2021年2月22日 星期一

《汪汪老師的5G投資探索之旅》第04篇—5G基地台(和4G的不同之處)

上回文章,愛麗絲接到電話時想到,手機端的訊號是從基地台傳來的,那5G基地台和4G有何不同呢?在第01篇文章有提到,因為目前低、中頻段已找不到足夠大的頻寬,所以5G只好往高頻或極高頻尋找。尤其是極高頻的毫米波,5G基地台在部署的形態上,就會因此不同,那原因究竟是什麼呢?

這時我們又要複習一下馬克士威電磁學的公式,如下:


由以上得知:因為電磁波的速度(v),已接近光速,若速度不變的情況下,頻率愈高的電磁波(如毫米波),其波長愈短。而電磁波的物理特性是,波長較長,能傳遞較遠的距離、穿透力好、涵蓋範圍較廣,像是傳統的廣播和電視台,就可觀察到這個現象。反之,波長較短,空中訊號衰減快、穿透力差、能涵蓋範圍就較小。

因為5G所選擇的頻段頻率是比4G要高(尤其是毫米波的波長短很多),為了達到和4G基地台訊號一樣的涵蓋範圍,所以5G基地台的部署數量勢必比4G多很多,一般預估數量將是4G的3倍以上。

根據以上因素,5G基地台需要的是一種為數眾多、涵蓋面不大、體積小,可靈活安裝在燈桿、建築物外牆或室內,達到精確覆蓋的小型基地台(Small Cell)。它主要可再分成三種型態,如下(體積由大到小):

  1. 微型基地台(Micro Cell):用來增強或無法部署大型基地台的市區或農村。
  2. 特徵型蜂巢式基地台(Pico Cell):用於企業或公共室內地區,如機場、火車站、購物中心等環境。
  3. 毫微微型蜂巢式基地台(Femto Cell):用在部署家庭環境的無線存取點,其外觀尺寸與WiFi裝置相似,又被稱為家庭基地台。


另一方面,5G基地台的架構在設計上也做了一些改變,我們先看一下原本4G基地台的架構,如下圖:


它分成天線、射頻模組單元RRU(Radio Remote Unit)和基頻模組單元BBU(Building Base band Unit)。RRU負責訊號數位/類比轉換後的射頻收發功能,BBU大致放在機房裡,主要集中所有的數位基頻處理功能,並將資訊回傳至核心網路轉發。

第01篇文章提到,5G會採用Massive MIMO多天線技術,因為天線增加,連結到RRU之間的饋線也會大幅增加,為了安裝的簡便,所以到了5G時,就把天線和RRU合併成AAU(Active Antenna Unit),稱為主動天線單元。

另外,由於5G為了因應海量聯結熱點部署的要求,所以把BBU分成中央單元CU(Central Unit)和分布單元DU(Distributed Unit),於是分成三層結構(前傳、中傳和回傳),之間主要是透過光纖的連接。如下圖:


CU作為訊號基地台完成集中控制,DU可以僅作為資料基地台,簡化了設定實現隨插即用,並降低了部署條件的要求,為大規模超密集提供了可能。而AAU一體化的設計,可讓它方便掛載到燈桿、建築物外牆或室內。

由於之前受到新冠疫情的影響,從今年2021年起到明後年,才會進入布建基地台的高峰。例如,中華電信(2412)宣布5G網路建設,拼三年完成,2021年5G基地台預計年底前可超過1萬座,而大量的小型基地台(Small Cell),採購的時間點預估落在2022年。

但如此龐大的商機,卻是被電信設備商,如瑞典愛立信(Ericsson)、芬蘭諾基亞(Nokia)、韓國三星和中國華為、中興所壟斷。除了列入美國黑名單的華為和中興之外,其它廠商這兩、三年內業績應該都會大好。


接下來,我們來看看相關產業的供應鏈。在AAU部分主要分成天線和射頻前端模組,天線主要負責訊號的接收與發射,相關領導廠商如下:


中國華為、德國Katherein、美國康普(Commscope)和安費諾(Amphenol ),這幾家已占全球70%以上的市場。另外Katherein已被愛利信併購,而台灣相關的天線廠商有耀登(3138)和譁裕(3419)。

射頻前端模組和手機端的類似,都是進行訊號過濾、消除干擾、放大等功能。主要元件有濾波器、功率放大器(PA)、低噪音放大器(LNA)、環形器(Circulator)、增益模塊(Gain Blocks)、開關、移相器(Phase Shifter)和衰減器(Attenuator)等。相關領導廠商如下:


主要廠商是,荷蘭恩智浦(NXP)、美國亞德諾(ADI)、科沃(Qorvo)、Wolfspeed、Macom、日本住友電工(Sumitomo Electric)、中國Ampleon。其中Ampleon原先是恩智浦的子公司,已經被中國收購。

第02篇文章有提到,在5G極高頻的毫米波段,功率放大器(PA)的半導體製程上,材料可能會改成氮化鎵(GaN),而Wolfspeed的母公司科銳(Cree),本身就是國際GaN元件供應商,可能因此占得先機。

另外,在濾波器的元件上,原本金屬腔體濾波器是基地台的主流選擇,但在5G時,可能會被重量輕、體積小、性價比更好的陶瓷介質濾波器所取代。相關領導廠商如下:


領導廠商主要都是日本和美國,材料為日本京瓷(Kyocera)、富士鈦、Sakai化學、住友化學、村田(MuRata)和美國CTS、Ferro、Transtech。濾波器為日本村田(Murata)、京瓷(Kyocera)和美國CTS、康普(CommScope)。而台灣相關濾波器的廠商是昇達科(3491),和其關鍵材料導電銀漿的勤凱(4760)。

最後,就是BBU(CU/DU)設備會用到的相關晶片部分,這些大都耳熟能詳,所以我就不再說明了,其領導廠商如下:


雖然5G基地台部分,大都被國際大廠壟斷,但台灣一些網通廠,像是中磊(5388)、智易(3596)、啟碁(6285),可注意是否有接到小型基地台(Small Cell)的代工訂單。

這時愛麗絲想到,那有沒有一些接間受惠的廠商呢?留待下文分曉——5G基地台(PCB相關廠商)《請按我》