國開放的頻段進(jìn)一步分析，美國與南韓電信商會(huì)率先開通5G NR高頻頻段，因此這兩國的終端裝置業(yè)者較有機(jī)會(huì)成為首波推出5G毫米波行動(dòng)裝置者。而以中國而言，由于其電信商初期布建著重在sub-6GHz，因此業(yè)者在近期推出毫米波行動(dòng)裝置的可能性較低。

而若以整體5G行動(dòng)裝置市場來看，資策會(huì)MIC預(yù)估2019年5G智能型手機(jī)出貨量將達(dá)420萬臺(tái)，但要到2021年才會(huì)有較明顯的成長，預(yù)估2022年出貨量可達(dá)3.1億臺(tái)。

資策會(huì)MIC資深產(chǎn)業(yè)分析師兼研究總監(jiān)李建勛表示，雖然芯片廠與多家Android手機(jī)大廠宣布在2019年推出5G行動(dòng)裝置，加上全球最大電信商中國移動(dòng)也將于2019年初采購5G手機(jī)，但除了美國、韓國以及中國，多數(shù)電信運(yùn)營商皆要到2020年才會(huì)推出5G商用網(wǎng)絡(luò)。因此，在5G技術(shù)尚未成熟、網(wǎng)絡(luò)覆蓋率未大幅提升之前，出貨仍量不會(huì)有明顯的成長，初期推出的產(chǎn)品可能多屬于電信商采購機(jī)種。綜合上述，5G行動(dòng)裝置市場真正起飛的時(shí)間預(yù)計(jì)會(huì)落在2021年后