5G NR 有独立组网 (SA) 和非独立组网 (NSA) 两种，其中 NSA 没有独立信号方式 (Signaling，信令)，主要是为提升特定区域带宽，有多种设置方式，由 LTE演进封包核心 (Evolved Packet Core, EPC) 网络搭配 LTE 无线电接取网络 (RAN)、5G RAN，加上终端 LTE / 5G 用户设备 (UE) 三层迭加的架构最普遍，但最终仍将演进至全新的 5G 核心网络，届时 LTE 手持设备将无法使用。3GPP 在去年底及今年中，分别发布首个 NSA 和 SA 标准；尤其是日前 SA 的冻结，让不少人为之欢呼、雀跃。
5G 终端应用仍需时日酝酿，但上游芯片商抢市已趋白热化
这的确意味着 5G 独立部署的引信已被点燃，但事实上，它仅满足 5G＂部分场景＂需求。尔后，全面标准化须等到明年底的 Release 16 方能一探究竟；最终完整标准，拟于 2020 年初提交国际电信联盟 (ITU)。以标准底定后约 3～5 年才进入商转预估，完全＂摆脱＂4G LTE、由 5G 独撑大局最快也是 2023 年以后的事。意即：距离坊间大肆吹捧、各种天花乱坠的美丽狂想，着实还有好长一段时间才能面世。不过，对于上游芯片厂来说，因为要将设计、测试、导入、验证、量产等一系列为时数年的工序列入考虑，诚然已临近如火如荼的激战时刻。
这的确意味着 5G 独立部署的引信已被点燃，但事实上，它仅满足 5G＂部分场景＂需求。尔后，全面标准化须等到明年底的 Release 16 方能一探究竟；最终完整标准，拟于 2020 年初提交国际电信联盟 (ITU)。以标准底定后约 3～5 年才进入商转预估，完全＂摆脱＂4G LTE、由 5G 独撑大局最快也是 2023 年以后的事。意即：距离坊间大肆吹捧、各种天花乱坠的美丽狂想，着实还有好长一段时间才能面世。不过，对于上游芯片厂来说，因为要将设计、测试、导入、验证、量产等一系列为时数年的工序列入考虑，诚然已临近如火如荼的激战时刻。
图1：Release 16 将聚焦于 5G 扩展，包括车联网 (V2X)、工业物联网 (IIoT)、超可靠低延迟通信 (uRLLC) 增强版本以及非授权频谱操作
不意外，高通 (Qualcomm) 与英特尔 (Intel) 又是先驱者。近日，英特尔更抢先与爱立信 (Ericsson)、中国移动成功展示首个多供货商的 5G NR SA 实时互操作性开发测试 (IoDT)，藉由灵活设定正交频分多任务 (OFDM) 的参数集 (Numerology) 分配低、中、高频，并以动态框架结构实现独立数据传输、支持多种用例，包括低延迟、高峰值速率、高可靠性及高效传输。它是基于＂波束＂设计、支持大规模多输入多输出 (Massive MIMO)，并最大限度减少与用户数据交付无直接关系的任何传输，好处是无需始终开启信号、更节能且减少干扰。
图2：使用爱立信 5G NR 基地台和英特尔 5G NR UE 平台，在 3.5GHz 成功运行互操作性开发测试 (IoDT)
资料来源：https://www.ericsson.com/en/press-releases/2018/6/ericsson-intel-and-china-mobile-achieve-3gpp-compliant-multi-vendor-standalone-5g-nr-interoperability
高通亦率先推出支援 5G NR 毫米波 (mmWave) 和 6GHz 以下频段的终端设备射频 (RF) 模块，皆正向客户送样中——QTM052 毫米波天线模块及 QPM56xx Sub-6GHz 射频模块系列 (QPM5650 / QPM5651 / QDM5650 / QDM5652)，可与高通 Snapdragon X50 5G 调制解调器协作，提供调制解调器到天线 (modem-to-antenna)、跨频段功能，封装尺寸精巧。高通认为，毫米波适用于密集城市区域和拥挤的室内环境；之所以迄今未被应用于移动无线通信，是囿于材料、外形尺寸、工业设计、散热和辐射功率监管要求等诸多挑战之故，而 QTM052 的出现将是新契机。
多频段＆＂共模＂成常态，低功耗是铁则
QTM052 支持先进的波束成形 (Beamforming)、波束导向和波束追踪技术，可显著改善毫米波信号的覆盖范围及可靠性，包括整合式 5G NR 收发器、电源管理芯片、射频前端组件和相控天线数组，可在 26.5～29.5GHz (n257)、27.5～28.35GHz (n261) 和 37～40GHz (n260) 毫米波频段支持高达 800MHz 带宽，一部智慧手机最高可安装四个 QTM052 模块。PM56xx 射频模块搭载 Snapdragon X50 5G 调制解调器，可支持 Sub-6GHz 频段的 5G NR——QQPM5650 和 QPM5651 包括整合式 5G NR 功率放大器 (PA)、低噪声放大器 (LNA)、开关及滤波子系统。
QTM052 支持先进的波束成形 (Beamforming)、波束导向和波束追踪技术，可显著改善毫米波信号的覆盖范围及可靠性，包括整合式 5G NR 收发器、电源管理芯片、射频前端组件和相控天线数组，可在 26.5～29.5GHz (n257)、27.5～28.35GHz (n261) 和 37～40GHz (n260) 毫米波频段支持高达 800MHz 带宽，一部智慧手机最高可安装四个 QTM052 模块。PM56xx 射频模块搭载 Snapdragon X50 5G 调制解调器，可支持 Sub-6GHz 频段的 5G NR——QQPM5650 和 QPM5651 包括整合式 5G NR 功率放大器 (PA)、低噪声放大器 (LNA)、开关及滤波子系统。
QDM5650 和 QDM5652 具备除了 PA 之外的上述器件。上述四款模块均支持整合式信道探测参考信号 (SRS) 切换以提供最佳的 Massive MIMO 应用，并支持 3.3～4.2GHz (n77)、3.3～3.8GHz (n78) 与 4.4～5.0GHz (n79) 等 Sub-6GHz 频段。在可预见的未来，不同通信系统的＂共模＂课题，更亟待RF 开发者克服。首先，新定义的毫米波与 Sub-6GHz 频段的单载波带宽最高达 100 MHz，是 LTE 的五倍之多，须根据 PA 的平均输出功率调节供电电压，以坚守低功耗的金科玉律。
图3：高通 QTM052 毫米波天线模块 (左上) 与 Snapdragon X50 5G 调制解调器芯片 (左下) 尺寸精巧
资料来源：高通提供
资料来源：高通提供
其次，LTE 传输所产生的谐波恐与 5G 频段重迭而降低接收器的灵敏度，加入滤波器 (filter) 又会产生损耗、须再加大 PA 输出功率，明显不利于功耗。再者，5G 规范手机须支持 4 GHz 以上频段的四个下行链路路径，意谓需要四个天线和四个独立 RF 路径，势必增加信号链的复杂性和天线带宽，使原本已十分有限的电路板空间更形拥挤，需要高度整合且微型化的元器件；最后就是天线调变 (Modulation) 与空间多任务 (Spatial Multiplexing)。为增强不同 OFDM 的持续时间 (Symbol Duration)，5G 子载波间隔参数须依应用场景灵活设定。
图4：5G NR 旨在以统一的空中接口覆盖不同用例及频段，OFDM 参数集设定亦随之不同
资料来源：https://www.keysight.com/upload/cmc_upload/All/
资料来源：https://www.keysight.com/upload/cmc_upload/All/
损失、增益、峰均功率比，如何优化？
台湾学界专家亦对毫米波系统设计提出建言：1.路径损失 (Path Loss) 较高，须以较大的增益天线或传输功率 (Transmit Power) 补偿，但又须规范等效全向辐射功率 (EIRP)、接收器功率及 RF 曝露限制；2. Massive MIMO 需更高的增益天线，以便让传输更具指向性，但波束将随之变窄、更难以追踪 UE；3.尽力减少馈线损失 (Feed Line Loss)，包括因数组规模变大的反射损失、或频率函数增加导致的传输损失。一个浅显易懂的妙喻是：基地台与手机天线均为窄波束，两者需对准在直视波 (LOS) 联机且维持一静、一动，才能恰如针 vs. 线一般合作无间。
台湾学界专家亦对毫米波系统设计提出建言：1.路径损失 (Path Loss) 较高，须以较大的增益天线或传输功率 (Transmit Power) 补偿，但又须规范等效全向辐射功率 (EIRP)、接收器功率及 RF 曝露限制；2. Massive MIMO 需更高的增益天线，以便让传输更具指向性，但波束将随之变窄、更难以追踪 UE；3.尽力减少馈线损失 (Feed Line Loss)，包括因数组规模变大的反射损失、或频率函数增加导致的传输损失。一个浅显易懂的妙喻是：基地台与手机天线均为窄波束，两者需对准在直视波 (LOS) 联机且维持一静、一动，才能恰如针 vs. 线一般合作无间。
一般来说，为降低 OFDM 的峰均功率比 (PAPR) 并因应大带宽需要更大的 PA 补偿，恐会降低发射器信号链路径效率，故 PA 设计须符合高线性功率要求；另为顾及 EIRP，组件散热问题亦是关键。同时，有开发者提到，指向性数组天线在实作时，未必真能有效对到目标物，或可利用不同天线角度的重迭交错以增强覆盖率；此外，毫米波用于室内时，多路径更易受到阻挡而衰减 (fading)，增益效果可能被抵消，可用算法调试补强。如何应对这么多的设计难点？还有哪些因子须仔细琢磨？量测厂商对此也有全盘的观察及解决方案。
