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行動通訊系統-4G網路之技術突破

簡介

  由於多媒體服務之日新月異,相對所要求之資料傳輸量亦增加,因此,4G網路規格應運而生。國際電信聯盟(ITU)4G系統之標準定義,集結3GWLAN於一體,能夠傳輸高品質的視訊圖像,下行傳輸速率達到100Mbps,上傳速度20Mbps,能滿足所有用戶對於無線服務的要求,且價格與固定寬頻網路相同,並實現商業無線網路、局域網路、藍牙、廣播、電視衛星通信等的無縫連接並相互相容。目前國際上有兩種4G主流規格,一種是第三代移動電話夥伴(3GPP)計劃制定的LTE,重點在透過修改基地台和無線網絡的通道技術,提升無線傳輸的效率,在國際間採納度較高;另一種為網絡業者所研發,即臺灣全力推動之WiMAX4G之特性乃於高速下能無線上網,並可大量傳輸資料,所以被看好應用在視訊會議、網路遊戲與影音教學上,以今年ISSCC研討會之論著為例,從WiMAX來看,台灣工研院和台大所提出之WiMAX晶片,可在移動達300km/h之速度時進行傳輸,而聯發科也提出自行研發之高整合度低功耗的WiMAX晶片;至於LTE方面,比利時IMEC提出之可不用SAW Filter來解決帶外雜訊之問題,進一步的節省晶片成本和面積。以下將針對這三篇論文進行探討。

  第一篇乃為台灣工研院和台灣大學共同提出一可在移動速度達300km/h下傳輸之WiMAX晶片 [1],其PHY的架構如圖4.1.1所示。此研究考慮在300km/h的高速下,收到封包的能量會因高速在20ms內衰減超過12dB,因此,提出了一個可以動態計算功率之可調變式增益控制器(AGC),且由於都普勒(Doppler)效應會造成頻率偏移的影響,此研究亦提出了在時域利用線性內插之方式,在頻域利用Wiener濾波器來做通道估計;而且亦提供多種時脈速度,從50MHz ~ 250MHz,來支援迴旋渦輪碼(Convolutional Turbo Code, CTC)之使用,當封包錯誤率較低時,可減低時脈速度,以減少迴旋渦輪碼進行之迴圈次數,以達到省功率之目的。而此篇論著所提出之效能顯示出當速度到達300km/h時,整合自動增益控制(AGC)、同步及通道估計技術,其下載速度可達到5Mb/s

4.1.1  WiMAX PHY層接收端功能架構圖

 

  而另一篇WiMAX相關之論著由聯發科所提出一低功耗、高效能之WiMAX系統 [2]。在晶片中,他使用一個DSP控制每個部分之硬體,決定要啟動還是停止這個硬體,以減少功耗和面積,DSP主要負責三個部分:(1)根據網路流量,動態的關閉前端的類比電路(AFE)(2)當整個系統在idle狀態時,關閉系統之時脈;(3)以及關閉處理完事情的部分硬體的時脈。而在軟體部分,為了低功耗之目的,亦提出一軟體節能之架構如下圖4.2.1所示,有兩種節能模組(PWS)被內建在OS中,每一種皆有正常、待機及休眠三種狀態;而節能模組(PWS)會動態地根據網路流量及各個工作之分配,決定各個軟體模組的時脈應該是被區分為正常、待機或休眠三種狀況,以達到低功耗之目的。經過量測發現,利用DSP來控制功耗以及利用節能之軟體架構,包含類比電路及DRAM部分,最後量測之結果在正常模式下為 2160mW,待機模式下為 329.92mW,而休眠模式下則為 64.73mW。從這些數據可以證明,此篇論著提出之方法確實能大量降低整個系統之功耗。

4.2.1 軟體節能架構圖

 

  而有關LTE部分,比利時研究機構 IMEC提出一種不需要SAW濾波器之RF傳送端 [3],此RF能在傳送端抑制帶外噪音而且無需外置SAW濾波器。SAW濾波器乃為一種類比電路,通常用來過濾頻帶外之雜訊,避免干擾到頻帶內想要之訊號。他所提出的傳送端,如下圖4.3.1所示,它包含一個有彈性之三階阻抗低通濾波器(3rd-order transimpedance low-pass filter (TILPF)),可移除DAC之帶外取樣雜訊,而在TILPF之後,有一個混波器(mixer)是用來將基頻訊號升頻到功率放大器之前(pre-power-amplifier (PPA))之輸入電容。該帶外噪音濾波器雖由電阻和電容構成之無源濾波器,但可相應於信號頻帶和中心頻率,自適應地變更電路阻抗、電路增益及濾波器之衰減特性。由這種自適應型帶外噪音濾波器及電壓採樣型發送頻率轉換器等構成之發送系統,無需SAW濾波器而使接收噪音降低達-160dBc/Hz

4.3.1  LTE RF傳送端架構圖

Reference

[1] Gene C.H. Chuang, P. A. Ting, J. Y. Hsu, J. Y. Lai, S. C. Lo, Y. C. Hsiao, T. D. Chiueh, “A MIMO WiMAX SoC in 90nm CMOS for 300km/h Mobility”, ISSCC Dig. Tech. Papers, pp.134-135, Feb. 2011.

[2] J. S. Pan, M. Y. Chao, E. Yeh, W. W. Yang, C. W. Hsueh, S. Liao, J. B. Lin, S. A. Yang, C. T. Liu, T. P. Lee, J. R. Chen, C. H. Chou, M. Chen, D. K. Juang, J. H. Yeh, C. W. Liao, P. H. Chen, K. Kao, C. H. Wu, W. T. Huang, S. H. Liao, C. H. Shih, C. H. Tung, Y. P. Lee, “A 70Mb/s -100.5dBm Sensitivity 65nm LP MIMO Chipset for WiMAX Portable Router”, ISSCC Dig. Tech. Papers, pp.136-137, Feb. 2011.

[3] V. Giannini, M. Ingels, T. Sano, B. Debaillie, J. Borremans, J. Craninckx, “A Multiband LTE SAW-less Modulator with -160dBc/Hz RX-Band Noise in 40nm LP CMOS”, ISSCC Dig. Tech. Papers, pp.374-375, Feb. 2011.

 

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