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5G服务加紧脚步 毫米波频段竞赛越演越烈
2020年5G将至

【作者: 王岫晨】2020年05月21日 星期四

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适用於5G的毫米波频率逐渐浮上台面:28 GHz、39 GHz与72 GHz。


透过高定向天线搭配波束赋形功能,毫米波能提供稳定安全的连结。


随着5G登场,全世界都将关注并观察未来毫米波技术的应用方式。


当ITU、3GPP与其他标准组织决定以2020年做为定义5G标准的期限时,手机电信业者也正加紧脚步推出5G服务。透过各方所订定的不同目标,适用於5G的毫米波频率选项也逐渐浮上台面:28 GHz、39 GHz与72 GHz。


这三种频带能脱颖而出的原因有很多。首先,不像60GHz必须承受约20 dB/km的氧气吸收损失,这三种频率的氧气吸收率低,因此较适合长距离通讯。这些频率也能在多路径环境中顺利运作,并且能用於非可视判读(NLoS)通讯。透过高定向天线搭配波束赋形与波束追踪功能,毫米波便能提供稳定且高度安全的连结。


5G频段布局

根据中华民国NCC的5G频谱资源特性与技术关联文件中指出,由各国际组织及大厂对於候选频段之选定及测试,可归纳出欧洲及中国主要由6GHz以下频段开始布局测试,日本由於对於行动宽频的应用较有兴趣,因此对6GHz以上之频段着墨较多,美国现阶段看来则采取高低频段均重的策略。观察各国电信业者之布局,6GHz以下频段以3.5GHz及5GHz为重要频段。由於3.5GHz其相邻频宽累计连续可达400MHz,因此为各国政府或产业利害相关人所重视。


另外,由於5GHz之可用频宽较2.4GHz多,为了与Wi-Fi和平共处,也因此衍生LTE-U、LTE授权辅助接入(License-assisted Access;LAA)、LWA等聚合技术。此外,高频部分如28GHz、39GHz、73GHz等亦是各国布局之重点,原因为6GHz以上频段之频率特性,其氧气吸收率(损耗率)较低,能传输距离较远。


3GPP於2018年通过第15版(Release 15)规格,对於5G新无线电(5G New Radio;5G NR),以6GHz频段为界线,区分为第一型频率范围(Frequency Ranges 1;FR1)与第二型频率范围(Frequency Ranges 2;FR2),FR1频段范围为450~6000MHz,FR2频段范围则为24250~52600MHz。


28GHz毫米波

国家仪器指出,电信业者急切想要取得未分配的大量毫米波频谱;而毫米波频谱会使用哪些频率,这些业者将是深具影响力的关键要角。早在2015年2月,Samsung便已经执行了自己的通道量测,并发现28GHz的频率可用於手机通讯。这些量测结果,验证了都市环境中预期会发生的路径损耗(非可视判读NLoS连结中的路径损耗指数为3.53)。Samsung宣称此数据显示毫米波通讯连结可支援200公尺以上的距离。该研究还包含相位阵列天线的运用。Samsung也开始相关设计,以便让手机能够容纳精密的阵列天线。在日本,NTT Docomo与 Nokia、Samsung、Ericsson、Huawei、Fujitsu等厂商共同合作,针对28GHz(以及其他频率)顺利完成了现场测试。


而Verizon与Samsung等重要合作夥伴,於2016年在美国执行现场测试。这时间点比订定5G标准的拟议期限2020年还早了4年,使得Verizon成为5G市场的先行者。到了2015年11月,Qualcomm透过128支天线针对28GHz执行实验,在人囗密集的都市环境中,展现了毫米波技术的效能,以及定向波束赋形如何用於非可视判读通讯。而在FCC宣布28GHz频谱可用於行动通讯後,进一步的实验与现场测试,也在美国持续进行。同时,Verizon公布了租用XO Communications的28GHz频谱协议,其中包含於2018年底买下频谱的购买选择权。


然而需注意的是,28GHz频带并不在ITU的全球可用频率清单上。因此,当时仍无法确定此频带是否能成为5G毫米波应用的长期频率。但基於此频谱在美国、韩国与日本的可用性,以及美国电信业者在早期现场测试的投入,28GHz因此在不符国际标准的情形下,直接应用於美国的行动技术。韩国於2018年奥运展示5G技术的目标,也是在标准组织确定5G标准之前,促使消费型产品运用28GHz技术。


38GHz毫米波

关於38GHz在进行中的公开研究资料最少,但这个频段仍有机会成为5G标准的一部分。ITU已将38GHz列於全球可用频率清单,而且根据纽约大学的研究,已有通道资料可证明其为可用的毫米波频率。尽管如此,相较於28GHz或73GHz,38GHz有更多现有用途,因此要将其纳入5G标准将是一项挑战。FCC已针对可能的行动应用拟议频谱,以便加速美国未来针对此频带的研究。


值得注意的是,当Verizon於2016年着手进行28GHz的初期现场测试时,已拟定计画要测试39GHz。39GHz有电信业者的大量投资,同时也名列IMT的清单中,因此无疑是2020年5G标准的候选频带之一。


73GHz毫米波

正当28GHz相关研究展开的同时,E频带也在近几年引起行动通讯领域的注意,而73GHz就是另一个备受瞩目的毫米波频率。Nokia运用了纽约大学的73GHz通道量测结果,开始研究此频率。早在2014年的NI Week年会上,Nokia就已经透过NI原型制作硬体,展示了他们第一个73GHz空中传输(OTA)技术。这套系统随着研究进行不断演进,并持续透过公开示范来展示新的技术成就。



图一 : 行动用途的FCC频带(source:NI.com)
图一 : 行动用途的FCC频带(source:NI.com)

到了2015年的MWC上,这套原型验证系统已能藉由透镜天线与光束追踪技术,执行每秒超过2Gbps的资料传输。该系统的MIMO版本,则在布鲁克林5G高峰会议上展出,可执行高达10Gbps的资料传输。而在不到一年後的MWC上,这套原型展示了双向空中传输连结,传输速率超过14Gbps。2016年的MWC,Nokia已经不是唯一有能力进行73GHz技术示范的厂商。Huewei与Deutsche Telekom也一同展示了可於73GHz运作的原型。这项示范采用多使用者(MU)MIMO,展示了高频谱效率,以及针对个别使用者超过20Gbps传输率的潜力。


在过去几年,许多73GHz的研究正陆续进行,近期预计将有更多相关研究。其中一项可用以区分73GHz与28GHz、39GHz频段间差异的特性,是其可用的连续频宽。73GHz中有2GHz的连续频宽可用於行动通讯,是这些频谱中范围最广的。相较之下,28GHz仅提供850MHz的频宽。在美国,39GHz附近就有两个频带提供1.6GHz与1.4GHz频宽。此外,如Shannon定理所述,更高的频宽代表更高的资料传输量,因此与上述的其他频率相比,73GHz具备了强大优势,将成为毫米波中的一个重要频率。


结语

尽管仍有许多未知的部分,但有一件事是可以确定的,未来的5G一定会布署毫米波技术,而且会以很快的速度来执行。随着新一代的5G无线通讯登场,全世界都将更为关注并观察未来毫米波技术的应用方式。


解决方案

安立知VectorStar宽频向量网路分析仪


图二 : 安立知VectorStar宽频向量网路分析仪
图二 : 安立知VectorStar宽频向量网路分析仪图片来源:anritsu.com

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图三 : 太克科技TTR500系列向量网路分析仪
图三 : 太克科技TTR500系列向量网路分析仪source:tektronix.com

太克科技:「减少原型设计反覆项目并让日常量测准确可信!」


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图四 : 是德科技PNA网路分析仪
图四 : 是德科技PNA网路分析仪source:keysight.com

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图五 : R&S ZNA高阶向量网路分析仪
图五 : R&S ZNA高阶向量网路分析仪source:R&S.com

罗德史瓦兹:「这款仪器具有出色的射频性能!」


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图六 : NI向量网路分析仪(VNA)
图六 : NI向量网路分析仪(VNA)source:ni.com

国家仪器:「PXI VNA可提供高准确度的RF量测效能。」


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