5G毫米波無線接入系統標準、挑戰、現狀

2020-11-04 16:17 閱讀 776 次瀏覽 次 評論 0 條
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一、前言

隨著各種行動多媒體影音應用在手機平臺的普及,手機用戶對于頻寬的需求也越來越大。目前全世界許多國家,包括政府與通訊大廠,都已針對下一代第五代行動通訊(5G)的相關技術與標準積極投入。原本預計在2018年年中完成phase-1標準制定,2019年年底前完成phase-2標準的制定,并在2020年商用推廣的時程也有往前提早的趨勢。目前3GPP已針對5G標準進行研究項目階段的討論緊鑼密鼓的討論,預計在2017年底可望完成“工作項目”的階段,產出phase-0的標準。

為滿足METIS所勾勒2020年的使用情境,就最高峰值傳輸速率而言,必須是目前傳輸速率的10到100倍;行動數據容量則必須是2010年的1000倍(如圖1所示)。

圖1、METIS 5G Technical Objectives

要達到METIS所定義的最高峰值傳輸速率與1000倍行動數據容量有如圖2所示的幾種主要技術:增加可用頻寬、增加頻譜效率、更高網絡密度等技術,其中以增加可用頻寬是提升傳輸速率與數據容量最直接也是最容易的方式。但由于在目前主要使用在無線通訊的。小于6 GHz(sub-6 GHz)頻段已經有許多標準與應用,如第二代行動通訊(2G)、第三代行動通訊(3G)、第四代行動通訊(4G)、藍牙、無線區域網絡等,要再找到能夠支持更大容量、更高傳輸速率的頻寬越來越不容易。因此,目前全世界大廠對于5G使用毫米波頻段已經形成共識,除了現有第四代行動通訊技術的持續演進之外;也定義了另一條使用毫米波頻段革命性技術發展的道路(如圖3 所示)。

圖2、Approaches of increasing Traffic Capacity

圖3、3GPP 5G Standardization Time Line

二、3GPP的5G毫米波通訊標準制定現狀

在3GPP與世界各通訊大廠目前所規劃有關5G毫米波相關標準制定的時程,是預計在2018年年中完成phase-1標準制定,頻率除了小于6 GHz (sub-6 GHz)的頻段之外,也將涵蓋至30或40 GHz的毫米波頻段;2019年年底前則將完成涵蓋至100 GHz頻段之phase-2 5G標準的制定(如圖3所示)。

雖然毫米波頻段能提供相當大的可用頻譜以滿足METIS所勾勒2020年最高峰值傳輸速率與1000倍行動數據容量所需的頻寬要求,但也包含許多毫米波在戶外通訊所面臨新的高頻無線接取技術的挑戰,像高路徑傳輸損失、穿墻性、在雨中的衰減、甚至因為水氣與氧氣吸收所致的傳輸耗損等問題,因此一直以來有不少人懷疑毫米波是否適合做為5G的通訊頻段。

目前,3GPP與世界各主要通訊大廠已經完成了幾個主要毫米波通訊頻段的初步量測,并在2016年年初公布了有關毫米波通道模型的技術報告TR38.900,除了希望能夠厘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,并且作為全球在開發5G毫米波通訊系統的共同依據。ITU-R在2015年10月的WRC-15會議中即已公布了5G毫米波的候選頻段(如圖4所示),涵蓋了從24.25 GHz到86 GHz的八個頻段。美國FCC更搶先在2016年7月公布了27.5~28.35 GHz、37~38.6 GHz、38.6 GHz~ 40 GHz、64~71 GHz等四個將近11GHz頻寬的毫米波頻段(如圖5所示),以加速美國通訊廠商在5G毫米波通訊系統的開發與部署。

圖4、ITU-R IMT Spectrum

圖5、U.S. F.C.C. 5G mm-wave Spectrum

三、毫米波通訊高頻接取的主要挑戰

毫米波在戶外通訊有幾個主要高頻無線接取的挑戰,如圖6所示,以下就這幾個主要的毫米波高頻無線接取的挑戰一一詳細說明。

圖6、Key Challenges of Millimeter Wave Radio Access

1、波束形成技術

要解決毫米波在戶外通訊的這幾個高頻無線接取問題,其解決方案為設計大量或巨量的天線陣列,透過天線陣列的適當設計使每個天線輻射場型產生正向耦合,來大幅提升天線增益。此時正向耦合后的陣列天線輻射場型會成為細的輻射波束,同時具有更大的天線增益,此即所謂波束形成技術,如圖7所示。

圖7、大量或多量天線陣列波束形成技術

天線陣列所形成的波束,其波束的半功率波束寬度隨著天線陣列中天線元件的個數越多而越窄,其陣列天線的增益也越大。天線陣列中天線元件的個數每增加一倍,其陣列天線的增益增加3dB。

透過大量或巨量的天線陣列的設計提供很大的陣列天線增益,來補償高頻通訊的各項傳輸損失,便可以同樣達成傳輸涵蓋區域100~200米小型基站(Small Cell)的涵蓋目標。

2、波束追蹤技術

但因為天線陣列所形成的波束,其波束的半功率波束寬度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低頻段全方向傳輸的方式變成了指向性傳輸,在行動通訊終端用戶會移動的典型情境之下,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移動,以提供移動傳輸并始終維持好的通訊質量的能力,此則是透過波束追蹤算法的設計來達成,如圖8所示。

圖8、Beam Tracking Algorithm supporting UE Mobile Transmission

3、阻擋問題

如前文所述,毫米波在戶外通訊必須利用大量天線單元所構成的相位天線陣列,形成窄波束傳輸,以高的陣列增益來克服戶外通訊高路徑損失與傳輸耗損。但這種波束形成的窄波束指向性傳輸最棘手的問題則是阻擋問題,特別是針對3GPP所定義的5G增強型行動寬帶(eMBB)應用,主要的應用場景如購物中心、露天廣場等人潮擁擠的熱點,如圖9所示,阻擋問題更是很難避免。5G微信公眾平臺(ID:angmobile)了解到,作者進一步指出,一旦信號被阻擋,將產生幾十dB的信號功率損失,使得傳輸質量大幅下降,甚至無法繼續通訊。因此阻擋問題必須被解決,才能夠使5G增強型行動寬帶應用在這些場景成為實際可實現的5G應用場景。

圖9、3GPP 5G Millimeter Wave eMBB Typical Application Scenarios

4、多用戶終端支持

利用大量天線單元所構成的相位天線陣列,形成窄波束指向性傳輸的另一個棘手問題,是支援多個用戶終端的問題。

對于小型基站(Small Cell)而言,同時能夠支援越多的用戶終端,系統建置成本就越低,因此相位天線陣列必須在熱點中支援多個用戶終端。

如圖10所示工研院針對人口密集、兩端都是高樓大廈的典型都會場景:街道峽谷的通道量測結果,在多個不同接收位置接收端的接收功率分布圖。

圖10、Received Power Profile of mm-Wave Channel Measurement in Street Canyon Scenario

四、工研院毫米波高頻無線接取技術的發展

工研院自2014年開始投入5G高頻段接取技術的開發, 第一個計劃因考慮零件的易取得性, 選擇了11GHz頻段作為前瞻計劃的計劃目標。以一年時間完成了從標準制定、系統設計規格設計、系統模擬平臺之建置、系統性能浮點數與定點數模擬、系統架構設計、介質進接控制層(MAC)軟件之設計與實現、基頻單元之設計與實現、射頻前端電路之設計與實現、2x8 16天線單元基站端天線陣列和2x2天線單元用戶終端天線陣列之設計與實現、系統整合與驗證, 完成了臺灣第一個以載波聚合技術頻寬達250MHz、峰值傳輸速率可達1Gbps之5G軟硬件驗證平臺,如圖11所示。并于2014年12月赴美國德州參加IEEE GlobeCom-2014的國際展示,如圖12所示。

圖11、ITRI 11GHz 5G HW/SW Verification Platform

圖12、ITRI 11GHz 5G HW/SW Verification Platform Demonstrated in IEEE Globecom-2014

2015年配合臺灣經濟部技術處科發計劃,開始執行“38GHz毫米波頻段”高頻接取技術計劃,此計劃并獲得臺灣手機芯片大廠聯發科的加入,簽署了新臺幣1000萬元的技術授權,同時投入人力與工研院團隊共同制訂設計規格、并共同開發驗證,實現了包括上行/下行、8x8 64天線單元之基站端相位天線陣列、8x4 32天線單元之用戶終端相位天線陣列、混合型波束形成架構之射頻前端、波束追蹤算法設計、峰值傳輸速率可達1Gbps、支援大于10km/hr移動傳輸與200米涵蓋范圍之5G毫米波軟硬件驗證平臺,如圖13所示。工研院與聯發科并共同于2016年2月赴西班牙巴塞隆納參加MWC-2016的國際展示,如圖14所示。

圖13、ITRI 38GHz mm-wave 5G HW/SW Verification Platform

圖14、ITRI 38GHz mm-wave 5G HW/SW Verification Platform Demonstrated in MWC-2016

五、結論

原題“5G毫米波無線接入系統”。

本文作者

陳文江:工研院資通所新興無線應用技術組副組長、M300部門經理、臺灣經濟部技術處5G科研發展計劃高頻段接入技術計劃的主持人。

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