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你知道Samsung已經開始在佈局5G Millimeter Wave了嗎?!

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科技產業資訊室 - 賴明豐 發表於 2014年4月24日

一、前言

自去(2013)年5月13日Samsung主動宣稱(Tomorrow Works,2013)成功研發出5G行動通訊新技術之後,全球無不為之嘩然。透過使用Millimeter Wave,南韓可以把整個行動通訊系統傳輸速度提升到比台灣現在正要準備推的4G LTE還快上百倍。目前,南韓三大通訊業者與Samsung、LG已經著手規劃南韓移動網路藍圖,並準備在2020年以前投入約14.9億美元建構5G行動通訊服務(國際中心,2014)。基本上,在Samsung擘劃的5G世界中,每個基地台提供的資料傳輸速度都會超過數十Gbps,它能讓每個用戶享受到G bps的使用經驗!以下載一部800MB電影的時間來看,如果是4G LTE-A需要超過40秒;但5G就只要1秒!

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二、什麼是毫米波(millimeter wave, mmWave)

Millimeter Wave簡稱mmWave,中文翻譯為毫米波(即IEEE 802.15.3c)。基本上,它就是電磁波的一種,像在家裡聽的廣播 (有FM、AM)、看的電視,跟我們手上拿的手機、…等等,都是透過電磁波達到資料傳送的目的。一般來說,會用波長來分類電磁波。原則上,波長愈長(愈低頻)資料就能傳得更遠,以圖二來看,最左邊「極低頻(Extremely Low Frequency, ELF)」範圍就可以涵蓋10,000到100,000公里 (美國是留給軍方使用)。而圖的最右邊則是非常非常高頻的10^22Hz,常見的例子就是Gamma射線,它的波長極短,就只有微微米(micromicron)而已。本文談的毫米波,被歸類在極高頻(Extremely High Frequency, EHF)這個區塊,大概就在圖二裡30GHz~300GHz紫色段偏右的位置,它的波長只有1mm~10mm。目前,不同國家各自劃了不同範圍且可以免執照就使用的毫米波頻段,例如:美國有7GHz(界於57GHz到64GHz)、日本也有7GHz(界於59.4GHz到62.9GHz),歐洲提供的範圍則比較大,有9GHz(界於57GHz到66GHz)。

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Samsung目前推出來的mmWave解決方案則是用27GHz~29.9GHz之間的28GHz頻率傳送資料,透過64根天線增益設計克服毫米波訊號衰減問題,讓資料最遠傳送距離達到2公里。而中國在mmWave這塊的研發工作集中發展60GHz毫米波技術方案的設計,包括通訊晶片製作與實驗測試系統建構工作等,研發議題集中在高速訊號處理技術、推進CMOS製程到90或65奈米水準並製作射頻核心晶片(輸出功率≧10dBm、接收端雜訊係數小於12dB),以及實驗驗證系統的建構(頻段設在59GHz到64GHz之間、資料傳送距離不小於5公尺、最高傳輸速度能達到3Gbps)。

基本上,使用毫米波首先面對的就是傳播過程中波能嚴重衰減的問題,這跟距離的遠近與自然環境因素有關。電磁波能量的強弱會與訊號傳送距離的平方成反比。也就是說,訊號傳得愈遠,電磁波衰減得愈厲害。另外,雨天、空氣中的氧氣跟水蒸氣等等也都會吸收掉毫米波能量;甚至它對樹葉的穿透能力也很差!而且,頻率愈高的電磁波,它面臨的衰減問題就愈嚴重。所以,就理論來看(Michael Marcus and Bruno Pattan, 2005),毫米波比較適合2公里內短距離的通訊需求,可以當做是WLAN 802.11n的互補技術,用在像家或辦公室之類範圍不大且遮蔽障礙物不多的空間。同時,為了確保通訊品質,毫米波收發器需要使用到多天線波束成形技術(庄紅韜,2014)去增益收發訊號的效能。而且,要使毫米波簡單易用,除了CMOS技術的研發之外,硬體難題還包括導波管設計、基板設計、電力耗損問題、晶片內部連接線的長度,以及頻率偏差晃動等等問題都需要突破(陳乃塘,2006)。

 

三、SamsungmmWave佈的專利

目前來看,Samsung運用到毫米波的相關申請專利有229篇(最後檢索日期為2014年4月11日),最早可以找到2002年有2篇,如表二所列,分別是微波/電磁波交替轉換機制與波束控制議題的專利;除了Samsung自己,日本公司OMRON與美國Alcatel-Lucent公司都有引用到這2篇專利。從技術生命週期(發明人數)分析結果來看,2008~2009年間Samsung毫米波技術研發人員銳減,技術佈局方向做了調整,從原來很散亂零星的狀況,集中佈局在370 (MULTIPLEX COMMUNICATIONS) 這類技術上。

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整體來看,Samsung在2007年之前,佈局在毫米波相關技術上的專利並不多而且研發議題也看不出有任何發展主軸,如圖三紅色虛框範圍所示。一直到2007年才大量申請專利,而且技術領域集中在「多工通訊」(370 - MULTIPLEX COMMUNICATIONS),其次才是「電信」(455 - TELECOMMUNICATIONS)、「波或數位通訊」(375 - PULSE OR DIGITAL COMMUNICATIONS) 與「通訊:指向性無線電波系統與裝置」(342 - COMMUNICATIONS: DIRECTIVE RADIO WAVE SYSTEMS AND DEVICES, E.G., RADAR, RADIO NAVIGATION),這些領域都有超過10篇專利佈局其中。

在這229篇專利中,Samsung曾在2007年把一篇揭露高速資料收發環境中如何進行糾錯的技術(20070266293)轉讓給Broadcom;之後,在2009年又把20070258651這篇專利(用於收發未壓縮影音資料的訊框結構與方法、裝置)轉讓給ADVANCED MEDICAL OPTICS。另外,Samsung在毫米波相關技術上的研發工作,曾經和KOREA UNIVERSITY RESEARCH & BUSINESS FOUNDATION、SEOUL NATIONAL UNIVERSITY INDUSTRY FOUNDATION與KOREA UNIVERSITY INDUSTRIAL & ACADEMIC COLLABORATION FOUNDATION等學研機構共同合作研發,議題包括天線、電波傳送與指向性無線電波等等(20100244997、20110248891、20120206311、20130169376與20140043189)。

 

四、結論

去年,大家看到南韓對5G技術的研發熱情與積極性,才真正激起其他各國正視下世代通訊技術的研發工作。目前來看(劉煥彥,2010),最積極發展5G的國家及地區,以歐盟(METIS計畫)、中國(IMT-2020計畫)與南韓(Pete Hayman,2014)最明顯,而且都是以國家力量來發展。以中國為例,中國政府同步在2013年啟動5G標準化研究工作(龔俊榮,2013),計畫投入1.3億人民幣,由科技部與工信部成立跨部會推動小組,再加上華為等企業的加入,希望在「同一個世界同一個標準」的前提下,大力發展下世代通訊技術,並在2020年正式商轉5G。除了政府面的投入,事實上,光是華為自己就準備在2018年以前,投入6億美元強力佈署5G技術,想迎頭趕上全球研發進度,搶居國際領先地位。曾詩淵就認為,台灣還有4年的時間可以追趕,「否則不只是落後人家幾年,而是一個世代」。

不得不說Samsung對市場發展動向的感知能力很強,而且行動力非常迅速,積極關注全球各項標準動態,並且果斷及時調整技術研發計畫!事實上,針對60GHz毫米波(段)應用,早在2006年,IEEE就已經開始制定技術規範,請市場相關廠商就省電、傳輸速度與多媒體應用等需求提出技術方案,最後產出IEEE 802.15標準並細分為802.15.1(藍芽–讓筆電可用利用手機上網)、802.15.2(共存與互通)、802.15.3(高速寬頻,例WiMedia),以及802.15.4(低功率傳輸,例ZigBee)。這也呼應了Samsung為什麼會選擇在2006~2007年重整研發團隊,並將研發重點放到370的原因。其中,370/329是最常看到的佈局重點,其他像252、328及336等次分類都有相對較多的專利數量。

如果以同樣檢索詞檢索台灣廠商在美國申請專利的狀況,僅有聯發科5件申請專利出線(20090116444、20100111089、20100190464、20100327068、20110279190)。從這裡或許可以看出來,台灣廠商就毫米波這塊應用領域相關技術研發投入並不多。這部份可以參考Samsung做法,進一步與國內學研機構共同研發形成聯盟機制。以目前來看,國內大專院校包括台灣大學、交通大學、中央大學、成功大學、清華大學、長庚大學、中正大學、台灣師範大學、台北科大、暨南大學、台灣科大、逢甲大學等等多所大專院校都有師生投入毫米波應用相關技術的研究工作。台灣廠商應善用產學合作機制,透過業界出題學界解題架構(台灣立報,2012)才能加快腳步,趕上全球技術研發進度。(2990字;圖3;表2)

 

  • Jeanette Wannstrom (2013/6), LTE-Advanced. WWW.3GPP.ORG, ref. website: www.3gpp.org/technologies/keywords-acronyms/97-lte-advanced
  • Tomorrow Works (2013/5/13), Samsung Announces World’s First 5G mmWave Mobile Technology. SAMSUNG TOMORROW, ref. website: global.samsungtomorrow.com/?p=24093
  • 國際中心(2014/1/23),15億美元打造5G王國 南韓2020年要讓網路「世界一」。ETToday,參考網站:www.ettoday.net/news/20140123/319061.htm
  • Limb Jae-Un (2014/1/27), Gov’t to commercialize 5G technology by 2020. KOREA.net, ref. website: www.korea.net/NewsFocus/Policies/view?articleId=117314
  • Wikipedia (2014/2/3), 4G. 參考網址:zh.wikipedia.org/wiki/4G
  • www.mytecno.jp (2013/2/28), 電磁波の人体への影響〜携帯電話の危険性が電子レンジの比ではない理由, 參考網站:matome.naver.jp/odai/2136084677017723601/2136198193740569503
  • Michael Marcus and Bruno Pattan (2005), Millimeter Wave Propagation: Spectrum Management Implications. IEEE microwave magazine, June.
  • Takehiro Nakamura (2009), Proposal for Candidate Radio Interface Technologies for IMT-Advanced Based on LTE Release 10 and Beyond (LTE-Advanced). 3GPP TSG-RAN Chairman, ref. website: www.3gpp.org/IMG/pdf/2009_10_3gpp_IMT.pdf
  • 庄紅韜 (2014/3/4),在金屬包覆的軟管內進行毫米波通信,意在無線車載LAN用途。人民財經,參考網站:http://finance.people.com.cn/BIG5/n/2014/0304/c348883-24520159.html
  • 陳乃塘 (2006),千兆位元高速無線通訊成真 毫米波應用來勢洶洶。新通訊,參考網址:www.2cm.com.tw/technologyshow_content.asp?sn=0701010978
  • 劉煥彥 (2010/4/4),愛立信:台灣拼5G腳步要快。蘋果日報,參考網站:www.appledaily.com.tw/appledaily/article/finance/20140404/35745079/
  • Pete Hayman (2014), Sourth Korea reveals plans to launch 5G wireless networks ‘by 2020’. WHAT HI*FI? Ref. website: www.whathifi.com/news/south-korea-reveals-plans-to-launch-5g-wireless-networks-by-2020
  • 龔俊榮(2013/3/22),看好5G商機 陸企迎頭趕上。旺報,參考網站:www.chinatimes.com/newspapers/20140322001098-260303
  • 台灣立報 (2012/11/1),產學大聯盟 業界出題學界解答。Yahoo!新聞,參考網站:tw.news.yahoo.com/%E7%94%A2%E5%AD%B8%E5%A4%A7%E8%81%AF%E7%9B%9F-%E6%A5%AD%E7%95%8C%E5%87%BA%E9%A1%8C%E5%AD%B8%E7%95%8C%E8%A7%A3%E7%AD%94-164108904.html

 
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