無線裝置數量與其消耗的資料量每年都以等比級數增加——年複合成長率(CAGR)達53%。當這些無線裝置創造並消耗資料時,連接這些裝置的無線通訊基礎設施也必須隨之演進,才能滿足成長的需求。3GPP定義三種高階5G使用案例(圖1)的目標是隨時隨地提供可用的行動寬頻資料,然而,僅僅提升4G架構網路的頻譜效率,並不足以提供所需資料速率的步階函數。

有鑑於此,研究人員正致力於研究更高的頻率,希望得到可行的解決方案。早期在通道探測(channel sounding)作業的結果相當良好,因此世界各地的無線標準組織皆重新調整研究重點,以便了解新一代5G無線系統如何整合,以及從運用這些新的頻率與較高的頻寬中受益。

20160715 NI TA31P1 圖1:3GPP與IMT 2020所定義的三種高階5G使用案例

定義5G的關鍵績效指標

設計這些使用案例時,都是希望未來的無線標準得以針對新應用補足既有無線標準無法滿足的缺口,而各個案例都需要一組不同的全新關鍵績效指標(KPI)。IMT 2020使用案例所定義的增強型行動寬頻(eMBB)預計能達到10Gb/s的峰值資料速率,比4G快了100倍。根據Shannon-Hartley定律,容量是頻寬(頻譜)與通道雜訊的函數,因此資料速率確實與可用的頻譜有關。由於6GHz以下的頻譜已經分配完畢,所以6GHz以上(尤其是毫米波範圍內)的頻譜,可說是因應eMBB使用案例的理想替代方案。

毫米波:三種頻率的故事

為了服務客戶,全球各地的電信業者已在頻譜上投資了數十億美元。設定頻譜拍賣底價更突顯了頻譜這種寶貴資源的市場價值與供不應求的特性。開啟新的頻譜讓電信業者不僅能服務更多使用者,還能提供更高效能的行動寬頻資料傳輸體驗。與6GHz以下的頻譜相比,毫米波的頻譜不僅非常充裕,而且只要稍經授權就能使用,因此世界各地的業者都能運用毫米波。此外,現代晶片製造技術已經大幅降低了毫米波設備的成本,所以在價格方面,這些設備已可用於消費性電子產品。而採用毫米波所面臨的挑戰,主要在於這些頻譜並未經過完整研究,仍有尚未解決的技術問題。

電信業者已開始研究毫米波技術,以便評估最適合行動應用的頻率範圍。國際電信聯盟(ITU)與3GPP已共同規劃進行5G標準的兩階段研究。第一階段研究將著重於40GHz以下的頻率,以因應較急迫的商業需求部份,完成時間訂為2018年9月。第二階段則預計從2018年開始,於2019年12月完成,目標是達成IMT 2020所列的KPI,並著重於高達100GHz的頻率。

為了統一全球的毫米波頻率標準,ITU在近期的世界無線電通訊大會(WRC)結束後,公佈了24GHz到86GHz之間的全球可用頻率的建議列表:

  • 24.25–27.5GHz
  • 31.8–33.4GHz
  • 37–40.5GHz
  • 40.5–42.5GHz
  • 45.5–50.2GHz
  • 50.4–52.6GHz
  • 66–76GHz
  • 81–86GHz

ITU提出建議不久後,美國聯邦通訊委員會(FCC)便於2015年10月21日發佈了擬議規範公告(NPRM),針對28GHz、37GHz、39GHz與64~71GHz頻帶提出全新且靈活的服務規則。

20160715 NI TA31P2 圖2:FCC針對行動用途擬議的頻帶

當ITU、3GPP與其他標準組織決定以2020年做為定義5G標準的期限時,手機電信業者正加緊腳步推出5G服務。美國的Verizon與AT&T致力於在2017年推出5G的初始版本。韓國規劃在2018年奧運推出5G試行版,日本則預計在2020年的東京奧運展示5G技術。有了這些不同單位訂定各自的目標,適用於5G的頻率選項也逐漸浮上檯面:28GHz、39GHz與73GHz。

這三種頻帶之所以能脫穎而出,有許多原因。首先,這三種頻率不像60GHz必須承受約20dB/km的氧氣吸收損耗,其氧氣吸收率遠低於此數值(如圖3所示),因此較適合長距離通訊。這些頻率也能在多路徑環境中順利運作,並且能用於非可視距離(NLoS)通訊。透過高定向天線搭配波束成形與波束追蹤功能,毫米波便能提供穩定且高度安全的連結。

紐約大學理工學院(NYU Polytechnic School of Engineering)的Ted Rappaport博士與他的學生已開始著手研究28GHz、38GHz與73GHz的通道特性與潛在效能。他們藉由傳播量測與研究,探討這些頻率潛在的服務中斷情形,並且已發表多篇相關論文。透過這些頻率的現有資料與研究,再結合全球可用的頻譜,便能從這三種頻率開始執行毫米波的原型製作。

20160715 NI TA31P3 圖3:毫米波頻率範圍的大氣吸收率(以dB/km為單位)

28GHz

如上所述,電信業者急切地想要取得未分配的大量毫米波頻譜;他們將扮演影響毫米波頻譜使用哪些頻率的關鍵角色。三星(Samsung)在2015年2月自行執行通道量測,並發現28GHz頻率可用於手機通訊。這些量測結果驗證了都市環境中預期會發生的路徑損耗——NLoS連結中的路徑損耗指數為3.53,三星進而宣稱此數據指出毫米波通訊連結可支援200公尺以上的距離。該研究還包含相位陣列天線的運用。三星並開始執行特性化設計,讓手機能夠容納精密的相位陣列天線。在日本,NTT Docomo與諾基亞(Nokia)、三星、愛立信(Ericsson)、華為(Huawei)與富士通(Fujitsu)共同合作,針對28GHz(以及其他頻率)順利完成了現場測試。

2015年9月,Verizon宣佈與三星等重要合作夥伴將於2016年在美國進行現場測試,比5G標準的擬議期限2020年還早了4年,使得Verizon成為5G市場的先進者。2015年11月,高通(Qualcomm)透過128支天線針對28GHz進行試驗,在人口密集的都市環境中展現毫米波技術的效能,以及定向波束成形如何用於NLoS通訊。而在FCC宣佈28GHz頻譜可用於行動通訊後,進一步的實驗與現場測試勢必持續進行。Verizon也公佈租用XO Communications的28GHz頻譜協議,其中包含於2018年底買下頻譜的購買選擇權。

然而,請注意28GHz頻帶並不在ITU的全球可用頻率列表上,因此仍無法確定此頻帶是否能成為5G毫米波應用的長期頻率。但基於此頻譜在美國、韓國與日本的可用性,以及美國電信業者早期現場測試的投入,28GHz無論是否成為國際標準,都可能直接成為美國的行動技術應用。韓國於2018年奧運展示5G技術的目標,也可能在標準組織確定5G標準之前,率先推動28GHz技術用於消費型產品上。另一方面,由於此頻率不在國際行動通訊(IMT)頻譜列表上,也已引起FCC委員的注意。

美國FCC委員Jessica Rosenworcel於2016年2月在華盛頓的一場演講中提到:「當我們把眼光放遠,就會發現有些地方是美國必須獨自前往的。其中包含了28GHz頻帶……只不過,去年在日內瓦舉辦的世界無線電會議(WRC)上並沒有把這個頻帶納入討論,也未將它列在5G頻譜研究列表中。然而,由於這個頻帶可分配至全球的行動應用,所以我認為美國應該繼續探索這個新頻譜。南韓與日本都已經著手測試這個頻帶,我們現在也不能停下腳步。我們必須獨自向前,並在年底前完成適用於28GHz頻帶的架構。」

委員Michael O’Rielly甚至在部落格寫了一長篇文章,藉此向FCC表達他對2015年WRC會議結果的不滿:「這讓我開始思考WRC-15所發生的事、其帶來的實際效果,及其後續對ITU這個角色的影響。這些慣例很可能會破壞WRC未來的價值,並且讓ITU更可能淪為受制於政府與現有頻譜用戶控制的工具,從而阻礙了頻譜效率與技術進展。」

現在仍無法得知28GHz是否廣泛用於5G應用,但這一頻率在現階段絕對非常重要。

73GHz

在28GHz相關研究展開的同時,E波段(E-band)頻率在近幾年也引起了行動通訊領域的注意。Nokia採用美國紐約大學(NYU)的73GHz通道量測結果,開始此一頻率的研究。在2014年的NI Week,Nokia透過NI原型製作硬體,展示其首款73GHz空中傳輸(OTA)成果。這套系統隨著研究的進行不斷演進,並且持續透過公開示範來展示新的技術成就。

在2015年的世界行動通訊大會(MWC)上,這套原型製作系統已能藉由透鏡天線與光束追蹤技術執行超過2Gbps的資料傳輸。該系統的多輸入多輸出(MIMO)版本也在2015年的布魯克林5G高峰會議(Brooklyn 5G Summit)上展出,可以執行高達10Gbps的資料傳輸,並在不到一年後的MWC 2016上,這套原型即展示了傳輸速率超過14Gbps的雙向空中傳輸鏈路。

Nokia並不是唯一在MWC 2016上展示73GHz成果的廠商。華為與德國電信(Deutsche Telekom)也共同展示了可作業於73GHz的原型。這一展示採用多用戶(MU) MIMO,展現了高頻譜效率以及針對個別使用者實現超過20Gbps傳輸率的潛力。

有些73GHz的研究已開始進行,未來三年預計將有更多相關研究。區分73GHz與28GHz、39GHz的其中一項特性是可用的連續頻寬。73GHz中有2GHz的連續頻寬可用於行動通訊,這是擬議頻率頻譜中範圍最廣的。相較之下,28GHz僅提供850MHz的頻寬,而在美國,39GHz附近就有兩個頻帶提供1.6GHz與1.4GHz頻寬。此外,如Shannon定律所述,更高的頻寬便代表更高的資料傳輸量,因此,73GHz與其他上述頻率相較便具備了強大優勢。

39GHz

雖然目前進行中的38GHz公開研究最少,但仍有機會成為5G標準的一部份。ITU已將其列為全球可用頻率之一,而且根據紐約大學的研究,現有通道資料能證明其為可用頻率。然而,該頻段較28GHz或73GHz有更多現有應用,因此是39GHz納入5G標準的一項挑戰。FCC已針對可能的行動應用擬議頻譜,以加速美國未來針對此頻帶的研究。

當Verizon著手2016年的28GHz初次現場測試時,即已擬定計畫要測試39GHz。而XO Communications除了擁有28GHz的授權外,也可提供大量的39GHz授權。39GHz由於擁有電信業者的大量投資,同時列於IMT選項中,無疑也將成為2020年5G標準的候選頻譜之一。

毫米波原型製作

由於毫米波通道的基本屬性與目前的手機模式不同,而且未知事項較多,因此研究人員必須開發新的技術、演算法與通訊協定,才能充份發揮毫米波在5G領域的潛力。建立毫米波原型非常重要,尤其是在早期階段。毫米波原型的建立可證實技術或概念的可行性,這是僅靠模擬而無法實現的。毫米波原型能夠在多種情境下,透過即時的空中傳輸方式執行通訊作業,藉此解開毫米波通道的秘密,並促進技術的應用與推廣。

要建立完整的毫米波通訊原型時會面臨多個難題。假設有一個可處理多重GHz訊號的基頻子系統。目前大多數的LTE建置通常都使用10MHz通道(最高20MHz),而且運算負載隨著頻寬而呈直線增加。換句話說,運算能力必須提高100倍以上,才能滿足5G資料速率的需求。此外,為了執行毫米波系統的實體層運算,原型製作的過程中必須用到FPGA。

針對毫米波應用打造具有原型製作功能的客製硬體是相當困難的任務。毫米波頻率由於具備大量的連續頻寬,因此非常適用於通訊作業。要為5G應用需求找到具有1~2GHz頻寬的現成硬體傳輸器或接收器,需要很高的成本,在某些頻率甚至不可能找到符合此條件的儀器。就算真的有這種硬體,其配置與並處理原始資料的能力也有限,甚至可能完全無法處理。因此,設計客製的FPGA處理機板便成了具吸引力的方案。 設計FPGA機板硬體的時間或許不需要很久,但如果還要開發與其通訊的軟體介面,就算是最有經驗的工程師也可能需要一年甚至更久的時間才能完成,而且這只是原型製作系統的一部份而已。

除了FPGA機板之外,毫米波原型製作系統需要運用最先進的數位類比轉換器(DAC)與類比數位轉換器(ADC)才能擷取1~2GHz之間的頻寬。目前市面上有些RFIC具備可以轉換於基頻與毫米波頻率間的晶片,但這些產品選擇有限,而且大多僅能用於60GHz頻帶。IF與RF階段可做為RFIC的替代方案,工程師一旦有了基頻與IF解決方案,供應商便能針對毫米波無線頭端提供更多基頻RFIC以外的選擇,但仍然十分有限。開發毫米波無線頭端需要RF與微波設計的專業技術,這與開發FPGA板所需的技術是完全不同的,因此團隊必須具備多種專業才能開發所有的必要硬體。

FPGA是毫米波基頻原型製作系統的核心元件,而且要設計可處理多重GHz通道的多重FPGA系統,將導致系統更加複雜。為了解決電信業者與通訊研究人員面臨的系統複雜度與軟體難題,NI提供一系列可配置的毫米波原型製作硬體,以及毫米波實體層原始碼,不僅能夠解釋毫米波系統基頻的基本特性,並且能簡化多個FPGA的資料遷移與處理作業,進而簡化整體作業。這些工具都有助於將新的原型轉為系統與產品,對於5G技術的開發至關重要。

結論

目前還不清楚5G技術未來將如何實現,但可確定毫米波會是其中一種技術。為了滿足資料傳輸量的需求,必須運用24GHz以上的大量連續頻寬,而且研究人員已透過原型製作展示毫米波技術可達到14Gbps以上的傳輸速率。如今最大的問題就是行動通訊要使用哪一種毫米波頻帶。ITU或許能為行動應用的5G技術設定一個頻率。如果手機只需使用一組(而非多組)晶片,就能實現涵蓋全球的通訊範圍,即可為手機製造商降低開發成本,並為消費者降低使用成本。然而,要重新分配現有頻率的成本很高。

要找到一個全球都同意使用的頻帶將會是個遠大的目標,但最終可能無法達成。由於時程緊迫,各地的電信業者選擇略過ITU的建議,直接選擇那些無法普及全球、但立即可用的頻譜。他們也利用原型製作的能力,透過現場測試製作雙向通訊連結的原型(5G開發的關鍵部份),進而讓研究人員能展示這項新技術,並以更快的速度標準化。

儘管仍有許多未知的問題,但可以確定的是:未來一定會佈署毫米波技術,而且以極快的速度進行佈署。新一代的無線通訊技術即將登場,而全世界都在關注這項技術的實現方式。