ITU-R 5G/5G NR WRC-19 IMT-2020

資通訊技術與產業標準探究專欄

迎接第五代行動通訊系統年 環視全球5G頻譜配置現況

2019-12-03
第五代行動通訊(5G)系統的發展,源起於2012年國際電信聯盟無線電通信部門(International Telecommunication Union Radiocommunication Sector, ITU-R)[1]所設下的IMT-2020[2]與未來發展藍圖,自此開始下世代行動通訊系統的願景與技術研究,而全世界各國家、產業組織、與國際公司也紛紛投入發展第五代行動通訊系統的行列。

發展至今,第五代行動通訊系統(即IMT-2020系統)在全世界期待之下,將於2020年面世,並肩負起下世代行動通訊的發展任務。在此同時,國際電信聯盟也積極為國際行動通訊服務(Mobile Service)發展尋找可行之頻譜資源,期望在完成可行性評估研究之後,能夠在2019年世界無線電通信大會(WRC-19)做成新頻譜的配置決議,成為第五代行動通訊系統的發展基石。

國際行動通訊服務首務 管好頻譜配置與衝突

頻譜的管理一直以來是一個國家及產業的重要事務,而頻譜配置是發展行動通訊系統的重要基礎[3],對於目標在滿足各式應用場景效能需求之IMT-2020系統更是一個重要的議題。IMT系統[4]在2015年召開的世界無線電通信大會(WRC-15)結束過後,於6GHz以下之頻率範圍,已於全球配置共1,880MHz之頻譜,ITU-R亦完成未來新通訊技術之研究[5],指出下世代行動通訊系統往6GHz以上毫米波頻段發展之可能性與相關技術趨勢。

基於ITU-R所完成之研究,WRC-15會議也做成決議,將24GHz以上頻譜之配置議題,列入WRC-19之議程討論,期望能在2019年作成關於國際行動通訊服務在該頻段之新頻譜配置決議。
由於電磁波的特性,無線電波的發射非常有可能造成相同或相鄰頻帶的訊號干擾,使運行於該頻段的無線電系統發生傳送或接收失敗,進而影響到所提供之無線電服務。在越來越多無線電應用產生、以及頻譜資源越來越貧乏的情況下,肩負起配置無線電頻譜與協調使用的世界無線電通信大會,其角色與任務將會越來越重要。

為解決在毫米波頻段配置新頻譜以及滿足行動通訊需求之各項議題,WRC-15委託ITU-R,將24.25GHz與86GHz間之頻譜,細分成十一個頻段來進行研究(表1),並依據IMT系統對其他無線電服務所可能造成之影響,進行無線電衝突研究與可行性評估[6]。ITU-R在接受WRC-15會議之委託後,指定任務群組來統籌研究成果,並在研究完成後,提供通信大會之準備文字(Conference Preparatory Meeting Text, CPM Text)以作為WRC-19配置新頻譜之決議參考。

表1 IMT系統頻譜配置與研究
資料來源:ITU-R;工研院整理(092/018)


通訊頻譜衝突難了 IMT規避干擾力圖共存

在ITU-R的研究範圍中,運行於24.25GHz至86GHz間頻率,且可能與IMT通訊系統發生相互訊號干擾的無線電系統,包含有固定式衛星服務(FSS)、地表探測衛星服務(EESS)、衛星間通訊服務(ISS)、太空研究服務(SRS)、無線電天文學服務(RAS)、電波導航服務(RNS)與車用雷達(Automotive Radars)等(圖1)。

圖1 行動通訊服務IMT-2020共存之無線電系統與頻段
資料來源:ITU-R (2018/10)


・固定式衛星服務(Fixed Satellite Service, FSS)與IMT系統

ITU-R於此議題所研究之固定式衛星系統,指的是透過地球同步衛星(Geostationary Orbit, GSO)與非地球同步衛星(Non-GSO)所形成之衛星網路,與地表通訊站進行相互通訊之無線電系統,主要針對地表獨立(Isolated)的區域提供低成本高容量的通訊服務。由於此衛星系統所使用之太空對地表(Space to Earth)與地表對太空(Earth to Space)通訊,多是透過可視(Line-of-Sight)之無線電傳輸方式,因此,若未來之IMT系統被配置於30GHz與40GHz間之頻段,則將有可能對此固定式衛星系統運行於37.5~39.5GHz和39.5~42.5GHz兩頻段的下行通訊,與運行於47.2~50.2GHz和50.4~51.4GHz的上行通訊,發生相互干擾之議題。

・地表探測衛星服務(Earth Exploration-Satellite Service, EESS)與IMT系統

地表探測衛星系統是一種透過主動(Active)或被動式(Passive)之電波傳送接收,來觀察大氣層變化與進行地球探測的無線電系統,其所使用電波通常涉及多個頻段,包含10.6~10.68GHz、25.5~27GHz、31.5~31.8GHz、36~37GHz、50.2~50.4GHz、81~86GHz以及275~3,000GHz等。此無線電服務通常在跨國區域間、透過衛星與地表通訊站間相互傳遞交換訊息,因此通常並未設定太多的發射或接收限制。但有研究指出,在31.5~31.8GHz與36~37GHz可能會發生被動式地表探測衛星與包含IMT系統在內的行動通訊服務發生相互影響的問題,所以此二頻段配置於IMT系統之可行性評估也是ITU-R的重點任務。

・衛星間通訊服務(Inter Satellite Service, ISS)與IMT系統

衛星間通訊指的是在衛星間相互進行資訊交換的無線電波傳遞,原則上是不允許任何的干擾出現。目前為止,ITU-R並未對衛星間通訊與IMT系統間進行頻譜配置的相容性研究。但由於衛星間通訊服務通常也使用固定式衛星服務的無線電傳送,仍有可能在24.25~24.75GHz與25.25~27.5GHz之頻段與IMT系統發生無線電波干擾的情形,因此ITU-R仍將相關頻段之研究列入討論範圍。

・太空研究服務(Space Research Service, SRS)與IMT系統

太空研究服務主要用在太空飛行的載具,作為特定科學探測或技術測試之用,此服務多被賦予各種主動式或是被動式的太空觀察與探測的任務,而太空衛星與地表通訊站的上下行通訊,也包含在此頻率的使用當中。目前可能與IMT系統衝突的候選頻段,包含24.25~27.5GHz、31.8~32.3GHz與37~38GHz。

・無線電天文學服務(Radio Astronomy Service, RAS)與IMT系統

無線電天文學系統是一種被動式接收無線電電波的通訊系統,對於鄰頻(Adjacent Band)電波的干擾非常敏感。由於IMT系統對鄰近頻段的非必要電波發射(Unwanted Emission)[7]將會對無線電天文學服務的接收造成相當大的影響,因此對IMT系統非必要電波的發射抑制以及對無線電天文學的保護,需要在ITU-R內進行研究與協調,主要的研究頻段為31.3~31.8GHz與42.5~43.5GHz。

・電波導航系統服務(Radio Navigation Service, RNS)與IMT系統

電波導航系統服務,主要提供飛行或航行裝置的導航與定位,多用於急難救助,因此對無線電干擾的要求非常嚴格,同時在多數國家也通常被列為較優先的無線電服務。此服務與IMT系統可能有共存疑慮的頻段,主要為31.8~3.4GHz。

・車用雷達(Automotive Radars)服務與IMT系統

車用雷達服務主要用於自動車控制或監控系統,此服務之無線電服務,通常提供做為機動車輛的高解析影像偵測,與短距離車間通訊使用。WRC-15通過決議,決定配置76~81GHz頻段給車用雷達使用,因此車用雷達服務共有5GHz之頻率範圍可能與IMT系統發生衝突議題。

從候選頻譜著手 尋找實際可行性

為避免無線電相互干擾以及保護無線電系統的正常運作,ITU-R依據不同的使用情境與系統布建,來研究並建議相對應之保護機制。由於WRC已為各無線電系統訂有相對應的發射規範,在此討論IMT系統與其他無線電系統,在各個頻段範圍內之電波發射與接收的干擾影響,以及可行的保護機制[8]。本文將前述無線電系統的運行頻率與可能相互影響之頻段範圍,整理成表2。

表2 IMT系統候選頻譜之研究頻段與共存系統(單位:GHz)
資料來源:ITU-R;工研院整理(09/2018)


26GHz頻率範圍

此頻率範圍之研究目標,主要著重在IMT系統於24.25~27.5GHz頻段的主要優先使用(Primary Basis),而可能與IMT系統產生相互影響的無線電系統有EESS、SRS、FSS與ISS系統。
ITU-R的研究指出[9],IMT系統的基地台將會影響EESS與SRS系統的接收,必須設置最小分隔的保護距離,以確保IMT系統對EESS和SRS系統之影響減至最小,否則將衍生國際間的無線電發射爭議。為符合ITU-R對SRS系統之無線電保護規範,IMT系統基地台的布建,必須距離SRS系統接收設備19~20公里以上。此外,若IMT系統的基地台布建能夠與EESS系統接收設備的距離保持6~7公里以上之距離,那麼也將滿足ITU-R對非同步衛星系統的頻譜共享條件。該研究之進一步資料也點出,運作於26GHz附近的衛星系統,至少要與IMT系統基地台與手機分別距離10公里和1.5公里以上,否則在一般都會網路布建條件下,EESS將勢必會受到IMT系統嚴重的干擾。

關於IMT系統對於鄰頻的被動式服務(Passive Services in Adjacent Bands)無線電系統所造成的接收影響,ITU-R亦已完成研究,其結論點出IMT系統在此頻率範圍對於鄰頻被動式系統之非必要電波發射是無法被忽視的,甚且認為,若是僅使用發射波罩之方式來避免干擾,不但效果有限,且仍會在國界邊緣發生干擾議題。

因此,該研究結果建議IMT系統的非必要電波發射必須降至-29dB至-48dB(W/200MHz)以下,如此才可使對被動式服務系統之接收干擾,在不同的設置條件下,降至可接受的範圍。雖然IMT系統之基地台布建與行動終端的分布,可能造成不同之影響結果,但該研究仍建議降低IMT系統非必要發射訊號的強度,將有助於解決對鄰頻無線電系統的影響,甚至可以因為減少無線電系統間的分隔距離,而擴大了IMT系統的服務範圍。

此外,IMT系統也有可能對運行於此頻段的FSS系統造成影響。為使兩系統能夠在此頻段共存,ITU-R建議須為FSS系統之太空衛星額外提供約17dB的保護邊際(Protection Margin),如此才可能讓FSS系統受到IMT系統之影響降至可容許範圍。

除此之外,在IMT系統運作的不同條件下,FSS系統的地面接收站也必須保有-6dB至-27dB不等之干擾與訊號雜訊比(Interference to Noise Power Ratio, I/N)[10],否則將有必要擴大IMT系統與FSS系統的布建間隔,最大距離可能達到28公里以上。由於過大的間隔距離不符合兩系統的運作利益,因此該研究的結論是必須要限制IMT系統在此頻段的無線電發射。

由於IMT系統對ISS系統亦有潛在的干擾影響,ITU-R在其研究中指出,保障ISS系統一定的干擾與訊號雜訊比也是必要的。因此,必須為受影響的無線電系統設定保護邊際,且其數值將因為實際布建的條件不同而不同,可能的範圍介於14dB至25dB之間,如此將可有效消除IMT基地台發射電波對ISS系統的干擾消除。

32GHz頻率範圍

在頻率範圍31.8~33.4GHz之頻段已配置予RNS、SRS以及ISS系統作為優先使用,而31.3~31.8GHz也為EESS、RAS與SRS系統的優先使用頻段。此兩頻段皆可能在IMT系統頻率配置後衍生共存的議題。

依據ITU-R的初步研究,IMT系統將會對運行於31.8~33.4GHz之SRS與RNS系統造成相當的干擾,因此不建議將此頻段配置於IMT系統使用。此外,雖然在設置一定保護距離之條件下,可將相互干擾的問題減至一定程度,但依據其他進一步的研究,RNS與SRS兩系統在此頻段之保護距離需長達83.4公里以及245公里,若是IMT系統配置多天線技術[11],如16×16天線,將會需要更遠的保護距離。考量到布建實現與營運效益的問題,此頻段並不適合配置予IMT系統來營運使用。

在ITU-R關於IMT系統在31.3~31.8GHz對被動式EESS服務之影響研究中指出,IMT系統將會對運行於此頻段之EESS系統造成不小之影響。然而,若為減輕該影響,IMT系統的基地台與行動終端對鄰頻之非必要電波發射,則必須抑制在-26.7至-52.8dB(W/200MHz),和-24.1至-50.7dB(W/200MHz)以下。因此,此研究結果也不建議IMT系統於31.3~31.8GHz之頻段提供無線電服務。

全世界已有許多國家運行RAS系統[12],ITU-R的研究認為,若IMT系統運行於31.3~31.8GHz,將會導致RAS系統遭受到一定的混附發射(Spurious Emissions)影響。依據該研究的分析,若IMT單一發射終端的不必要雜訊為-13dBm/MHz,則對RAS系統的保護距離必須要至少半徑19公里;若是將多個裝置的整體影響列入考慮,那麼保護距離則必須延長至半徑35公里以上。甚且,如果再將IMT基地台的雜訊影響也加入分析計算,其保護距離更有可能長達半徑49公里。顯見如欲克服IMT系統對RAS系統在此頻段之影響,要付出的代價亦不容小覷。

40~50GHz頻率範圍

此部分之研究主要討論IMT系統,對EESS、FSS、BSS以及MSS系統在於37.5~42.5GHz、42.5~43.5GHz、47.2~50.2GHz與50.4~52.6GHz等頻段之相互影響。

經ITU-R的研究發現,運行於37~38GHz的EESS與SRS系統,有可能對運行於鄰頻37~43.5GHz之IMT系統造成不小的影響。因此,在該研究結果中,認為SRS地表接收站須距離IMT系統數公里不等的距離。另一份研究也認為,IMT系統也有可能對鄰頻36~37GHz之EESS與SRS被動式衛星服務造成影響,因此建議IMT系統應該限制最大發射功率不得超過-10dBW[13]。

關於運行於在37.5~42.5GHz頻段的IMT系統,經研究發現有可能受到FSS、BSS與MSS系統從太空發射到地表的無線電訊號干擾。其研究結果顯示,若IMT系統與前述衛星系統之無線電能夠設置足夠的分隔距離,如210至2,000公尺,兩系統相互所造成之干擾將落入系統運作的容許範圍。假使能夠確定FSS之設置位置,IMT系統透過調整布建,亦可解決共存的問題。但若是無法確定FSS系統發射站之位置,那麼對IMT系統的影響則須重新研究評估。

ITU-R研究指出,在42.5~43.5GHz頻段,IMT系統對GSO衛星系統的干擾與訊號雜訊比在-26.5dB與-43.46dB之間,而對Non-GSO衛星系統之干擾與訊號雜訊比則為介於-35.9dB和-49.7dB之間。因此,以長遠之影響狀況來分析,兩個衛星系統分別需要至少5.9dB和8.6dB的保護邊際。對於同是運行於此頻段的RAS系統,ITU-R研究則是建議IMT系統發射裝置之非必要發射功率能夠抑制在-13dBm/MHz以下,而在保護距離的部分,基地台與行動終端分別需距離RAS系統接收站38公里與14公里[14]。

有另一份研究則認為,在47.2~50.2GHz的頻率範圍,FSS系統可能對IMT系統的接收造成影響,因此建議採用保護距離的方式來解決共存問題,即兩系統裝置之設置,依據布建情境與系統參數的設定不同,須間隔160公尺至5,000公尺。此外,兩系統於50.4~52.6GHz也有類似的問題,ITU-R亦建議相同的保護方式。

70/80GHz頻率範圍

在關於66~71GHz頻段的研究當中,ITU-R主要考慮ISS系統和MSS系統與IMT系統之間的影響。研究結果認為,IMT系統與ISS系統基本上在此頻段是可以相容運行的[15]。而在71~76GHz頻段的研究中,ITU-R認為,在系統整體考量固定式服務(Fixed Service, FS)系統[16]與IMT系統之影響下,只要兩系統裝置分離720公尺,即可滿足FS系統之保護條件。此外,若是IMT系統基地台的設置高度在10至40公尺之間,且距離FS接收站達260至970公尺,亦可保證FS系統的正常運作。

因此,ITU-R透過該研究之結論表示,將IMT系統配置於此段使用,對FS系統所造成的影響有限。若以81~86GHz之頻段來討論,考量IMT整體系統對FS系統之影響,FS接收裝置在不同之設置高度下,則需0至710公尺的保護距離。

此外,ITU-R也有研究討論在71~76GHz的頻段,IMT系統對車用雷達系統之非必要發射電波影響。為保證IMT系統對車用雷達的干擾條件能夠降至-6dB以下,若IMT基地台之發射半徑為100公尺,則對車用雷達的保護距離需要300公尺。因此,IMT基地台與通訊裝置的非必要發射功率,必須降至-24.5dBm/MHz。不過,也有另一研究建議,IMT系統對車用雷達之非必要發射功率,不論是基地台或是行動終端,都應該被控制在-30dBm/MHz以下。

關於FSS系統與IMT系統在71~76GHz的議題,有一份由眾多公司聯名提出的報告中顯示,若兩系統能夠保持250公尺以上之分隔距離,IMT系統對將不至於對FSS系統造成長期之影響。至於兩系統在81~86GHz頻段之議題,有研究也指出類似之結果,建議FSS系統與IMT基地台保持250公尺以上的分隔距離,也可以可避免長期的影響。

在一份關於81~86GHz的研究報告中發現,IMT系統大量之非必要發射將會對運行於86~92GHz之被動式EESS系統造成不小的鄰頻影響。該研究的結果發現,若是僅考量單一發射裝置的影響,在不同的模擬條件下,EESS接收站所遭受IMT系統的干擾可能高達11.3dB、23.6dB,甚至29.9dB。因此,ITU-R認為有必要再針對此議題進一步研究。

依據ITU-R的研究,若IMT系統運行於81~86GHz,有可能對配置於76~81以及86~94GHz的RAS系統造成影響。其研究結論認為,考慮頻內干擾的問題,需要在不同的設置情境,為RAS系統提供一定的保護,包含都會區需20.5公里,以及郊區需35至49公里不等的保護距離。若是考量鄰頻干擾,即使在IMT系統之非必要發射功率已經被限制在-13dBm/MHz的條件下,依然需要為RAS設定保護距離,而依據建議,該距離為都會區1.5公里,都會與郊區混和的環境則是6至29公里。不過,實際狀況仍須視真實布建的情況與IMT系統參數來進一步調整。

各區域異中求同 WRC-19會議尋共識

WRC全球電信大會是ITU-R每三至四年舉辦一次的全球電信大會,會上將討論決議全球關於無線通訊發展、電信法規以及頻譜配置等的重要決議。為了促進WRC全球電信大會的討論以及決議進行,在ITU的授權下,國際上不同區域間,各自成立代表該地區國家的區域性國際組織,事先收集資訊,討論共識、確定立場、以準備遞交至WRC全球電信大會的提案。由於涉及區域性的國家及國際事務,該區域性國際組織具有代表該區域國家在WRC會議上發言的權力,也因此區域性國際組織的提案,將有別於其他單一國家所準備的提案,而在WRC全球電信大會上具有較高的影響力及優先權。

世界各國與區域性組織已逐步完成IMT系統新頻譜配置的研究與共識,但也因為各個區域與國家,可能會因為地理與文化的差異,而對於各個候選頻譜的配置有不同的看法與立場。在此情況之下,若是能夠經由ITU-R之研究,在眾多候選頻譜之中找尋合適且可共存的頻譜,那麼該頻譜將非常有可能在WRC-19會議上取得共識。

依據本文所整理之ITU-R可行性研究,如圖2所整理,24.25~27.5GHz、37.5~52.6GHz、66~71GHz、71~76GHz、與81~86GHz皆非常有可能在WRC-19會議上取得共識,而成為下階段IMT系統的全球共通頻譜。

圖2 ITU-R可行性研究與結論
資料來源:ITU-R;工研院整理(09/2018)


(本文由台灣資通產業標準協會提供,作者為工研院資通所新興無線應用技術組暨台灣資通產業標準協會前瞻行動通訊技術工作委員會頻譜工作組組長。本文為節錄自台灣資通產業標準標準協會「5G系統頻譜研究報告」之部分內容,並經適當修改後完成。)

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