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技術探索

5G無線接取技術發展與探索

5G行動通訊網路訴求面臨多面向挑戰,無線接取關鍵技術也是其一。

5G行動通訊網路訴求面臨多面向挑戰,無線接取關鍵技術也是其一。

為達到5G行動通訊網路訴求之大頻寬、大容量、低延遲、大連結與低成本、低功耗等多面向挑戰,採取增加可用頻寬、頻譜效率以及提高網路密度等方式為大勢所趨,但亦同時衍生出許多需要克服之難題。此單元將簡介當前密切注意並持續發展之5G無線接取(Radio Access)關鍵技術,涵蓋基頻至射頻端,包含以下子題與讀者分享:

毫米波頻段無線接取技術

現有2G、3G與4G世代無線通訊,以及無線區域網路(新興之802.11ad與其後繼技術除外)均採用低於6 GHz(sub-6 GHz)頻段進行無線資料傳輸。依電磁學理論,低頻段之優勢在於較佳之傳輸距離與覆蓋率,可用較少基站數達到同樣之覆蓋廣度。但其缺點在於頻寬不足,且受限於數十年來之無線通訊技術發展,低頻段已極度壅塞,可用於5G系統之頻寬相當缺乏,因此5G制定新無線電技術(New Radio, NR),採用毫米波頻段進行無線資料傳輸。目前全球大廠著眼於28GHz、37GHz、39GHz等頻段,亦繼續探索更高頻段如45GHz、60GHz與70GHz……等利用於5G無線通訊的可能性。如Qualcomm公司於2016年發表之X50 5G Modem與SDR051毫米波無線收發IC即鎖定於28GHz頻段進行無線傳輸,可成功達到1.2Gbps的最大傳輸速率,且已進一步提升近4倍資料速率至最大4.29Gbps。針對毫米波議題,本專輯整理工研院資通所近年於毫米波無線接取技術發展的指標成果,從初期於11GHz之探索至38GHz頻段之無線通道探測與接取技術建立等。

高效率射頻前端技術

如前所述,未來5G系統雖將利用毫米波段之大頻寬優勢,但隨之而來的是現有半導體技術在毫米波段之低能源效率問題,對於5G大頻寬技術應用於行動裝置形成嚴苛考驗。因5G毫米波技術雖可提供暢快飆網體驗,但若不到半小時手機電力就耗盡,對多數使用者而言將造成不便。工研院資通所團隊鑽研於提高現有毫米波段無線通訊射頻前端零組件之能源效率,並著墨於功率放大器之線性化技術。因有效提升功率放大器之線性度除可增加無線資料傳輸速率外,對能源效率(傳輸同樣資料量所需的能源)之改善亦有相當幫助。

多基站協調技術

為增加信號覆蓋率與無線傳輸容量,系統業者除了布建大型基站網路外,需輔以布建大量小型基站以克服傳輸死角、增加服務容量。常見的例子如跨年時大量人潮湧入有限大小之場地,此時可見各家電信業者大量布署行動基站以同時服務爆量人群之無線資料傳輸需求。同理於5G無線網路中,在可用頻寬極為有限的情形下,大量增設基站為有效提升系統整體容量最有效的方式,但大量增設基站將導致基站間互相干擾,導致無線通訊系統效能降低。若可協調多個基站進行聯合傳輸,形成多基站協調系統,共同對用戶進行資料傳輸,即可有效增加訊號強度、降低干擾並達到等同於巨量天線的效能。

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