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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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行動寬頻飆網新感受 具MIMO技術的4G行動通訊晶片

文/王秀芳 攝/鄒福生

4G行動通訊晶片
4G行動通訊晶片

下載2M的音樂,只需2秒鐘!
這種超高速傳輸大量資料的需求,4G技術將可輕鬆達成,
其中的關鍵元件-4G行動通訊晶片,已由工研院晶片中心研發完成,
這是國人自主研發的首顆具備MIMO技術4G行動通訊晶片。

雖然在2009年的今天,駭客攻擊仍時有所聞,幸運的是,在行動通訊科技不斷進步之下,即使遇上如1995年好萊塢賣座電影「網路上身」(The Net)的情節,也不用像女主角珊卓布拉克(Sandra Bullock)那麼拚命尋找可連線上網的電腦,以便儘速修改遭竄改個人資料的程式,粉碎歹徒掌控政府電腦系統的陰謀。

因為透過可移動式的第四代行動寬頻通訊技術,原本需有線且固定上網的連結方式,已轉型為可隨時(anytime)、隨地(anywhere)、無所不在(ubiquitous)的無線行動網路,能十分便捷地上網達成日常生活、工作、社交、娛樂等種種目的。

空間分集技術增加傳輸速率

WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access;全球互通微波存取)為最先商業化營運的4G行動通訊標準之一,採用OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access)之調變多工技術為基礎,可提供使用者於行走或搭乘交通工具的動態過程中,享受無線寬頻上網的服務。而欲享受4G行動寬頻上網服務,則須使用已搭載4G晶片的系統產品,如智慧型手機、小筆電、USB dongle網卡等。目前台灣第一顆國人自主研發且具備MIMO(Multiple-in Multiple-out;多輸入多輸出)多根天線技術的4G行動通訊晶片,即是由工研院晶片中心所研發完成的。

系統晶片科技中心副主任馬金溝博士指出,具備MIMO技術之4G行動通訊晶片,最大優點就是運用了空間(space)特性,採用空間分集(space diversity)技術,來建立相互正交的無線虛擬通道(channel),以增加傳輸速率(throughput),進而滿足無線寬頻上網的需求,最終目標為滿足室內連網速度可達1Gbps,及戶外速度也可達100Mbps的下世代行動通訊系統規範。

4G行動通訊晶片研發計畫自2005年年底開始啟動,延續至今,前後投入近百名工程師人力,不僅是晶片中心重量級的計畫,同時也肩負著國家政策推動的責任。馬金溝指出,政府積極推動下世代行動通訊發展自主核心技術與關鍵智財,制定出「台灣WiMAX發展藍圖」,其規劃時程自2006起至2009年共計四年,涵蓋從技術研發、設備開發、應用服務、測試驗證等產業鏈,目標是促成台灣能在新興寬頻無線通訊技術扮演領先角色,並掌握關鍵核心技術與智財。另外,成立「M-Taiwan計畫」以應用服務發展為主,積極建置台灣行動生活產業;「WiMAX加速計畫」則是以技術研發推動為切入點。根據WiMAX發展藍圖的規劃,今年乃為WiMAX重要的驗收年,而晶片中心歷經三年多來的努力,也在今年推出了符合IEEE 802.16e及WiMAX Forum Wave 2標準的4G行動通訊晶片。

馬金溝指出具備MIMO技術之4G行動通訊晶片的最大優點在於傳輸率高可滿足無線寬頻上網的需求。邱振祥說為跳脫專利權的箝制,研團隊動用了70名工程師,花了10個月的時間建置專利資料庫。莊俊雄表示晶片研發設計與系統環境建置必須雙軌進行,因為有了完整測試及驗證環境平台,晶片才具信度。
馬金溝指出具備MIMO技術之4G行動通訊晶片的最大優點在於傳輸率高可滿足無線寬頻上網的需求。邱振祥說為跳脫專利權的箝制,研團隊動用了70名工程師,花了10個月的時間建置專利資料庫。莊俊雄表示晶片研發設計與系統環境建置必須雙軌進行,因為有了完整測試及驗證環境平台,晶片才具信度。

打造國內自主的WiMAX智財權

通訊晶片具備多進多出的MIMO功能可讓手持式裝置同時提供更多服務
通訊晶片具備多進多出的MIMO功能可讓手持式裝置同時提供更多服務

此4G行動通訊晶片,可支援2×2(二根傳輸天線及二根接收天線)的多根天線傳輸的MIMO技術,而將射頻與基頻電路以系統級封裝(System in Package,SiP)方式進行整合,未來可提供僅只有手指頭大小般的單晶片。

馬金溝亦提到,為達到確實掌握自主核心技術與關鍵智財,不但積極參與標準制定活動,在研發計畫執行過程中,也以系統層級的設計觀點出發,而非單一元件開發著手,由硬體及軟體研發人員同時投入並行開發,並達成實際且完整的矽晶驗證(silicon proven)。對於技轉廠商而言,工研院所提供的將不僅是一顆晶片而已,而是完整的4G行動通訊解決方案,以及自主的核心技術與關鍵智財。

台灣的電子產業以製造見長,但是當廠商開始在市場上大展身手時,常面臨專利權問題,而必須支付龐大的權利金,成為日後廠商的緊箍咒。

「3G手機製造商,賺的錢有15%至20%都是拿去繳權利金,金額相當驚人。」晶片中心無線寬頻技術組技術組長邱振祥指出,為了跳脫專利權的箝制,研發團隊花費許多人力與時間在專利權的搜尋與資料庫建置之上。「我們動用了70名工程師搜尋與WiMAX有關的專利,結果搜得2萬多件相關專利;而後加以判讀、研究,花了10個月的時間建置專利資料庫。有了這個資料庫,廠商在相關晶片專利的搜尋上,便無需耗費太多資源。」

對於WiMAX技術相當積極的聯發科技,也採用了該資料庫,除了可大大減少在專利搜尋的時間外,對於其未來技術佈局及商業策略,都有實質的助益。

晶片研發與環境建置雙軌並進

WiMAX的技術標準制定於2005年底定,但是其互通性測試的標準在2006年才出爐,由於是全新的通訊技術,使得研發團隊在系統開發所需的驗證環境建置上花了一番工夫。其驗證環境平台共設置了核心網路、gateway、基地台以及手機或筆電等行動上網裝置等設備,前前後後大約共花了2年的時間才完工。晶片中心無線寬頻技術組組長莊俊雄博士提到,晶片研發設計與系統環境建置是雙軌且同時進行,因為有了完整測試及驗證環境平台,才可開發出具信度(reliable)之通訊晶片。

馬金溝補充說,「工研院資通所於院內所建置之全球首座WiMAX應用開發認證實驗室MTWAL,也是我們日後開發晶片很重要的試煉平台,因為它具備測試、驗證、擷取訊號源以及實地測試(field-trial)的功能,整體開發環境,顛覆以往台灣通訊晶片開發過程中缺乏實體驗證環境的窘境。」特別是有些實測工作無法在實驗室完成,工程師必須走出實驗室,如此經過實際環境驗證的技術,將可大大減少廠商產品進入市場的時間與成本。

參與國際標準制定活動

WiMAX技術標準為IEEE與WiMAX兩個非營利組織所制定,若是能成為其中的核心成員,參與技術標準的制定,對增強台灣在WiMAX產業地位的能見度與影響力,有極大的助益。莊俊雄指出,目前整個工研院約有20餘位IEEE標準制定的參與核心成員,晶片中心大約佔了一半的名額,而在今年2月,工研院更成為WiMAX Forum的董事會成員,對台灣在WiMAX產業的國際影響力提升了不少。

此外,IEEE每年共有六次固定的常會,其中三次於美國本土地區,另外三次則選在其他國家召開。標準制定參與同仁除了參與會議外,尚需於會前、會中、會後進行系統模擬工作,以及投入與全球各大企業之間的合縱連橫,這些常令同仁疲憊不堪。不過,當最終同仁有提出具關鍵性的802.16m貢獻(contribution)且能呈現在標準中時,一切的辛苦都將是值得的!

WiMAX

WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access,微波存取全球互通)是以資料傳輸為主要溝通方式的無線網路技術標準,主要用於無線都會型區域網路(Wi reless Met ropol i tan Area Networks; WMAN),可提供最後一哩寬頻無線接入,是目前使用的電纜和DSL之外的未來新選擇。2001年由WiMAX論壇(WiMAX Forum)提出並成形,為英特爾大力主導推廣的新一代遠距無線通訊技術。WiMAX因具備傳輸距離長、網路涵蓋範圍廣援大量數據(Data)、語音(Voice/Audio)、影像(Video)服務需求,並強調傳輸品質管控(Quality of Service;QoS)等特色,成為近年備受矚目的新興無線寬頻通訊技術。

WiMAX Forum

WiMAX Forum在2001年由英特爾(Intel)、諾基亞(Nokia)與Alvarion等創立。全球目前共有530家會員,會員層級分為一般(Re g u l a r)會員、主要(Principal)會員及董事會(Board)會員三種。台灣目前有39家會員廠商,包含1個董事會員以及15個主要會員。目前WiMAX Forum有17個董事會成員,包括英特爾、諾基亞、摩托羅拉(Motorola)、三星(Samsung)、富士通(Fujitsu)等大廠,都是對推動WiMAX產業有貢獻的廠商,負責制定全球WiMAX產業推廣策略與產品認證規範。

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