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5G服務加緊腳步 毫米波頻段競賽越演越烈
2020年5G將至

【作者: 王岫晨】   2020年05月21日 星期四

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適用於5G的毫米波頻率逐漸浮上檯面:28 GHz、39 GHz與72 GHz。


透過高定向天線搭配波束賦形功能,毫米波能提供穩定安全的連結。


隨著5G登場,全世界都將關注並觀察未來毫米波技術的應用方式。


當ITU、3GPP與其他標準組織決定以2020年做為定義5G標準的期限時,手機電信業者也正加緊腳步推出5G服務。透過各方所訂定的不同目標,適用於5G的毫米波頻率選項也逐漸浮上檯面:28 GHz、39 GHz與72 GHz。


這三種頻帶能脫穎而出的原因有很多。首先,不像60GHz必須承受約20 dB/km的氧氣吸收損失,這三種頻率的氧氣吸收率低,因此較適合長距離通訊。這些頻率也能在多路徑環境中順利運作,並且能用於非可視判讀(NLoS)通訊。透過高定向天線搭配波束賦形與波束追蹤功能,毫米波便能提供穩定且高度安全的連結。


5G頻段佈局

根據中華民國NCC的5G頻譜資源特性與技術關聯文件中指出,由各國際組織及大廠對於候選頻段之選定及測試,可歸納出歐洲及中國主要由6GHz以下頻段開始佈局測試,日本由於對於行動寬頻的應用較有興趣,因此對6GHz以上之頻段著墨較多,美國現階段看來則採取高低頻段均重的策略。觀察各國電信業者之布局,6GHz以下頻段以3.5GHz及5GHz為重要頻段。由於3.5GHz其相鄰頻寬累計連續可達400MHz,因此為各國政府或產業利害相關人所重視。


另外,由於5GHz之可用頻寬較2.4GHz多,為了與Wi-Fi和平共處,也因此衍生LTE-U、LTE授權輔助接入(License-assisted Access;LAA)、LWA等聚合技術。此外,高頻部分如28GHz、39GHz、73GHz等亦是各國布局之重點,原因為6GHz以上頻段之頻率特性,其氧氣吸收率(損耗率)較低,能傳輸距離較遠。


3GPP於2018年通過第15版(Release 15)規格,對於5G新無線電(5G New Radio;5G NR),以6GHz頻段為界線,區分為第一型頻率範圍(Frequency Ranges 1;FR1)與第二型頻率範圍(Frequency Ranges 2;FR2),FR1頻段範圍為450~6000MHz,FR2頻段範圍則為24250~52600MHz。


28GHz毫米波

國家儀器指出,電信業者急切想要取得未分配的大量毫米波頻譜;而毫米波頻譜會使用哪些頻率,這些業者將是深具影響力的關鍵要角。早在2015年2月,Samsung便已經執行了自己的通道量測,並發現28GHz的頻率可用於手機通訊。這些量測結果,驗證了都市環境中預期會發生的路徑損耗(非可視判讀NLoS連結中的路徑損耗指數為3.53)。Samsung宣稱此數據顯示毫米波通訊連結可支援200公尺以上的距離。該研究還包含相位陣列天線的運用。Samsung也開始相關設計,以便讓手機能夠容納精密的陣列天線。在日本,NTT Docomo與 Nokia、Samsung、Ericsson、Huawei、Fujitsu等廠商共同合作,針對28GHz(以及其他頻率)順利完成了現場測試。


而Verizon與Samsung等重要合作夥伴,於2016年在美國執行現場測試。這時間點比訂定5G標準的擬議期限2020年還早了4年,使得Verizon成為5G市場的先行者。到了2015年11月,Qualcomm透過128支天線針對28GHz執行實驗,在人口密集的都市環境中,展現了毫米波技術的效能,以及定向波束賦形如何用於非可視判讀通訊。而在FCC宣佈28GHz頻譜可用於行動通訊後,進一步的實驗與現場測試,也在美國持續進行。同時,Verizon公佈了租用XO Communications的28GHz頻譜協議,其中包含於2018年底買下頻譜的購買選擇權。


然而需注意的是,28GHz頻帶並不在ITU的全球可用頻率清單上。因此,當時仍無法確定此頻帶是否能成為5G毫米波應用的長期頻率。但基於此頻譜在美國、韓國與日本的可用性,以及美國電信業者在早期現場測試的投入,28GHz因此在不符國際標準的情形下,直接應用於美國的行動技術。韓國於2018年奧運展示5G技術的目標,也是在標準組織確定5G標準之前,促使消費型產品運用28GHz技術。


38GHz毫米波

關於38GHz在進行中的公開研究資料最少,但這個頻段仍有機會成為5G標準的一部分。ITU已將38GHz列於全球可用頻率清單,而且根據紐約大學的研究,已有通道資料可證明其為可用的毫米波頻率。儘管如此,相較於28GHz或73GHz,38GHz有更多現有用途,因此要將其納入5G標準將是一項挑戰。FCC已針對可能的行動應用擬議頻譜,以便加速美國未來針對此頻帶的研究。


值得注意的是,當Verizon於2016年著手進行28GHz的初期現場測試時,已擬定計畫要測試39GHz。39GHz有電信業者的大量投資,同時也名列IMT的清單中,因此無疑是2020年5G標準的候選頻帶之一。


73GHz毫米波

正當28GHz相關研究展開的同時,E頻帶也在近幾年引起行動通訊領域的注意,而73GHz就是另一個備受矚目的毫米波頻率。Nokia運用了紐約大學的73GHz通道量測結果,開始研究此頻率。早在2014年的NI Week年會上,Nokia就已經透過NI原型製作硬體,展示了他們第一個73GHz空中傳輸(OTA)技術。這套系統隨著研究進行不斷演進,並持續透過公開示範來展示新的技術成就。



圖一 : 行動用途的FCC頻帶(source:NI.com)
圖一 : 行動用途的FCC頻帶(source:NI.com)

到了2015年的MWC上,這套原型驗證系統已能藉由透鏡天線與光束追蹤技術,執行每秒超過2Gbps的資料傳輸。該系統的MIMO版本,則在布魯克林5G高峰會議上展出,可執行高達10Gbps的資料傳輸。而在不到一年後的MWC上,這套原型展示了雙向空中傳輸連結,傳輸速率超過14Gbps。2016年的MWC,Nokia已經不是唯一有能力進行73GHz技術示範的廠商。Huewei與Deutsche Telekom也一同展示了可於73GHz運作的原型。這項示範採用多使用者(MU)MIMO,展示了高頻譜效率,以及針對個別使用者超過20Gbps傳輸率的潛力。


在過去幾年,許多73GHz的研究正陸續進行,近期預計將有更多相關研究。其中一項可用以區分73GHz與28GHz、39GHz頻段間差異的特性,是其可用的連續頻寬。73GHz中有2GHz的連續頻寬可用於行動通訊,是這些頻譜中範圍最廣的。相較之下,28GHz僅提供850MHz的頻寬。在美國,39GHz附近就有兩個頻帶提供1.6GHz與1.4GHz頻寬。此外,如Shannon定理所述,更高的頻寬代表更高的資料傳輸量,因此與上述的其他頻率相比,73GHz具備了強大優勢,將成為毫米波中的一個重要頻率。


結語

儘管仍有許多未知的部分,但有一件事是可以確定的,未來的5G一定會佈署毫米波技術,而且會以很快的速度來執行。隨著新一代的5G無線通訊登場,全世界都將更為關注並觀察未來毫米波技術的應用方式。


解決方案

安立知VectorStar寬頻向量網路分析儀


圖二 : 安立知VectorStar寬頻向量網路分析儀
圖二 : 安立知VectorStar寬頻向量網路分析儀圖片來源:anritsu.com

安立知:「這部儀器可提升晶圓探針台的成本效益!」


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太克科技TTR500系列向量網路分析儀


圖三 : 太克科技TTR500系列向量網路分析儀
圖三 : 太克科技TTR500系列向量網路分析儀source:tektronix.com

太克科技:「減少原型設計反覆項目並讓日常量測準確可信!」


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是德科技PNA網路分析儀


圖四 : 是德科技PNA網路分析儀
圖四 : 是德科技PNA網路分析儀source:keysight.com

是德科技:「我們可全面增強您的量測自信度!」


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圖五 : R&S ZNA高階向量網路分析儀
圖五 : R&S ZNA高階向量網路分析儀source:R&S.com

羅德史瓦茲:「這款儀器具有出色的射頻性能!」


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NI向量網路分析儀(VNA)


圖六 : NI向量網路分析儀(VNA)
圖六 : NI向量網路分析儀(VNA)source:ni.com

國家儀器:「PXI VNA可提供高準確度的RF量測效能。」


國家儀器VNA為10MHz~6GHz的完整向量網路分析系統。PXI向量網路分析器配備2個連接埠,因此可以擇一選用T/R測試模組或是完整的S參數功能。PXI向量網路分析器支援自動化精確校準、完整向量分析與參考平面擴充,因此適合做為檢驗與生產作業的向量網路分析解決方案,並省下統桌上型VNA的高價位與龐大體積。


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