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拓荒5G高頻新大陸 通訊產業競逐毫米波技術
新通訊 201710 月號 200 期《 封面故事 》
文.廖專崇
毫米波過去多被應用在航太如衛星、軍事等領域,近年因為應用需求與技術進步,而逐漸有被導入商業應用的趨勢,5G更是必須依靠毫米波達成高速傳輸速率。本文就將從毫米波的技術優勢與發展現況切入,再探討其技術瓶頸與相對應的解決之道。
5G寬頻通訊要達成高速傳輸的目標,重點就在高頻毫米波(mmWave)的應用,5G標準願景在傳輸速率上,希望一般峰值傳輸速率達10Gbit/s,理想環境下峰值傳輸速率更要提升到20Gbit/s,並且在無論甚麼情況下,傳輸速率皆維持100Mbit/s以上。這種等級的性能要求,若以目前常用的6GHz以下頻段,大概只有在實驗室採用特殊方法才能達成10Gbit/s的傳輸速率,加上這些頻段因為「開發」較早,頻段非常壅擠,才會有業界提出往更高頻毫米波發展的趨勢。 

毫米波過去多被應用在航太如衛星、軍事等領域,近年因為應用需求與技術進步,而逐漸有被導入商業應用的趨勢。而毫米波的應用就像我們在都市中蓋房子一樣,土地資源有限,所以在最容易取得的土地資源接近飽和之後,房子就越蓋越高,但高樓大廈除了有其發展極限之外,也會有不少專屬於高樓大廈的問題。 

相較於6GHz以下的頻段大部分都被各式應用占滿,毫米波頻段尚能提供許多「素地」,有相當大的可用頻譜,但也包含許多在戶外通訊所面臨的高頻無線接收的技術挑戰,像是路徑傳輸損失(Path Loss)、穿牆性(Wall Penetration)、在雨中的衰減(Rain Fading)、甚至因為水氣與氧氣吸收所致的傳輸耗損(Propagation Loss)等問題,本文就將從毫米波的技術優勢與發展現況切入,再探討其技術瓶頸與相對應的解決之道。 

各國毫米波頻譜規畫存異求同 

一般而言,人類技術目前有機會應用的無線電頻率大約到300GHz,而30~300GHz的電磁波波長約是1~10毫米(mm),就稱為「毫米波」,目前5G系統規畫的毫米波頻段應用大概是在30~100GHz。無線通訊的最大訊號頻寬是載波頻率的5%左右,代表載波頻率越高,可實現的訊號頻寬也越大。像4G LTE頻段最高頻率的載波在2GHz上下,可用頻寬就只有100MHz。因此,如果未來5G使用毫米波頻段,頻寬便能輕鬆翻漲10倍,傳輸速率將大幅提升。 

事實上,就技術規畫的趨勢來看,6GHz以下頻段的通道規畫就是以100MHz為上限,在毫米波頻段則大幅提升到100~400MHz,絕對能讓5G系統盡情地飆速。以目前各國無線電波主管機關的規畫進度來看,美國率先於全球發布5G頻譜規畫,2016年7月美國聯邦通信委員會(FCC)公布其於5G頻段資源分配規畫包括11GHz、28GHz、37GHz、39GHz等(表1);而歐盟與中國也陸續發表了頻譜發展規畫,預期接下來世界各國的毫米波頻段也相近,第一階段的毫米波應用在40GHz以下,尤其以30~40GHz為主,另外都把握了高低頻段協同、中低頻為基礎、高頻為補充的原則。 

2016年初3GPP與世界各主要通訊大廠合作,完成了幾個主要毫米波通訊頻段的初步量測,公布了有關毫米波通道模型的技術報告:TR38.900,除了釐清與證明毫米波頻段作為5G操作頻段在戶外通訊的可行性,並且作為全球在開發5G毫米波通訊系統的共同依據。 

迎擊毫米波技術挑戰 

毫米波高頻技術特性,過去較不為產業熟悉,所以近年要導入商用,勢必經過一番陣痛與摸索期,待更了解其技術特性後,確實發展出克服技術問題的方法,就能迎接高速成長期。 

高頻路徑損失(Path Loss) 

路徑損失就是訊號強度隨著傳播路徑增加而衰減,為發射天線至接收天線之間的功率差值。所以就理論而言,越高頻訊號損失越嚴重,訊號強度與頻率的次方成反比,也就是說頻率2倍,訊號強度只剩1/10,頻率提升3倍,訊號強度只剩1/100。 

傳輸耗損(Propagation Loss)

傳輸耗損就是毫米波在戶外傳播時,訊號容易為雨滴、水分與氧分子吸收,基本上越高頻所受到的影響越嚴重,部分頻段受影響的程度又特別明顯,比如60GHz。但28GHz與38GHz則是耗損相對低點,這也是為什麼這兩個頻段目前是導入5G應用的明星頻段的原因之一。另外,頻率越高可用頻寬越大,所以38GHz傳輸耗損雖然較大,但可用頻寬也較28GHz來的大。 

穿牆性(Wall Penetration)

無線電波的穿牆性從電波繞射特性而來,一般而言低頻訊號因為波長較長,所以出現繞射效果,中科院電子系統研究所長林清泉解釋,電波不會穿牆,其實是因為繞射讓我們隔著牆還能接收到訊號,但是毫米波的訊號因為頻率高、波長短,繞射半徑短,感覺上就像是訊號被牆給擋住,所以穿牆性相對變得很差。 

解決方案多管齊下 

因應上述毫米波技術特性,目前業界也陸續提出許多解決方案,包括小型基地台(Small Cell)、大規模多重輸入多重輸出(Massive MIMO)、波束成形(Beamforming)與波束追蹤(Beam Tracking)等與基地台、天線有關的技術,已能有效解決部分毫米波技術瓶頸,相信未來還會有更多前瞻的技術陸續推出,逐步將毫米波帶向正式的商業應用。 

小型基地台(Small Cell)

因應毫米波傳輸距離短、訊號易衰減特性,5G需要較3G/4G更密集的基地台布建,小型基地台似乎是最佳選擇,因此5G時代的Small Cell與過去不同,主要目的是為強化毫米波訊號的覆蓋與維持傳輸效能。另外,因應分散式處理與行動終端運算(Mobile Edge Computing, MEC)原則,英特爾產品行銷經理李俊男(圖1)表示,在地化處理的伺服器,搭配Small Cell可以提供更具智慧化、高效率、彈性化的5G網路處理。 

圖1 英特爾產品行銷經理李俊男表示,在地化處理的伺服器,搭配Small Cell可提供更智慧化、高效率、彈性化的5G網路。
大規模多重輸入多重輸出(Massive MIMO)

MIMO技術近年廣泛應用在無線通訊的天線系統,拜毫米波短波長的特性,MIMO天線間距可以大幅縮小,形成大規模多重輸入多重輸出(Massive MIMO)陣列天線系統。Massive MIMO導入空間域(Spatial Domain)的途徑,其方式是在基地台採用大量的天線並為其進行同步處理,如此則可同時在頻譜效益與能源效率方面取得幾十倍的增益。 

未來行動終端可能會有2~8根天線,以強化訊號傳送/接收,基地台則採取陣列天線,目前已有相關廠商發表64(8×8)、256(16×16)根或更大規模的天線,並以波束成形與波束追蹤技術強化訊號,訊號波束會追蹤裝置提供訊號,而不是強調訊號的覆蓋範圍。 

波束成形(Beamforming)

要解決毫米波在戶外通訊的高頻無線接收問題,其解決方案為設計大量或巨量的天線陣列(Antenna Array),透過天線陣列的適當設計使每個天線的輻射場型(Antenna Pattern)產生正向耦合(Positively Coupling),來提升天線增益。此時正向耦合後的陣列天線輻射場型會成為細窄的輻射波束,同時具有很大的天線增益,此即所謂波束成形技術。 

波束追蹤(Beam Tracking) 

因為天線陣列所形成的波束,其半功率波束寬度(HPBW)隨著天線陣列中天線元件的個數越多而越窄,使得原本在4G或之前在sub-6GHz低頻段全方向(Omni-directional)傳輸的方式變成了指向性(Directional)傳輸,在行動通訊終端用戶(UE)會移動的情境之下,便又衍生出對準的問題;也就是如何使大量或巨量的天線陣列所形成的波束能夠隨終端用戶的移動而轉向,以提供移動傳輸並始終維持較佳通訊品質的能力,此則是透過波束追蹤演算法的設計來達成。 

除了毫米波通訊連結的問題之外,高頻元件的成本、耗電、製程、發熱問題也還有待解決,可以預見在2020年之前所推出的5G終端,效能都須持續改進,以達成標準預期規畫的目標。 

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