【無線射頻通信】-5G毫米波無線接入系統(tǒng)標準、挑戰(zhàn)、現(xiàn)狀

----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----5G毫米波無線接入系統(tǒng)標準、挑戰(zhàn)、現(xiàn)狀一、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。目前全世界很多國家，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(guān)技術(shù)與標準樂觀投入。原本估計在2023年年中完成phase-1標準制定，2023年年底前完成phase-2標準的制定，并在2023年商用推廣的時程也有往前提早的趨勢。目前3GPP已針對5G標準進行討論項目階段的爭論緊鑼密鼓的爭論，估計在2023年底可望完成"工作項目'的階段，產(chǎn)出phase-0的標準。

為滿意METIS所勾畫2023年的使用情境，就最高峰值傳輸速率而言，必需是目前傳輸速率的10到100倍；行動數(shù)據(jù)容量則必需是2023年的1000倍(如圖1所示)。

圖1、METIS5GTechnicalObjectives

要達到METIS所定義的最高峰值傳輸速率與1000倍行動數(shù)據(jù)容量有如圖2所示的幾種主要技術(shù)：增加可用頻寬、增加頻譜效率、更高網(wǎng)絡密度等技術(shù)，其中以增加可用頻寬是提升傳輸速率與數(shù)據(jù)容量最直接也是最簡單的方式。但由于在目前主要使用在無線通訊的。小于6GHz(sub-6GHz)頻段已經(jīng)有很多標準與應用，如其次代行動通訊(2G)、第三代行動通訊(3G)、行動通訊(4G)、藍牙、無線區(qū)域網(wǎng)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簡單。因此，目前全世界大廠對于5G使用毫米波頻段已經(jīng)形成共識，除了現(xiàn)有行動通訊技術(shù)的持續(xù)演進之外；也定義了另一條使用毫米波頻段革命性技術(shù)進展的道路(如圖3所示)。

圖2、ApproachesofincreasingTrafficCapacity

圖3、3GPP5GStandardizationTimeLine

二、3GPP的5G毫米波通訊標準制定現(xiàn)狀

在3GPP與世界各通訊大廠目前所規(guī)劃有關(guān)5G毫米波相關(guān)標準制定的時程，是估計在2023年年中完成phase-1標準制定，頻率除了小于6GHz(sub-6GHz)的頻段之外，也將涵蓋至30或40GHz的毫米波頻段；2023年年底前則將完成涵蓋至100GHz頻段之phase-25G標準的制定(如圖3所示)。

雖然毫米波頻段能供應相當大的可用頻譜以滿意METIS所勾畫2023年最高峰值傳輸速率與1000倍行動數(shù)據(jù)容量所需的頻寬要求，但也包含很多毫米波在戶外通訊所面臨新的高頻無線接取技術(shù)的挑戰(zhàn)，像高路徑傳輸損失、穿墻性、在雨中的衰減、甚至由于水氣與氧氣汲取所致的傳輸耗損等問題，因此始終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(jīng)完成了幾個主要毫米波通訊頻段的初步量測，并在2023年年初公布了有關(guān)毫米波通道模型的技術(shù)報告TR38.900，除了盼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(fā)5G毫米波通訊系統(tǒng)的共同依據(jù)。ITU-R在2023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24.25GHz到86GHz的八個頻段。FCC更搶先在2023年7月公布了27.5~28.35GHz、37~38.6GHz、38.6GHz~40GHz、64~71GHz等四個將近11GHz頻寬的毫米波頻段(如圖5所示)，以加速通訊廠商在5G毫米波通訊系統(tǒng)的開發(fā)與部署。

圖4、ITU-RIMTSpectrum

圖5、U.S.F.C.C.5Gmm-waveSpectrum

三、毫米波通訊高頻接取的主要挑戰(zhàn)

毫米波在戶外通訊有幾個主要高頻無線接取的挑戰(zhàn)，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(zhàn)一一具體說明。

圖6、KeyChallengesofMillimeterWaveRadioAccess

1、波束形成技術(shù)

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(shè)計大量或巨量的天線陣列，透過天線陣列的適當設(shè)計使每個天線輻射場型產(chǎn)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(shù)，如圖7所示。

圖7、大量或多量天線陣列波束形成技術(shù)

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(shù)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(shù)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(shè)計供應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(qū)域100~200米小型基站(SmallCell)的涵蓋目標。

2、波束追蹤技術(shù)

但由于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(shù)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?shù)姆绞阶兂闪酥赶蛐詡鬏?，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，以供應移動傳輸并始終維持好的通訊質(zhì)量的力量，此則是透過波束追蹤算法的設(shè)計來達成，如圖8所示。

圖8、BeamTrackingAlgorithmsupportingUEMobileTransmission

3、阻擋問題

如前文所述，毫米波在戶外通訊必需利用大量天線單元所構(gòu)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麻煩的問題則是阻擋問題，特殊是針對3GPP所定義的5G增加型行動寬帶(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開。5G微信公眾平臺（ID：angmobile）了解到，進一步指出，一旦信號被阻擋，將產(chǎn)生幾十dB的信號功率損失，使得傳輸質(zhì)量大幅下降，甚至無法連續(xù)通訊。因此阻擋問題必需被解決，才能夠使5G增加型行動寬帶應用在這些場景成為實際可實現(xiàn)的5G應用場景。

圖9、3GPP5GMillimeterWaveeMBBTypicalApplicationScenarios

4、多用戶終端支持

利用大量天線單元所構(gòu)成的相位天線陣列，形成窄波束指向性傳輸?shù)牧硪粋€麻煩問題，是支援多個用戶終端的問題。

對于小型基站(SmallCell)而言，同時能夠支援越多的用戶終端，系統(tǒng)建置成本就越低，因此相位天線陣列必需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(jié)果，在多個不同接收位置接收端的接收功率分布圖。

圖10、ReceivedPowerProfileofmm-WaveChannelMeasurementinStreetCanyonScenario

四、工研院毫米波高頻無線接取技術(shù)的進展

工研院自2023年開頭投入5G高頻段接取技術(shù)的開發(fā)，第一個方案因考慮零件的易取得性，選擇了11GHz頻段作為前瞻方案的方案目標。以一年時間完成了從標準制定、系統(tǒng)設(shè)計規(guī)格設(shè)計、系統(tǒng)模擬平臺之建置、系統(tǒng)性能浮點數(shù)與定點數(shù)模擬、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、介質(zhì)進接掌握層(MAC)軟件之設(shè)計與實現(xiàn)、基頻單元之設(shè)計與實現(xiàn)、射頻前端電路之設(shè)計與實現(xiàn)、2x816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(shè)計與實現(xiàn)、系統(tǒng)整合與驗證，完成了臺灣第一個以載波聚合技術(shù)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2023年12月赴德州參與IEEEGlobeCom-2023的國際展現(xiàn)，如圖12所示。

圖11、ITRI11GHz5GHW/SWVerificationPlatform

圖12、ITRI11GHz5GHW/SWVerificationPlatformDemonstratedinIEEEGlobecom-2023

2023年協(xié)作臺灣經(jīng)濟部技術(shù)處科發(fā)方案，開頭執(zhí)行"38GHz毫米波頻段'高頻接取技術(shù)方案，此方案并獲得臺灣手機芯片大廠聯(lián)發(fā)科的加入，簽署了新臺幣1000萬元的技術(shù)授權(quán)，同時投入人力與工研院團隊共同制訂設(shè)計規(guī)格、并共同開發(fā)驗證，實現(xiàn)了包括上行/下行、8x864天線單元之基站端相位天線陣列、8x432天線單元之用戶終端相位天線陣列、混合型波束形成架構(gòu)之射頻前端、波束追蹤算法設(shè)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(lián)發(fā)科并共同于2023年2月赴西班牙巴塞隆納參與MWC-2023的國際展現(xiàn)，如圖14所示。

圖13、ITRI38GHzmm-wave5GHW/S