mmWave 5G NR eMBB 行動網路 RF

釋放5G潛力 毫米波加速行動網路奔馳

2019-05-08
隨著網路吃到飽方案的推出,以及不斷成長的物聯網、智慧城市和車載應用生態體系,無線網路電信營運商正面臨行動寬頻流量的爆炸性成長。本文將深入探討如何透過毫米波技術的加持,讓行動網路更上層樓。

全球的行動數據總流量預計將在未來6年內成長5倍,於2024年底達到每月136艾位元(EB)的流量。而北美的智慧型手機流量預期將居全球之冠;迄至2018年底為止,北美地區的流量已達到每月8.6GB,且這數字很有可能在2024年時達到每月50GB[1]

上述趨勢正帶來龐大的行動網路頻寬需求,而這項需求的唯一解決方法就是5G。為了要讓5G的潛能可以完全發揮,行動電信營運商不只需要以更有效率的方式運用頻譜,還需要能夠取得新的頻譜。

毫米波(mmWave)頻譜,意即24GHz(含)以上的頻段,為5G行動寬頻迎來一個全新的領域。毫米波開拓了GHz頻寬的範圍,不僅釋出更多網路容量,也能支援極高的數據傳輸速率和低延遲表現。全新科技的發展有助人們克服許多毫米波頻段的不利特性,並為5G新無線電(5G NR)毫米波打造一條顛覆行動網路的道路。

雖然毫米波有望為5G行動寬頻帶來廣大的頻寬,卻也有其獨有的挑戰需要加以克服,才能實際用於行動使用情境上。毫米波在行動通訊上最大的障礙,來自其訊號的傳播特質。相較於傳統用於LTE的蜂巢式頻段(如2GHz),毫米波的路徑損失高出許多,因此只能覆蓋幾百英尺以內的範圍。因此,早先人們一直覺得毫米波太過昂貴,不適合用於行動網路,因為電信營運商若希望毫米波的覆蓋範圍能與LTE相似的話,需要布建的毫米波小型基地台將多上許多。

克服行動毫米波挑戰 打造5G NR新未來

為了克服毫米波覆蓋範圍的挑戰,可利用波束寬度窄的先進波束成形技術以解決與毫米波相關的大部分路徑損耗問題。實地測試和網路模擬都顯示,電信營運商透過將毫米波與現有LTE基礎設施共址,相較於LTE能實現高達75%的顯著覆蓋率,且中間頻譜的突發下行傳輸速率也能達到數千兆位元。當然,電信營運商應持續利用額外的小型基地台來增強其毫米波網路的密集度,以實現更佳的覆蓋率。

此外,毫米波訊號另一項廣為人知的弱點,就是很容易受到日常物品的阻擋,舉凡樹葉、牆壁,就連惡劣的天氣也會阻擋訊號。因此,許多無線網路的業界人士都認為毫米波只能用於直線視距(LOS)傳播。

然而,現在的波束成形和波束追蹤技術已有全新進展,能夠利用多個訊號路徑和訊號反射,以解決易受阻擋的問題。高通已開發出高效的回饋演算法,成功發展出非直線視距(NLOS)傳輸以及非直線視距行動毫米波,並於2015年底首次對外展示。

因為毫米波的訊號傳播特性,許多持保留態度者認為毫米波只適合用於固定的使用情境,如無線回程網路或衛星通訊等,而這兩個領域確實也是毫米波目前最能商用的領域。然而,諸如適應性波束控制以及基地台內或基地台間波束切換等新技術,皆能支援毫米波通訊,提供更穩健的行動力(圖1)。

圖1 逐一拆解毫米波用於行動網路的錯誤論點
資料來源:高通

裝置的外形設計則是行動毫米波的另一項挑戰。裝置在使用中時會消耗較多電力,因其使用了較多頻寬,為手機帶來過熱的問題。然而近來新發表的數據機、RF和天線產品則顯示,經過優化的5G新空中介面毫米波系統能夠符合外形、電力和耐熱力等方面的需求。

揮軍行動網路應用 毫米波發展馬不停蹄

在研究5G多年之後,首個5G NR規範(3GPP Release 15)終於完成制定,為2019上半年推出首波符合5G NR標準的商用布建鋪下成功的道路。這項5G NR的首個標準使用非獨立組網(NSA)5G NR配置,能夠利用現有的LTE無線電和核心網路設施,將其作為行動力和覆蓋範圍的錨點(圖2)。

圖2 利用共址可使5G NR毫米波的室外覆蓋範圍大幅增加
資料來源:高通

3GPP隨後也在2018年6月完成了獨立組網版本的5G標準規範,商業配置則預計於2019下半年開始。獨立組網版的5G標準利用了新一代的5G核心網路架構(5G NGC),大幅簡化網路架構,可用較低成本創造更高效率,還能使效能改善到接近網路極限。現在,Release 15的商用正在推動中,電信營運商預計將於2019上半年開始布建增強型行動寬頻(eMBB)。初期的5G NR產品將會包含定點存取用的CPE以及包括數據卡、智慧型手機和聯網筆記型電腦在內的行動裝置。

為了實現2019年為行動毫米波元年的目標,已有廠商推出相關的解決方案,如高通在2016下半年時發表Snapdragon X50 5G數據機,為首款同時適用於毫米波以及6GHz以下(sub-6GHz)頻段設計的商用5G數據機晶片組解決方案。2018年,高通發表全球首款專為行動裝置設計的5G NR射頻模組,同時宣布推出Snapdragon 855行動網路平台。

該公司自2018下半年開始,就和許多虛擬行動網路電信公司(MNO)及基礎設施廠商合作,執行5G NR的實地測試,同時其5G NR解決方案將於2019年時,和其他30多個商用5G產品一同推出。

毫米波帶來新商機

毫米波技術將會帶來一連串新的布建情境並為電信營運商帶來新商機。其中最大的商機,來自於將毫米波運用於室內的網路連線以滿足先前未能滿足的需求。毫米波讓電信營運商可透過與小型基地台共址的方式利用現有的室內連線設施,Wi-Fi或蜂巢式網路皆可。室內毫米波的布建將使下行和上行鏈結的覆蓋範圍能達到與Wi-Fi相似的程度,同時還能有好幾千兆位元的最大突發傳輸速度以及更大的頻寬,因此能補足現行Wi-Fi的不足之處。

室內5G網路也能為以企業為主要客戶的電信營運商帶來新商機。電信營運商將能支援無纜線的行動辦公室服務,像是數千兆位元的連線速度、更大的容量,以及能與筆記型電腦、平板和智慧型手機連線的蜂巢式網路。此外,透過毫米波隔離技術,可為會議室等特定區域提供較大的容量,甚至還能將覆蓋範圍延伸至戶外。

相較於先前的蜂巢式技術,毫米波在人群密集的地方也能提供更佳的服務。電信營運商將能在大型會議室或戶外體育場等環境裡,提供高達數千兆位元的服務,而且還有低延遲與近乎無限的容量。布建在人群稠密的戶外場地時,電信營運商可利用現有的LTE基礎設施以及LAA小型基地台,並讓毫米波與LTE設施共址方式,以提供千兆位元LTE服務,從而透過增加容量以增強當前的蜂巢式網路產品。而如果是人群稠密的室內場地的話,未來則可以有快速、穩定且低延遲的連線品質,還能透過電信營運商的網路存取安全性高的網路,如此一來將可讓電信營運商新增一筆不小的收益來源,為顧客提供個人化且具附加價值的行動網路體驗。

前進未來 5G毫米波優化有妙方

對於毫米波,有許多在3GPP Release 15之外的新功能已被提出且正在著手研究中,相信將能讓毫米波運用於新的裝置、布建和頻譜上。整合過的存取方式加上回程網路使電信營運商能夠再利用現在用於存取與回程網路的頻譜及裝置。如此將能使業者在布建5G NR毫米波的小型基地台時,有更多彈性。隨著可支援的頻譜增加,電信營運商將可使用高於52.6GHz的頻段以及無需特許的頻段。而波束管理能力的提升,例如全波束優化技術和支援多天線板波束的能力,則能降低延遲、使網路更加穩健。寬頻定位可使裝置的定位能力精準到誤差在半公尺以內,適合新的物聯網及汽車使用。雙重的連線能力改善不僅可提升覆蓋範圍供裝置使用,還能降低初始存取回應延遲。

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