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【Exynos說分明】③ 深入探索電信服務三要素:數據機、連結性與安全性

科技

 

結合AI的超高效能數據機:實現無所不在的高速順暢通訊

 

數據機(Modem)一詞涵蓋各式種類,從1990年代個人電腦上網使用的撥接數據機,到數位用戶線路(Digital Subscriber Line,DSL)、纜線等有線通訊數據機,乃至蜂巢式網路和無線網路所使用的無線數據機。然而,現今在行動通訊產業所談論的數據機,通常指支援LTE和5G無線通訊的蜂巢式數據機。

 

智慧型手機中,終端數據機負責透過與基地台交換訊號,完成接聽電話、傳輸與接收資料的任務。我們能夠隨時隨地撥打電話、觀看影片,皆歸功於高效能的蜂巢式數據機。如今,新一代的蜂巢式數據機可全面支援2G至5G。

 

蜂巢式數據機首先應用於1G類比通訊,僅可撥接電話。2G時代開始採用數位訊號(註一),出現SMS簡訊等附加服務。3G為手機上網的開端,奠定行動寬頻網路(註二)的發展基礎。4G則真正開啟手機寬頻時代,可順暢觀看HD影片。而韓國於2019年率先商用化的5G網路,目前速度已達10Gbps,並具備低延遲與超連結的特性,除行動通訊,亦廣泛應用於各個領域。

 

▲ 各代行動通訊技術特點比較。

 

 

進入LTE時代後,資料傳輸大幅加速,使手機功能足以媲美電腦。三星電子早在2000年代前便已嘗試自主研發數據機,並於2007年正式投入LTE數據機晶片研發,在充分掌握2G與3G技術後,2009年領先全球推出LTE商用數據機。

 

▲ 數據機與基地台之間的通訊運作流程。

 

2012年,首款搭載三星自研LTE數據機的Galaxy S系列手機問世。2019年整合式5G SoC Exynos登場,為業界首創整合5G通訊數據機與行動應用處理器的晶片。Exynos將兩種不同功能的晶片合而為一,既提升能源效率亦減少佔用空間,簡化手機設計。目前,Exynos的5G(註三)數據機不僅支援sub-6GHz,也支援28GHz與39GHz毫米波等極高頻段(Extremely High Frequency);其優勢在於sub-6GHz擴大了服務覆蓋範圍,毫米波則提供靠近基地台的超高速通訊。

 

如今,三星已躍升全球前三大5G數據機設計品牌。「一般而言,數據機必須同時支援5G等新技術,以及3G、LTE等商用化技術,研發挑戰很高,同時也需投入龐大資金,因此全球僅少數廠商有能力生產數據機晶片。」三星電子副總裁Jungwon Lee表示,他為訊號處理專家,現率領系統半導體事業部數據機研發團隊,並曾任職於美國三星電子裝置解決方案事業群和美國三星研究院隊。「而且從演算法,到晶片設計、軟體開發再到實地測試,研發時間軸十分長。」

 

▲三星數據機研發團隊副總裁Jungwon Lee(右)和專案負責人Huiwon Je(左)致力提升蜂巢式數據機研發效能。

 

三星正於全球各地進行實地測試,盡可能擴展服務覆蓋範圍,並多管齊下提升基頻訊號處理表現,包括借助AI技術以加快傳輸速度。因此,去年三星成功打造結合AI演算法的數據機,並朝商用化目標邁進。Lee表示:「數據機有了AI處理器加持,可大幅降低訊號干擾、顯著優化能源效率,進而推升整體效能。」

 

除了完善5G,三星的6G研發亦正如火如荼展開。Lee接續說道:「現階段將著重打造全球頂尖的5G數據機與5G-Advanced數據機,同時與美國三星電子裝置解決方案事業群和三星研究院合作,為即將來臨的6G時代,進行6G數據機研發準備。」Jungwon Lee於數據機訊號處理技術領域貢獻卓著,獲選美國電機電子工程師學會(IEEE(註四))會士。

 

「6G數據機的傳輸速度有望達到1Tbps等級,支援衛星通訊等不同類型網路,應用範圍從智慧型手機擴展至汽車、物聯網和AR、VR等多樣化場景。為順利接軌6G,必須有豐富頻段作為後盾,包括太赫茲(THz)在內,還需要至少上百組的多天線架構,以及先進的AI技術與通訊網路的高效訊號處理技術。」

 

於此同時,在Lee的帶領下,三星致力打造業界最佳Android手機數據機。Lee表示:「短期將以擴展5G業務為重,中長期目標為搶先佈局6G,站穩領導地位。」三星計畫大幅擴編數據機研發團隊,以實現上述目標並拓展相關商機。

 

 

當被問及熱衷數據機研發的原因,Lee回答:「能夠於全球數據機領導品牌服務,並實際參與研發,我非常自豪。就我個人而言,看見所學的理論知識一一套用於實際產品當中,是很特別的體驗;隨時隨地順暢通話與高速上網為現代人的日常,而數據機正是便利生活的關鍵推手,三星數據機研發團隊將秉持熱忱,持續致力於研發工作。」

 

 

強化速度與穩定表現,連結無遠弗屆

 

蜂巢式網路與連結性為行動無線通訊領域的兩大技術標準。蜂巢式網路由3GPP(第三代合作夥伴計畫(註五))主導,涵蓋CDMALTE5G等標準。此類網路由多個基地台基礎架構組成,將特定頻段中的不同頻寬授權於電信業者使用。連結性則以IEEE 802.11Wi-Fi)/802.15(藍牙、ZigBeeUWB(註六))標準為代表,採用公用ISM頻段,並依據各地電信標準,提供公共的室內網路服務。

 

▲規範不同類型無線網路的Wi-Fi協定

 

「蜂巢式網路」為一種行動通訊架構,主要由覆蓋廣泛的既有網路組成。另一方面,「連結性」可使短距離內的裝置無線存取,無須透過業者的網路架構,即能創造無線、可攜式的便利體驗。其中,Wi-Fi於室內長距離連線的表現突出,傳輸速度較蜂巢式網路快又穩定,所以手機或筆電上網時,多數選擇連接Wi-Fi。與點對點(peer-to-peerP2P)網路相同,Wi-Fi較適合選擇性且密集型的通訊,必要時可支援高速傳輸,更符合擴增實境(AR)與虛擬實境(VR)等新世代物聯網裝置的需求。

 

現今已難以想像沒有Wi-Fi的生活,但不要忘了,20年前無人預料到Wi-Fi將成為最普及的無線通訊技術。然而,隨著智慧型手機將以技術作為研發重點,市場逐漸意識到,於資料量爆炸的時代,Wi-Fi為最佳解方;且相較於蜂巢式網路,Wi-Fi建置與營運成本低,所以仍然呈倍數成長。

 

與採用基礎架構網路的蜂巢式系統不同,Wi-Fi的資料鏈路範圍最多不過幾百公尺,為標準的區域型網路。此外,其使用不須授權的頻寬,容易受其他電信系統干擾,恐怕無法達到進階服務品質(Quality of ServiceQoS(註七))。然而,受惠於蜂巢式網路與Wi-Fi匯流技術的日益進步,Wi-Fi便利性只增不減,提供不中斷的上網體驗;而全球早已將Wi-Fi視為公共基礎架構,非僅為一種網路技術。

 

2016年,三星成立專門團隊,研發與Exynos處理器整合的Wi-Fi技術。」三星連結性研發團隊執行副總裁Joonsuk Kim表示,2016年加入三星的他,旋即擔任此新團隊的負責人。「不過四、五年的時間,我們從傳統通訊協定一路進展至第六代Wi-FiWi-Fi 6),確保技術穩定且完備。儘管當時團隊沒有足夠資金與人才,我們的技術仍很快迎頭趕上。」他回憶道。

 

 

▲ Exynos的Wi-Fi技術水準短短六年內便直逼領導品牌

 

繼研發Wi-Fi 6E與前幾代Wi-Fi協定,並達成商用化後,三星電子目前正著手研發Wi-Fi 7,預計將應用於新世代旗艦級離散式數據機晶片。由於Wi-Fi需適用於所有可支援最新協定的行動裝置和物聯網裝置,舊版協定的效能必須提升,除了維持於一定水準,還需兼顧最新協定的效能表現。最新Wi-Fi 7協定預計於2024年問世,其特色為擁有多重連接模式(Multi-Link OperationMLO(註八))、通道頻寬擴展至320MHz並支援4096QAM調變(註九)。得益於此,其資料傳輸速度與容量雙雙升級、提升電源效率,於人潮密集處提供不中斷的無線上網體驗。

 

▲ 全球Wi-Fi市場規模預估從2022年的47億美元成長至2027年的60億美元。
資料來源:《LANCOM(德國數位政策調查報告)》,TSR(2022年六月)

 

為使Wi-Fi速度更上層樓,處理器內部的核心結構必須更複雜,且搭載高容量記憶體。

 

Kim說道:「為此,我們正專注研發多處理器結構,掌握高速傳輸必要的IP。儘管目前Wi-Fi解決方案仍由外國品牌主導,但Exynos採用的Wi-Fi技術,為韓國唯一大規模的商用化解決方案。因此我有信心,三星研發的行動SoC嵌入式Wi-Fi解決方案絕對首屈一指。」

 

唯有最好的產品才能滿足市場需求,因此,於Wi-Fi競爭中,居於領先至關重要。雖多數人對Wi-Fi的高技術含量無實際概念,但可隨時隨地擁有快速不中斷的Wi-Fi,無疑是廣大用戶的基本要求。

 

Kim表示:「電信業者在行銷手機產品時,常大力強調其蜂巢式網路連線能力,所以消費者普遍對於LTE5G等技術創新較有感。相較之下,大眾似乎沒有意識到Wi-Fi技術的發展有多麼快速。」

 

▲三星執行副總裁Joonsuk Kim深耕連結性領域20年。

 

儘管如此,談及Wi-Fi未來是否仍將扮演重要角色,Kim給予肯定的答案。

 

Kim表示:「目前透過Wi-Fi傳輸的資料量,占整體無線傳輸的七至八成(註十)。蜂巢式網路和連結性技術擁有各自的適用情境,且短期內不會產生較大的改變。Wi-Fi和蜂巢式網路應攜手前進、相輔相成。IT存在於生活的各個層面,因此致力消除室內訊號死角,確保Wi-Fi網路快速穩定,為技術發展的關鍵重點。」

 

 

若需完整掌握ARVR和元宇宙等新應用商機,Wi-Fi必須具備高速度與低延遲的優勢。

 

Kim解釋:「Wi-Fi使用2.4GHz5GHz6GHz等低頻頻段,因此繞射程度較高,資料傳輸相對快速穩定。」

 

隨著6GHz頻段將可用頻率提升至320MHz,裝置間以超高速、低延遲的網路連結,有望比預期更早成真。Kim特別強調Wi-Fi在其中扮演的關鍵角色同時,三星連結性研發團隊已透過採用L5衛星和感應器校正技術實現高精準定位,完成新一代藍牙(BT5.2)和全球導航衛星系統(GNSS)的研發與商用化,並應用於旗艦產品;近期更達成公分等級精準度的室內定位。Kim進一步提到,若其能結合超寬頻(UWB)-專為測距而研發、正準備首次商業應用的技術,將發揮強大效能,未來有望支援高規格物聯網服務和應用。

 

Kim最後提及:「為使新產品具備領先優勢、長期競爭力與發展性,同時提前確保產品具有高度穩定性與相容性,我認為採用無線存取點(註十一)和打入相關市場是關鍵。」

 

 

保護手機用戶隱私:強化單獨保護執行環境的安全性(iSE

 

時至今日,智慧型手機肩負多重任務,最重要的兩項為擔任身分證和錢包角色。以生物辨識、行動身分證(eID)和Samsung Pay為例,使用上述服務通常需要驗證用戶身分,但過程中難保不會有駭客趁虛而入。有鑑於此,手機必須於軟體外再多一層安全防護,亦即硬體、甚至是半導體。

 

手機裡負責安全防護的半導體稱為安全元件(Secure ElementSE),通常單獨嵌入於SoC外的元件(eSEembedded Secure Element)。但Exynos 2020則採用內嵌於SoC安全區塊的整合式安全元件(iSEintegrated Secure Element)。

 

三星設計平台研發團隊副總裁Jongwoo Lee表示:「我們將Exynos嵌入式iSE研發專案命名為『STRONG』,即新世代安全防竄改(Secure Tamper-Resistant of Next Generation)的縮寫。iSESoC中單獨執行安全程式的操作環境,不僅具備eSE可單獨外掛的功能,還可控制SoC的安全性。其擁有的進階處理能力推動了高效能表現,同時可安全擴展至外部記憶體,例如DRAM和快閃記憶體。不只如此,其還能進一步保護主動式安全模組中的SoC。」

 

▲ (左起)AP S/W研發團隊的Keunyoung Park、設計平台研發團隊副總裁Jongwoo Lee、專案負責人Bogyeong Kang和Sunghyun Kim竭力為行動裝置打造最佳安全環境。

 

iSE的任務為裝置安全與安全服務。裝置安全著重於提升裝置本身的安全性;安全服務則是保護儲存於裝置內的個資,如行動身分證、行動支付與汽車鑰匙。

 

Lee提到:「團隊於今年年初完成概念驗證(PoC)並成功研發iSIM(註十二),即iSE中可用性最高的服務。其中,三星研究院負責打造iSE安全作業系統(Camelia),數位安全公司Thales負責研發iSIM安全應用,經雙方密切合作才得以實現。」

 

iSIMSIM卡功能整合於SoC,是嵌入式SIM卡(eSIM)的升級版。此舉大添便利性,如用戶欲更換電信業者,不需換SIM卡則可同時擁有兩組以上電話號碼,並於一台裝置上使用多家電信公司的服務。以手機廠商角度而言,因iSIM如同離散式eSIM,不需單獨對應的半導體即可直接於SoC內運行,能省去SIM卡卡槽並減少零組件佔用空間,為一大優點。

 

▲uSIM、eSIM和iSIM尺寸比較

 

成功研發iSIM對三星來說意義重大,研發團隊克服重重挑戰,以達成嵌入式iSIM的技術環境要求。

 

Lee表示:「iSIM須符合全球行動通訊系統協會(GSMA)技術要求,亦即嵌入作業系統軟體和硬體的iSIM皆須通過CC EAL4+(註十三)安全認證。而三星硬體的安全等級較標準更高一級,達到CC EAL5+。我們更研發出可以安全嵌入大型SIM設定檔(profile)的外部記憶體。」

 

 

「三星是唯一一家同時供應eSEiSE的品牌,也就是eSIMiSIM的基本技術。手機廠商皆可輕鬆導入三星解決方案,且擁有更高彈性。我相信,沒有所謂『完美』的安全解決方案,但三星仍盡力於技術方面盡善盡美。團隊將持續研發高安全性的執行環境,以適應不同平台多樣的安全功能。」

 

 

註一:數位通訊:將類比訊號轉換為數位訊號,傳輸至另一方,再轉換至人類可辨識的類比訊號。相較類比通訊,可實現高品質與大容量資料傳輸。

註二:行動寬頻:支援行動裝置(如智慧型手機和平板)高速多媒體網路服務的技術。

註三:New Radio(NR):為第五代行動通訊技術,涵蓋sub-6 GHz和毫米波(24-100 GHz之間的高頻頻段)。毫米波擁有超高速、超低延遲和超連結的優點,美中不足為繞射程度低。

註四:美國電機電子工程師學會(Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE),亦為全球最大規模的技術組織。

註五:第三代合作夥伴計畫(3GPP):成立於1998年十二月,為全球行動通訊標準化技術合作組織,旨在制定無線通訊相關國際標準,如GSM、WCDMA、GPRS和LTE。

註六:超寬頻(Ultra-Wideband,UWB):此技術將最大發射功率限制於-41.3 dBm/MHz以下,避免干擾其他無線訊號,但採用大頻寬(500MHz)實現高傳輸速率。

註七:服務品質(Quality of Service,QoS):為一種確保網路通訊服務品質的機制,延遲時間或資料損失率低於一定水準;也指事先約定或定義的通訊服務等級。換言之,QoS為多種技術的總稱,透過有效分配頻寬和優先順序,將不同應用的資料傳輸需求與可用的網路資源自動配對,以一致且穩定的速度,將資料快速傳送至目的地。

註八:多重連接模式(Multi-Link Operation,MLO):此技術可同時連接不同頻段上的多個通道。

註九:4096 QAM(Quadrature Amplitude Modulation,正交振幅調變):透過調變同相載波訊號與正交相位載波訊號的振幅和相位,調整資料傳輸,尤其適用於以較窄頻寬傳輸大量資料的情境;4096QAM中每個符號承載12位元資料。

註十:出自〈Cisco VNI predicts bright future for Wi-Fi towards 2022〉,2019年2月22日。

註十一:無線存取點(Wireless Access Point):無線區域網路中作為基地台的低功耗無線設備,亦稱為Wi-Fi訊號延伸器、Wi-Fi訊號放大器或無線訊號延伸器。

註十二:整合式SIM卡(iSIM):一種內建的用戶身分模組,亦稱為整合嵌入式通用積體電路卡(ieUICC)。

註十三:共同準則評估保證等級(Common Criteria Evaluation Assurance Level,CC EAL):共同準則(CC)為評估IT產品和特定網站安全性的國際標準;評估保證等級(EAL)為界定安全評估的等級。

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