無線通訊簡史——我們是如何邁向 5G 的
每十年都會帶來大量技術變革，而無線技術逾五十年的變革所產生的累積效應，更因其徹底改變了我們的溝通方式而值得關注。
- 80年代隨著第一代行動通訊系統的推出，開啟了個人電腦的時代
- 90年代，隨著2G網路的普及，64位元微處理器架構開始應用於消費性電子產品
- 2000年代見證了第一代 iPhone 的問世以及 3G 網路的推出
- 2010年代是智慧型手機開始採用 64 位元架構的時期，同時也迎來了 4G 網路的普及以及數位轉型策略的啟動
- 2020年代隨著5G的部署，在全球疫情期間迎來了運算技術的復興，其中包括毫米波技術的應用
- 2030年代很可能是 6G 開始部署的時期
在全球人口達 80 億之際，半導體產業目前每年生產約 15 億支智慧型手機，這實屬驚人；而全球供應鏈也持續以令人印象深刻的步調不斷演進。正如這股演進趨勢所顯示的，推動變革的主要關鍵在於數位與無線技術的融合，兩者無縫協作以實現更廣泛的共同利益：隨時隨地獲取資訊。
5G 獨特功能的概述
全球5GNR（新無線電）的部署工作正穩步推進，與 4G 相比，它將提供速度更快、反應更靈敏的行動體驗。向 5G 的遷移包含一種新的無線電存取技術（RAT），該技術採用了新的頻率範圍劃分：
- FR1 佔用 410 MHz 至 7125 MHz 的頻段
- FR2-1 佔用 24.25 GHz – 52.6 GHz 頻段（第 15 版）
- FR2-2 佔用 52.6 GHz 至 71 GHz 的頻段（第 17 版）
是的，5G 首次與毫米波技術的部署畫上等號。推動毫米波技術的動機在於提供下一代使用者體驗（透過傳統行動網路）。這些體驗包括在人口密集、行動網路品質長期不佳的地區，實現 1 Gbps 的下載速度。例如，許多場館（包括體育場）將部署毫米波技術，以創造更沉浸式的體驗。 此外，像交通樞紐（機場）這樣的密集市區將擁有反應更靈敏的連線。展望未來，我們很可能看到其應用於固定無線接入（最後一哩）、企業室內網路（私有網路）以及其他工業物聯網應用。所有這些應用的共同點，是在更密集的環境中提供更快、反應更靈敏的行動體驗。
更高頻率與更寬頻寬的結合，正是實現極高資料傳輸速率的關鍵。作為參考，6 GHz 訊號（在 FR1 頻段）的波長約為 50 毫米。 在 39 GHz（FR2-1 頻段）下，波長縮短至 7.7 毫米。接著在 60 GHz 時，波長僅有 5.0 毫米（相當於 FR1 波長的1/10）。如這些數據所示，毫米波的發射與接收技術得以採用更緊湊的天線，幾乎可安裝於任何位置。
目前並非所有 5G 智慧型手機都具備毫米波（mmWave）連線功能。5G 部署中存在一種「經濟型」方案，該方案提供 5G 的所有優勢，唯獨不包含毫米波。此經濟型方案僅支援 FR1 頻段。相較之下，當今的 5G 旗艦智慧型手機則同時支援 FR1 與 FR2-1 頻段。在此模組化架構下，FR1 功能將成為未來經濟型與高階 5G 智慧型手機上市的基礎。 經濟型與高階型手機的最終組合比例將取決於未來毫米波技術的採用情況，但當今所有主要旗艦智慧型手機均已支援毫米波。因此，隨著毫米波技術的普及，這些獨特的無線功能已開始在當今部分手機型號中實現。
這些獨特無線功能的關鍵驅動因素為何？雖然以下並非詳盡清單，但推動這場無線變革的關鍵 5G 驅動因素，在於大規模多輸入多輸出（MIMO）與進階波束成形技術。要在整個半導體生態系統中駕馭這些無線技術的複雜性，是一項艱鉅的任務。
天線、MIMO、波束成形與 5G 中間頻段
除了毫米波頻譜具備寬廣的頻寬外，相較於第一代頻段（FR1），此波段的天線體積更為精巧，因此現在能夠將大量天線封裝於狹小空間內，藉此提升增益並實現波束成形。實際上，MIMO 技術透過有效引導智慧型手機與基地台之間的毫米波訊號，實現了連線功能（並提升了連線品質）。 此外，若這還不夠複雜，MIMO 技術還能讓多位使用者同時共享相同資源（MU-MIMO）。
在 5G 智慧型手機內部，這些 MIMO 天線結構部署於機身周圍，以實現與網路之間最佳的視距（LOS）連接。 訊號傳輸接著透過中頻（5G-IF）機制，在這些天線結構與數據機之間建立連接。藉此，5G智慧型手機內便能實現從天線到位元的完整連接，用於發射與接收作業——若考量到所有這些技術如何無縫協作，以創造出更快且反應更靈敏的連線，這無疑是一項工程奇蹟。
5G 的財務影響
標準雖能涵蓋 5G 的複雜性，但這僅是解決方案的一半。另一半關鍵在於將這項創新付諸實踐的商業化過程。在 5G 智慧型手機內部，物料清單（BOM）將需要新增兩項元件，以支援毫米波連結：
- 支援毫米波連線的封裝內天線（AiP）裝置（每支智慧型手機配備 3 組）
- 可擴展以支援 5G-IF 與 AiP 裝置間連線的數據機功能
這些新增元件會帶來額外成本，因為上一代智慧型手機的架構並未包含這些元件。此外，商業化工作還包括開發與建置一套能夠支援大量出貨的毫米波供應鏈。
商業化過程還必須克服將這項新技術推向市場所面臨的財務障礙。風險在於，若定價過高，將導致採用速度放緩。另一方面，透過新服務獲取溢價以及提高投資回報率的潛力，也將影響定價策略。因此，毫米波技術供應商必須找到一個平衡點，使整個半導體生態系統都能受惠，包括投資界以及最終購買終端產品的消費者。
AiP 裝置，整合 RFIC 的封裝天線
這款專為消費性產品中的波束成形技術所設計的 AiP 裝置，是一個完全整合的模組，內含功率放大器、低噪聲放大器、開關、收發器、濾波器以及獨立天線。總而言之，AiP 裝置提供毫米波頻段的射頻前端（RFFE）功能，供 5G 架構使用。 該封裝通常被視為一種系統級封裝（SiP），這意味著它同時涵蓋了異質整合技術。事實上，AiP 裝置堪稱工程奇蹟，尤其在先進封裝技術的背景下更是如此。而其商業化則需要新的組裝與測試方法，這些方法正不斷演進，並逐漸納入空中（OTA）測試技術。
5G-IF 訊號分配機制
5G 智慧型手機的核心在於將射頻（RF）轉換為位元的收發器與數據機功能。隨著毫米波技術的加入，這項核心功能必須進化，以處理與 AiP 裝置之間的訊號分配連結。訊號分配通常落在 10-20 GHz 頻段，這對測試工作產生影響，具體而言，其測試覆蓋範圍的成本比僅限 FR1 的情況更高。
5G 帶來的經濟挑戰
這一切工程上的複雜性都伴隨著財務成本，而這部分成本在測試環節中也必須加以控制。縮短測試時間以及與供應商就物料清單進行協商，並非足夠的策略，特別是在當今這個時代。相反地，制定路線圖並向更高站點密度過渡，才是持續追求成本削減的經實踐驗證的途徑。 話雖如此，隨著 5G 的部署，測試領域也正經歷一場小規模的復興，這體現於透過生態系統進行測試的射頻 (RF) 裝置數量將倍增。不僅是 FR1 的裝置，還包括 FR2-1、FR2-2 以及更後續的頻段。正如這些裝置一樣，測試與量測產業也在不斷演進，以創新與經濟效益雙重層面來應對新興的複雜性。
值得一提的是，泰瑞達（Teradyne）是當今射頻收發器測試標準的先驅，該標準以 x8 測試位點為核心。此外，泰瑞達持續推動開創性的努力，這片前沿領域包含將新興毫米波技術商業化的解決方案。在撰寫本文之際，我們正開始推出 x16 測試位點密度，這將成為射頻與毫米波收發器測試領域的全新標準，並將於 UltraFLEXplus上推出 x16 測試站密度，這將成為 RF 與毫米波收發器測試的新標準。至於新興的 AiP 裝置，我們更以達成 x8 測試站密度為榮，這已成為並行 OTA 測試的新標準。
接下來會如何？一窺 6G 的部署現況
正如這篇部落格所指出的，若深入探究大多數技術變革的表象之下，便會發現其中蘊含著跨領域的複雜性，這需要透過周密且協調一致的工程努力才能加以駕馭。憑藉與其他市場領先先驅的合作，泰瑞達（Teradyne）歷經數十年的發展，已成為將無線創新化為現實的寶貴夥伴，其中包括毫米波技術：泰瑞達，駕馭複雜性。
展望 6G 時代，我們持續向前邁進，接下來將目光（請原諒這個雙關語）投向在整個無線生態系統中不懈追求測試成本的降低。開創精神已融入我們的企業文化，而為新興技術開創創新解決方案，正是我們衡量成功的標準。 能夠驅動未來的測試技術，連同其商業化機制，目前正處於開發階段。下一代技術的實現，不僅仰賴卓越的技術，更需要具備相應的工具與經驗豐富的團隊，才能提升產能，以滿足全球經濟的需求。
進一步了解泰瑞達的UltraFLEXplus 及我們的毫米波儀器，並歡迎聯絡我們 ，共同開創無線通訊的未來。
大衛·馮德蘭（David Vondran）現任泰瑞達（Teradyne）無線產品經理，負責推廣適用於大規模量產的自動測試設備（ATE）解決方案，包括毫米波應用相關方案。他曾任職於洛克威爾國際（Rockwell International）、沃特金斯-約翰遜（Watkins-Johnson）、太平洋單晶（Pacific Monolithics）、加州微波（California Microwave）、安立（Anritsu）、OML、LitePoint、愛德萬測試（Advantest）及阿斯特羅尼克斯測試系統（Astronics Test Systems），擔任過工程與行銷職務。大衛持有加州州立理工大學波莫納分校（California State Polytechnic University, Pomona）的電機工程學士學位。