4G Lte/IEEE 802.11ac無線設計複雜度高
- 魏淑芳
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行動聯網裝置對傳輸效能要求逐步提升，加上萬物聯網的市場趨勢引導下，原有3G行動上網應用已無法滿足未來需求，後繼而上的4G Lte行動上網不僅在傳輸效能、網路使用效率各方面都獲得極大改善，但受限各區頻段與技術整合問題，要達到全網無縫銜接、射頻模組設計仍有相當大的挑戰…
在無線通訊數據傳輸發展上，4G Lte(Long Term Evolution)用更短的時間已陸續完成區域商業服務建置，其中最大的關鍵在於消費者對於行動上網速度的渴求，加上產業界所關注的物聯網IoT應用對無線網路接取的服務裝置數量、傳輸資料量，預估將呈現爆發性的成長，看準後續無線數據傳輸應用的發展潛力，也令電信服務商不得不正視4G Lte或是更新穎的無線通訊技術導入需求，積極投入基地台與後端數據服務接取的系統建置。
物聯網需求殷切 刺激4G/Lte商用服務快速成形
4G Lte數據接取應用，除了從電信服務端積極佈建商業應用服務外，現階段可因應支援3G、4G Lte、無線區域網路(IEEE 802.11ac)等基礎建設，同時可符合無線通訊標準的終端應用產品，目前已有智慧型手機、智慧家庭應用、穿戴式裝置、無線網卡等，這些3C或IT裝置也會跟隨著物聯網的龐大應用需求，面對更多網絡應用的技術挑戰。
先撇除相對成熟的3G無線數據接取服務技術，在4G Lte、Wi-Fi/802.11ac等技術支持下的智慧無線終端應用產品，較大的開發瓶頸在於手機、射頻前端模組RF FEM(Radio Frequency Frond-end Module)的技術開發與整合，這也會直接影響終端設備的體積、傳輸效能、運行功耗、設置便利性的重要關鍵技術。
而Lte技術在早期4G行動通訊技術標準不一狀態下，逐漸形成全球標準，再加上IEEE 802.11ac標準釋出，使得開發整合RF FEM更具明確目標，對於終端產品想整合如無縫連接(Seamless Connectivity)、支援物聯網全域連接(Ubiquitous Networks)的使用效益，可讓終端裝置聯網的同時擴增更多智慧化應用與家庭延伸智能應用。
4G商用頻段取得成本增加 無線服務需提升服務效能加速成本回收
但比較可惜的是，4G Lte在全球不同區域的國情與實際市場限制下，在釋出規格建議的頻段多達44組，依據商業運轉服務商在不同國家、區域可用頻段又有極大差異，尤其加上4G Lte無線傳輸服務需要與傳統3G、GSM/GPRS回溯相容、同時必須支援多模式(Multimode)、多頻段(Multiband)支援架構，也成為這些終端產品在整合RF應用的複雜度提升。
尤其在全球可用頻段越來越有限，在各國可用頻段與現有3G或其他無線應用產生排擠，導致各國電信服務商在取得4G頻段的成本相對以往更為高昂，在頻譜資源有限、商用服務運轉成本相對更高的現實下，為了提高有限頻譜的最高使用效能，勢必需要導入更新穎的無線通訊技術改善傳輸效能與頻段使用效率，例如使用高效能數位調變改善有限頻段的傳輸效能，但這種作法也會導致訊號峰均功率比PAPR(Peak to Average Power Ratio)表現劣化，導致終端裝置耗能提升、降低裝置的電池續航力表現，為了改善這類問題，就必須降低RF射頻前端元件的功耗，改進封包追蹤ET(Envelop Tracking)技術。
物聯網設備數量激增 4G無線技術頻段多裝置支援更佳
而在物聯網應用中，關鍵的智慧關鍵應用，主要是來在機器對機器網絡的設備自動溝通M2M(Machine to Machine)技術延伸，因為透過機器對機器通訊與智慧判斷、運行，可讓設備能有自主運作的智慧應用功能，減少使用者涉入操作進而享受便捷生活，而智能設備若能從家中的數個家電、設備擴展到上億台設備同時聯網，搭配穩定可靠的網通基礎建設，以穩定無誤經由各種數據介面轉換與資訊再分配，勢必能打造一個相對便捷、舒適的智慧生活環境。
但要打造可讓上億設備溝通、無縫連接的應用環境，無線網通技術的RF整合就是一大關鍵，尤其需要支援多模、多頻的射頻前端整合，才能讓設備具備高效、即時建構有效的設備溝通網絡。
若需要建構支援全球漫遊的4G Lte終端設備，必須在考量通訊連線品質之外，還需考量無線模組是否會在功耗與體積上影響到終端產品的外觀設計，觀察目前4G Lte全球網絡與技術使用狀態，4G/Lte商用服務主要技術實現與舊有通訊整合方式會以分頻多工FDD Lte(Frequency-division Duplex、分時多工TDD Lte(Time-division Duplex)、分時同步分碼多重存取TD-SCDMA(Time Division - Synchronous Code Division Multiple Access)、寬頻分碼多重存取WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access)與GSM(Global System for Mobile Communications)等通訊技術，相關設備需要考量全球漫遊遭遇的服務商技術差異與消費者的設備支援狀態。
2G/3G/4G頻段技術差異大 多模整合與回溯相容設計挑戰高
以歐洲電信標準協會ETSI(European Telecommunications Standards Institute)發布的3GPP TS 36.101技術文件定義支援4G/Lte 44頻段，不同頻段採行的通訊技術也會有差異，整合的複雜度更高。至於對於終端裝置的射頻前端模組，其實包含Lte行動通訊射頻元件，像是天線開關模組ASM(Antenna Switch Module)、功率放大器PA(Power Amplifier)、雙工器、SAW(Surface Acoustic Wave Filter)、FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator)濾波器，同時在終端裝置中，不可免還會設置有無線網路Wi-Fi(IEEE 802.11ac)與GPS(Global Position System)設備的射頻前端元件。
光是整合多模射頻應用功能，就會使得相關設計更趨複雜化，顯而易見地，射頻前端元件中功率放大器的創新設計，直接牽動著手機射頻前端的細部架構。以PA設計為例，原本僅需支援2G/3G行動通訊的數據封包運作模式的器件，但當持續演進至4G Lte通訊應用時，就必須在器件整合2.5G四頻段模組、3G通訊模組與支援Lte的空中介面，整合成可回溯相容多頻段、傳輸技術的多模多頻功率放大器MMMB PA(Multimode Multiband PA)，設計複雜度高，功能驗證的難度也相對提升。
4G加IEEE 802.11ac訊號失真規範嚴苛 增添設備驗證難度
除了設計複雜度提升外，為了符合Lte與IEEE 802.11ac的Wi-Fi通訊標準對訊號失真的規範，對終端裝置的射頻前端線性度、抗雜訊等要求表現更高，尤其是隨著無線通訊標準在技術與實踐方法難度大增，設備的聯網環境日趨複雜，對射頻前端元件的性能要求更高，在設備設計目標希望提高訊號傳輸距離的同時，又須針對設備的接收靈敏度、抗干擾能力進行提升，加重射頻前端元件的研發負荷。
在實際的應用中，Lte、IEEE 802.11ac應用功能的訊號收？發表現，和射頻前端元件本身的線性度表現影響極大，EVM(Error vector magnitude)是衡量RF系統總體表現的衡量指標，用來檢視檢視功率放大器、低雜訊放大器與整合型單晶微波積體電路MMIC(Monolithic microwave integrated circuit)射頻前端元件的效能重要指標，EVM偏差越低則代表模組的線性度表現越好。
一般以IEEE 802.11n的設備或裝置，RF前端元件的EVM約在3%，而新一代的IEEE 802.11ac已經要求至少須達到2%或更低的EVM表現，這也會讓前端射頻模組的開發難度、驗證門檻更高，尤其是Lte、IEEE802.11ac還導入多天線(MIMO)與載波聚合(Carrier Aggregation)等技術，對新一代的RF射頻模組尚須考量晶片製程、電路設計、濾波與進階的隔離技術，綜合設計下在最終EVM條件也會受到影響，相關零組件與模組設計的線性度要求，也會左右終端裝置的射頻模組EVM表現。
