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技術探索

5G毫米波接取技術與挑戰

中文摘要

  隨著各種多媒體應用在手機平台的普及,手機用戶對於頻寬需求也越來越大。世界許多國家包括政府與通訊大廠都已針對下世代第五代行動通訊的相關技術與標準積極投入,預計在2018年完成標準的制定,2020年商用推廣。目前METIS (Mobile and wireless communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society)已針對第五代行動通訊在2020年之後的使用情境與技術需求完成討論,有鑒於現行4G標準中相關技術已經將頻譜效率推近至理論極限,增加頻寬勢必無可避免。由於目前微波頻段已經相當擁擠,要獲取更大頻寬,毫米波頻段成為一熱門選項。在綜合空氣吸收率、波段使用現況以及可用連續頻寬之考量,38GHz被選為工研院5G計畫的操作波段。雖然38GHz頻段能提供相當大的頻寬,但也包含許多新的技術與挑戰。

Abstract

  As the population of variant multi-media applications on mobile phones, user terminal demands wider and wider bandwidth for it. Many main communication companies in the world -wide have devoted actively into the related technologies and standardization of 5G. It is pla nned to finalize the standardization of 5G by 2018 and to be commercialized from 2020. METIS has finished the discussion and definition of 5G scenario and technology needs. Since i n the current 4G standard, the spectral efficiency has been pushed to approach the theoretical limit, it is inevitably to increase the bandwidth to achieve the defined peak data rate. And since the spectrum in the microwave band has been very crowded, mm-wave band is an important option to get the wide enough bandwidth. In the consideration of absorption rate of O2 and H2O, the available continuous spectrum and the path loss, 38GHz band is chosen as the potential operation band of ITRI’s 5G project. Although it can get the enough bandwidth in the 38GHz band, it also induces a lot of new technology challenges.

關鍵詞(Key Words)

毫米波(mm-Wave)
路徑傳輸損失(Path Loss)
雨中傳輸衰減(Rain Fading)
傳輸損失(Propagation Loss)
多重輸入與多重輸出(Multiple-Input- Multiple- Output;MIMO)
載波聚合(Carrier Aggregation)

1. 前言

  隨著各種多媒體應用在手機平台的普及,手機用戶對於頻寬的需求也越來越大。目前世界許多國家包括政府與通訊大廠都已針對下世代第五代行動通訊的相關技術與標準積極投入,預計在2018年完成標準的制定,2020年商用推懬。目前METIS已針對第五代行動通訊在2020年之後的使用情境與技術需求完成討論,如圖1與圖2所示。

圖1 METIS 5G Scenarios (Source: METIS ”Mobile and Wireless Communications system for 2020 and beyond (5G)” presentation slides)

圖1 METIS 5G Scenarios (Source: METIS ”Mobile and Wireless Communications system for 2020 and beyond (5G)” presentation slides)

圖2 METIS 5G Technical Objectives (Source: METIS ”Mobile and Wireless Communications system for 2020 and beyond (5G)”presentation slides)

圖2 METIS 5G Technical Objectives (Source: METIS ”Mobile and Wireless Communications system for 2020 and beyond (5G)”presentation slides)

  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。而要達到METIS所定義的最高峰值傳輸速率有如圖3所示的幾種主要技術:增加頻寬、更先進的調變/編解碼技術、更先進的多工進接技術或是使用巨量天線以實現多重輸入與多重輸出(Multiple-Input- Multiple-Output,MIMO)的技術,來提升頻譜效率。

  雖然毫米波頻段能提供相當大的頻寬以滿足METIS所勾勒2020年最高峰值傳輸速率的要求,但也包含許多毫米波在戶外通訊所面臨新的高頻通訊技術挑戰。第二章將針對如何增加頻寬的方法進行說明;第三章則主要針對毫米波在戶外通訊的主要問題進行詳細的解說;第四章則是詳細說明就第三章所敘述的技術挑戰之解決方案;第五章則是就毫米波在戶外通訊的主要問題與解決方案進行總結。

圖3 Spectral Efficiency Enhancement (Source: Samsung“5G Mobile Communications for 2020 and Beyond” presentation slides)

圖3 Spectral Efficiency Enhancement (Source: Samsung“5G Mobile Communications for 2020 and Beyond” presentation slides)

2. 增加頻寬

  有鑒於現行4G標準中相關技術已經將頻譜效率推近至理論極限,因此增加頻寬乃是提升最高峰值傳輸速率最直接且最有效的方式。如下列式子所示:

  無線傳輸之峰值傳輸速率或通道容量直接與頻寬成正比。增加操作頻寬有:載波聚(Carrier Aggregation)與直接提供較大可用頻寬兩種主要技術。

2.1 載波聚合(Carrier Aggregation)

  如圖4所示,載波聚合又分為連續頻段的載波聚合與不連續頻段的載波聚合。其中不連續頻段的載波聚合目前已應用於4G系統中,用以增加頻寬提升最高峰值傳輸率。

  而若就數據聚合(Data Aggregation0的角度來分,則可以分成如圖5所示的實體層數據聚合Physical layer data aggregation)與介質進出控制層數據聚合(MAC layer data aggregation) 。

 

圖4 載波聚合技術

圖4 載波聚合技術

圖5 數據載波聚合技術 (圖4&圖5: Source: “Carrier Aggregation for LTE-Advanced Mobile Communication Systems” IEEE Communications Magazine, February 2010)

圖5 數據載波聚合技術 (圖4&圖5: Source: “Carrier Aggregation for LTE-Advanced Mobile Communication Systems” IEEE Communications Magazine, February 2010)

2.2 直接提供較大可用頻寬

  由於目前6GHz以下的頻段已相當擁擠,再加上若要達到METIS所定義的最高峰值傳輸速率10Gbps,估計至少要有1GHz以上的連續可用頻寬, 因此毫米波頻段成為同時滿足這兩個條件的熱門選項。也因此,在由5G PPP 於2014年所召開的ICT call-14中P4計畫,便也針對”5Gmm-Wave Air Interface”徵求解決方案之提案。

2.3 頻率的選擇

  有關毫米波那一個頻段較適合作為5G的通訊頻段,目前標準制訂組織尚未決定,也因此全世界各通訊大廠莫不就各個可能的候選頻段進行各項計畫,如圖6 所示即為日本NTTDoCoMo糾集了世界各主要通訊大廠在各個頻段進行相關實驗。由於毫米波在戶外通訊有幾個為大眾所熟知的高頻通訊問題,像:高路徑傳輸損失(Path Loss)、穿牆性(Wall Penetration)、在雨中的衰減(Rain Fading)、甚至因為水氣與氧氣吸收所致的傳輸衰減(Propagation Loss). . .等問題, 因此有不少人懷疑毫米波是否適合做為5G的通訊頻段。也因此,亦有不少世界主要通訊大廠,包括Samsung、Intel、Nokia、Huawei等公司,非常積極的投入毫米波通訊的實驗與相關計畫,希望能夠在最短時間內釐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,以順利的使毫米波被5G標準制訂組織選定為5G的通訊頻段。參考目前世界各主要國家在高頻的可用頻段,如圖7 所示,主要有18GHz、28GHz與38GHz三個頻段。

  在綜合路徑傳輸損失、空氣/水氣吸收率、波段使用現況,以及可用連續頻寬(Available Continuous Bandwidth) 之考量,工研院選擇38GHz作為5G計畫的操作頻段。雖然38GHz頻段能提供相當大的頻寬,但也包含了許多新的技術與挑戰。

 

圖6 NTT DoCoMO 5G計畫 (Source: NTT-DoCoMo New Press “NTT DoCoMo announces major 5G trial over multiple technologies and spectrum)

圖6 NTT DoCoMO 5G計畫 (Source: NTT-DoCoMo New Press “NTT DoCoMo announces major 5G trial over multiple technologies and spectrum)

圖7 全球高頻可用頻段 (Source: Samsung“5G Mobile Communications for 2020 and Beyond” presentation slides)

圖7 全球高頻可用頻段 (Source: Samsung“5G Mobile Communications for 2020 and Beyond” presentation slides)

3. 毫米波在戶外通訊的主要問題

  如前文所述,毫米波在戶外通訊有幾個為大眾所熟知的高頻通訊問題,像:高路徑傳輸損失、穿牆性、在雨中的衰減、甚至因為水氣與氧氣吸收所致的傳輸衰減. . .等問題,以下就這幾個毫米波在戶外通訊的主要問題一一詳細說明。

3.1 路徑傳輸損失(Path Loss)




  接收功率(Received Power, Pr) 如上式所示, 是隨著頻率的n次方而遞減,而n是路徑傳輸損失指數(Path Loss Exponent) , 接收功率(Received Power, Pr) 與發射功率(TransmittedPower, Pt)的差額即是路徑傳輸損失。Gt與Gr分別是發射端天線增益與接收端天線增益。由式子可以看出, 頻率越高,路徑傳輸損失增加的速度越快。同時, 路徑傳輸損失指數(PathLoss Exponent) n亦隨著傳輸情境之不同而不同。例如,在真空中n=2,而在都會區n=2.7~6,如表1所示。

各種傳輸情境下的路徑傳輸指數

各種傳輸情境下的路徑傳輸指數

3.2雨中衰減(Rain Fading)

  如圖9所示,在毫米波的無線傳輸因為波長很短,因此不僅會因氧與水氣的吸收而衰減,還會因為下雨而導致信號傳輸損失。隨著雨勢越大,傳輸損失(Propagation Loss)也越大。

圖9 無線電波在雨中傳輸之衰減 (Source: E-band technology. (2012). Retrieved from http://www.e-band.com/index.php?id=86)

圖9 無線電波在雨中傳輸之衰減 (Source: E-band technology. (2012). Retrieved from http://www.e-band.com/index.php?id=86)

4. 毫米波傳輸的解決方案

  要解決毫米波在戶外通訊的這幾個高頻通訊問題,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(Antenna Pattern) 產生正向藕合(Positively Coupling),來大幅提升天線增益。此時正向耦合後的陣列天線輻射場型會成為細的輻射波束,同時具有很大的天線增益, 此即所謂波束形成技術(Beam Forming) ,如圖10所示。

  天線陣列所形成的波束, 其波束的半功率波束寬度(Half Power Beam Width,HPBW)隨著天線陣列中天線元件(Antenna Element)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米小基站(Small Cell)的目標。

  但因為天線陣列所形成的波束,其波束的半功率波束(Half Power Band Width, HPBW)寬度隨著天線陣列中天線元件的個數越多而越窄,在行動通訊終端用戶(User Terminal)會移動的標準情境之下,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,以提供移動傳輸的能力,此需要設計波束追蹤(Beam Tracking)的演算法來達成。

圖10 大量或多量天線陣列波束形成技術 (Source: Samsung“5G Mobile Communications for 2020 and Beyond” presentation slides)

圖10 大量或多量天線陣列波束形成技術 (Source: Samsung“5G Mobile Communications for 2020 and Beyond” presentation slides)

5. 結論

  隨著各種多媒體應用在手機平台的普及,手機用戶對於頻寬的需求也越來越大。由於目前微波頻段已經相當擁擠,要獲取更大頻寬,毫米波頻段成為一熱門選項。在綜合空氣吸收率、波段使用現況以及可用連續頻寬之考量,38GHz被選為工研院5G計畫的潛力波段。雖然38GHz頻段能提供相當大的頻寬,但也包含許多毫米波在戶外通訊的幾個高頻通訊問題。這些高頻通訊的各項傳輸損失可藉由設計大量或巨量的天線陣列,以及藉由天線陣列的波束形成技術(Beam Forming),來提供很大的陣列天線增益,以補償高頻通訊的各項傳輸損失來解決。至於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,以提供移動傳輸的能力, 則需要設計波束追蹤(Beam Tracking)的演算法來達成。

參考文獻

  1. https://www.metis2020.com/wp-content/uploads/presentations/ITU-R-2020-VisionWS.pdf
  2. “Samsung’s Vision of 5G Wireless,” IEEE Spectrum for the Technology Insider, Jul.2013.(http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=06545095)

  3. T. Kim, J. Park, J. Seol, S. Jeong, J. Cho,and W. Roh, “Tens of Gbps support with mmWave beamforming systems for next generation communications,” IEEE Global Telecomm. Conf. (GLOBECOM’13), Dec. 2013.

  4. Azar, Y., Wong, G. N., Wang, K., Mayzus,R., Schulz, J. K., Zhao, H., Gutierrez, F.,Hwang, D., Rappaport, T. S., ”28 GHz Propagation Measurements for Outdoor Cellular Communications Using Steerable Beam Antennas in New York City,” Published in the 2013 IEEE International Conference on Communications (ICC), June 9 ~13, 2013.

  5. Wonil Roh, et al., "Millimeter-Wave Beamforming as an Enabling Technology for 5G Cellular Communications: Theoretical Feasibility and Prototype Results,” IEEE Communications Magazine,Feb. 2014.

  6. Wonil Roh, “5G Mobile Communications for 2020 and Beyond - Vision and Key Enabling Technologies,” IEEE WCNC 2014 Keynote, Apr. 2014.

作者簡介

陳文江

目前任職於工研院資通所新興無線應用技術組, 擔任技術副組長的職務, 並且擔任工研院5G前瞻計畫”Gpbs 等級寬頻無線接取系統先進平台建置與展示” 計畫的協同計畫主持人. 在加入工研院之前,2004年至2013年係任職於智原科技,並於2008年至2013年擔任”核心技術開發” 部門部長之職務, 主要帶領部門同仁進行先進數位IP之開發,包括:ARM compatible RISC CPU,USB 1.1/2.0/3.0 device/host controller,OTG 2.0/3.0 controller,PCI-Express 2.0/3.0 4-port device controller, SATA 3G/6G device/host controller, MIPI DSI device/host controller, MIPI CSI-2 TX/RX controller, DDR 2.0/3.0/4.0 controller, NAND flash controller.2004年至2008年則是擔任兩個無線收發機IC設計開發計畫的計畫主持人;分別是Wireless LAN 802.11b/a/g及OFDM UWB, 除了計畫管理之外,並且負責設計規格制定,transceiver 架構設計, 演算法設計及RTL實現.
畢業於國立交通大學電子工程學系與電子研究所, 主要專業領域為WLAN,Bluetooth與OFDM UWB等無線通訊系統研發與數位IC設計, 包括系統設計規格制定, 系統架構設計, 演算法設計, 與收發機之實現.