5G毫米波无线接入系统标准、挑战、现状

一、前言

随着各种行动多媒体影音应用在手机平台的普及，手机用户对于频宽的需求也越来越大。目前全世界许多国家，包括政府与通讯大厂，都已针对下一代第五代行动通讯（5G）的相关技术与标准积极投入。原本预计在2018年年中完成phase-1标准制定，2019年年底前完成phase-2标准的制定，并在2020年商用推广的时程也有往前提早的趋势。目前3GPP已针对5G标准进行研究项目阶段的讨论紧锣密鼓的讨论，预计在2017年底可望完成“工作项目”的阶段，产出phase-0的标准。

为满足METIS所勾勒2020年的使用情境，就最高峰值传输速率而言，必须是目前传输速率的10到100倍；行动数据容量则必须是2010年的1000倍(如图1所示)。

图1、METIS 5G Technical Objectives

要达到METIS所定义的最高峰值传输速率与1000倍行动数据容量有如图2所示的几种主要技术：增加可用频宽、增加频谱效率、更高网络密度等技术，其中以增加可用频宽是提升传输速率与数据容量最直接也是最容易的方式。但由于在目前主要使用在无线通讯的。小于6 GHz(sub-6 GHz)频段已经有许多标准与应用，如第二代行动通讯(2G)、第三代行动通讯(3G)、第四代行动通讯(4G)、蓝牙、无线区域网络等，要再找到能够支持更大容量、更高传输速率的频宽越来越不容易。因此，目前全世界大厂对于5G使用毫米波频段已经形成共识，除了现有第四代行动通讯技术的持续演进之外；也定义了另一条使用毫米波频段革命性技术发展的道路(如图3 所示)。

图2、Approaches of increasing Traffic Capacity

图3、3GPP 5G Standardization Time Line

二、3GPP的5G毫米波通讯标准制定现状

在3GPP与世界各通讯大厂目前所规划有关5G毫米波相关标准制定的时程，是预计在2018年年中完成phase-1标准制定，频率除了小于6 GHz (sub-6 GHz)的频段之外，也将涵盖至30或40 GHz的毫米波频段；2019年年底前则将完成涵盖至100 GHz频段之phase-2 5G标准的制定(如图3所示)。

虽然毫米波频段能提供相当大的可用频谱以满足METIS所勾勒2020年最高峰值传输速率与1000倍行动数据容量所需的频宽要求，但也包含许多毫米波在户外通讯所面临新的高频无线接取技术的挑战，像高路径传输损失、穿墙性、在雨中的衰减、甚至因为水气与氧气吸收所致的传输耗损等问题，因此一直以来有不少人怀疑毫米波是否适合做为5G的通讯频段。

目前，3GPP与世界各主要通讯大厂已经完成了几个主要毫米波通讯频段的初步量测，并在2016年年初公布了有关毫米波通道模型的技术报告TR38.900，除了希望能够厘清与证明毫米波频段作为5G操作频段在户外通讯的可行性，并且作为全球在开发5G毫米波通讯系统的共同依据。ITU-R在2015年10月的WRC-15会议中即已公布了5G毫米波的候选频段(如图4所示)，涵盖了从24.25 GHz到86 GHz的八个频段。美国FCC更抢先在2016年7月公布了27.5~28.35 GHz、37~38.6 GHz、38.6 GHz~ 40 GHz、64~71 GHz等四个将近11GHz频宽的毫米波频段(如图5所示)，以加速美国通讯厂商在5G毫米波通讯系统的开发与部署。

图4、ITU-R IMT Spectrum

图5、U.S. F.C.C. 5G mm-wave Spectrum

三、毫米波通讯高频接取的主要挑战

毫米波在户外通讯有几个主要高频无线接取的挑战，如图6所示，以下就这几个主要的毫米波高频无线接取的挑战一一详细说明。

图6、Key Challenges of Millimeter Wave Radio Access

1、波束形成技术

要解决毫米波在户外通讯的这几个高频无线接取问题，其解决方案为设计大量或巨量的天线阵列，透过天线阵列的适当设计使每个天线辐射场型产生正向耦合，来大幅提升天线增益。此时正向耦合后的阵列天线辐射场型会成为细的辐射波束，同时具有更大的天线增益，此即所谓波束形成技术，如图7所示。

图7、大量或多量天线阵列波束形成技术

天线阵列所形成的波束，其波束的半功率波束宽度随着天线阵列中天线元件的个数越多而越窄，其阵列天线的增益也越大。天线阵列中天线元件的个数每增加一倍，其阵列天线的增益增加3dB。

透过大量或巨量的天线阵列的设计提供很大的阵列天线增益，来补偿高频通讯的各项传输损失，便可以同样达成传输涵盖区域100~200米小型基站(Small Cell)的涵盖目标。

2、波束追踪技术

但因为天线阵列所形成的波束，其波束的半功率波束宽度随着天线阵列中天线元件的个数越多而越窄，使得原本在4G或之前在sub-6GHz低频段全方向传输的方式变成了指向性传输，在行动通讯终端用户会移动的典型情境之下，便又衍生出对准的问题；也就是如何使大量或巨量的天线阵列所形成的波束能够随终端用户的移动而移动，以提供移动传输并始终维持好的通讯质量的能力，此则是透过波束追踪算法的设计来达成，如图8所示。

图8、Beam Tracking Algorithm supporting UE Mobile Transmission

3、阻挡问题

如前文所述，毫米波在户外通讯必须利用大量天线单元所构成的相位天线阵列，形成窄波束传输，以高的阵列增益来克服户外通讯高路径损失与传输耗损。但这种波束形成的窄波束指向性传输最棘手的问题则是阻挡问题，特别是针对3GPP所定义的5G增强型行动宽带(eMBB)应用，主要的应用场景如购物中心、露天广场等人潮拥挤的热点，如图9所示，阻挡问题更是很难避免。5G微信公众平台（ID：angmobile）了解到，作者进一步指出，一旦信号被阻挡，将产生几十dB的信号功率损失，使得传输质量大幅下降，甚至无法继续通讯。因此阻挡问题必须被解决，才能够使5G增强型行动宽带应用在这些场景成为实际可实现的5G应用场景。

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

4、多用户终端支持

利用大量天线单元所构成的相位天线阵列，形成窄波束指向性传输的另一个棘手问题，是支援多个用户终端的问题。

对于小型基站(Small Cell)而言，同时能够支援越多的用户终端，系统建置成本就越低，因此相位天线阵列必须在热点中支援多个用户终端。

如图10所示工研院针对人口密集、两端都是高楼大厦的典型都会场景：街道峡谷的通道量测结果，在多个不同接收位置接收端的接收功率分布图。

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

四、工研院毫米波高频无线接取技术的发展

工研院自2014年开始投入5G高频段接取技术的开发， 第一个计划因考虑零件的易取得性， 选择了11GHz频段作为前瞻计划的计划目标。以一年时间完成了从标准制定、系统设计规格设计、系统模拟平台之建置、系统性能浮点数与定点数模拟、系统架构设计、介质进接控制层(MAC)软件之设计与实现、基频单元之设计与实现、射频前端电路之设计与实现、2x8 16天线单元基站端天线阵列和2x2天线单元用户终端天线阵列之设计与实现、系统整合与验证， 完成了台湾第一个以载波聚合技术频宽达250MHz、峰值传输速率可达1Gbps之5G软硬件验证平台，如图11所示。并于2014年12月赴美国德州参加IEEE GlobeCom-2014的国际展示，如图12所示。

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

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

2015年配合台湾经济部技术处科发计划，开始执行“38GHz毫米波频段”高频接取技术计划，此计划并获得台湾手机芯片大厂联发科的加入，签署了新台币1000万元的技术授权，同时投入人力与工研院团队共同制订设计规格、并共同开发验证，实现了包括上行/下行、8x8 64天线单元之基站端相位天线阵列、8x4 32天线单元之用户终端相位天线阵列、混合型波束形成架构之射频前端、波束追踪算法设计、峰值传输速率可达1Gbps、支援大于10km/hr移动传输与200米涵盖范围之5G毫米波软硬件验证平台，如图13所示。工研院与联发科并共同于2016年2月赴西班牙巴塞隆纳参加MWC-2016的国际展示，如图14所示。

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

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

五、结论

原题“5G毫米波无线接入系统”。

本文作者

陈文江：工研院资通所新兴无线应用技术组副组长、M300部门经理、台湾经济部技术处5G科研发展计划高频段接入技术计划的主持人。