5G高頻技術挑戰大　毫米波無線接取難關逐一突破

為滿足歐盟行動暨無線通訊網路驅動計畫(METIS)所勾勒2020年的使用情境，就最高峰值傳輸速率(Peak Data Rate)而言，必須是目前傳輸速率的10到100倍；行動數據容量(Mobile Data Volumes)則必須是2010年的1,000倍(如圖1所示)。要達到METIS所定義的最高峰值傳輸速率與1,000倍行動數據容量的需求，有如圖2所示的幾種主要技術，包含增加頻寬、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。其中利用毫米波頻段增加可用頻寬則是最直接、有效的解決方案。

本文主要係針對5G就利用毫米波增加可用頻寬所遭遇各項挑戰與主要關鍵技術進行詳細的解說。首先將先介紹各國在毫米波頻段的候選頻譜，與針對使用毫米波頻段進行高頻段無線接取所遭遇的各項技術困難與挑戰進行詳細的解說；其次，詳細解說5G毫米波系統開發的主要挑戰；最後介紹工研院在5G毫米波無線接取技術方面技術的發展成果。

各國5G毫米波候選頻段

在3GPP與世界各通訊大廠目前所規畫有關5G毫米波相關標準制定的時程如圖3所示，除了已在2018年年中完成Phase-1標準制定，頻率除了小於6GHz(sub-6GHz)的頻段之外，也包含了涵蓋至52.6GHz的毫米波頻段；2019年年底前則將完成涵蓋至100GHz頻段之Phase-2 5G標準的制定。

在圖2所示提升頻譜效率的幾種主要技術當中，增加可用頻寬是提升傳輸速率與數據容量最直接也是最容易的方式。但由於在目前主要使用在無線通訊的「小於6GHz」頻段已經有許多標準與應用，像2G、3G、4G、藍牙(Bluetooth)與無線區域網路(Wireless LAN、Wi-Fi)等，要再找到能夠支援更大容量、更高傳輸速率的連續可用頻寬越來越不容易。也因此，全世界主要通訊大廠將使用毫米波頻段定義為5G「革命性(Revolution)」技術發展的關鍵技術之一(如圖3所示)。

雖然毫米波頻段能提供相當大的可用頻譜以滿足METIS所勾勒2020年10到100倍最高峰值傳輸速率與1,000倍行動數據容量所需的頻寬要求，但也帶來許多毫米波在戶外通訊所面臨新的高頻無線接取技術的挑戰，例如高路徑傳輸損失(Path Loss)、穿牆性(Wall Penetration)、在雨中的衰減(Rain Fading)、樹葉的遮蔽耗損、甚至因為水氣與氧氣吸收所致的傳輸耗損(Propagation Loss)等問題。

目前，3GPP與世界各主要通訊大廠除了在2016年年初公布了有關毫米波通道模型的技術報告：TR38.900，ITU-R在2015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24.25~86GHz的八個頻段。美國FCC更搶先在2016年7月公布了27.5~28.35GHz、37~38.6GHz、38.6~40GHz、64~71GHz等四個將近11GHz頻寬的毫米波頻段，以加速美國通訊廠商在5G毫米波通訊系統的開發與布建。歐盟、中國、日本、韓國、加拿大等世界各國也紛紛選定各國預定之毫米波頻段(如圖4所示)，主要包括26GHz、28GHz與39GHz三個頻段。

5G毫米波無線接取主要技術挑戰

毫米波在戶外通訊有幾個主要高頻無線接取的技術挑戰，如圖5所示，以下就這幾個主要的毫米波高頻無線接取的挑戰。

波束成形技術(Beam Forming)

要解決毫米波在戶外通訊的這幾個高頻無線接取問題，其解決方案為設計大量或巨量的天線陣列(Antenna Array)，透過天線陣列與波束成形器(BeamFormer)的適當設計使每個天線的輻射場型(Antenna Pattern)產生正向耦合(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，此即所謂波束成形技術，如圖6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)。

透過巨量天線陣列形成波束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超過100公尺小型基站(Small Cell)的涵蓋目標。

波束追蹤技術(Beam Tracking)

但因為天線陣列所形成的波束，其波束的HPBW寬度隨著天線陣列中天線元件的個數越多而越窄，使得原本在4G或之前在sub-6GHz低頻段全方向(Omni-directional)傳輸的方式變成了指向性(Directional)傳輸，在行動通訊終端用戶(User Equipment, UE)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，以提供移動傳輸並始終維持好的通訊品質的能力，此則是透過波束追蹤演算法的設計來達成，如圖7所示，當用戶終端在120o涵蓋角度(Coverage Angle)範圍內從右邊移動到左邊，基站端(gNT)與用戶終端會持續進行波束追蹤與波束切換，來保證雙方一直用通訊品質最好的波束來作通訊連結。

阻擋問題(Blockage Issue)

如前文所述，毫米波在戶外通訊必須利用大量天線單元所構成的相位天線陣列(Phased Antenna Array)，形成窄波束(Narrow Beam)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。但這種波束成形的窄波束指向性傳輸最棘手的問題則是阻擋問題，特別是針對3GPP所定義的5G增強型行動寬頻(Enhanced Mobile Broad Band, eMBB)應用，主要的應用場景是像購物中心、露天廣場等人潮壅擠的熱點(Hot Spot)，如圖8所示，阻擋問題更是很難避免。一旦訊號被阻擋，將產生幾十dB的訊號功率損失，使得傳輸品質大幅下降，甚至無法繼續通訊。因此之故阻擋問題必須被解決，才能夠使5G增強型行動寬頻應用在這些環境成為實際可實現的5G應用場景。

多用戶終端支援(Multiple UE Support)

利用大量天線單元所構成的相位天線陣列，形成窄波束指向性傳輸的另一個棘手問題，是多用戶終端支援的問題。

對於小型基站而言，原本就必須支援多個用戶終端，同時能夠支援越多的用戶終端，系統建置成本就越低。如圖9所示工研院針對38GHz毫米波波束傳輸情境下有關距離與極化相關性的量測設置。

從圖10針對不同極化(Polarization)與相同極化兩種多用戶多輸入多輸出(Multiple User Multiple Input Multiple Output, MU-MIMO)之傳輸性能結果可以看出，在38GHz七公尺傳輸距離下，相同極化時兩個天線陣列必須距離夠遠(≧11λ)，才能有夠好的傳輸性能。而若使用垂直極化與水平極化之雙極化(Dual-Polarization)傳輸，則可以在大多數情況下達到好的傳輸性能。

5G毫米波系統開發主要挑戰

在3GPP所完成之Release-15新5G標準中，仍持續延用4G標準中所使用之正交頻分多重接取技術(Orthogonal Frequency-Division Multiple Access, OFDMA)。而正交頻分多重接取技術最大的缺點就是有很大的峰值相對於平均之功率比率(Peak to Average Power Ratio, PAPR)，在搭配高階調變技術64-QAM(Quadrature Amplitude Modulation)時，需要在發射功率上從功率放大器(PA)的1dB功率(P1dB)點後退(Back-off)約10dB才能達到滿意的解調變性能，這使得功率放大器的功率附加效率(Power Added Efficiency, PAE)變得很差。這個問題在毫米波高頻頻段更加嚴重。以38GHz頻段為例，原本使用砷化鎵(GaAs)製程設計之功率放大器在1dB功率點的功率附加效率約為18%，但後退10dB之後功率附加效率就只剩下2~3%，這意味著輸入的直流功率(DC Power)只有2~3%轉換成傳送訊號功率，其餘97~98%的直流功率則是轉換成熱能散逸，造成很嚴重的散熱問題。

另一個使這個問題更加雪上加霜的因素則是，因為要克服毫米波在戶外高頻通訊很大的路徑損失與傳輸耗損，必須使用相位陣列天線，整合多個功率放大器與天線，以陣列增益(Array Gain)來補償路徑損失與傳輸耗損，個數甚至可能最多高達256個。以工研院在38GHz的5G毫米波驗證平台的設計為例，基站端射頻(Radio Frequency, RF)前端(Front-end)的相位陣列天線是由64個天線單元所組成，根據熱模擬的結果，將產生近600瓦的熱(如圖11所示)，因而導致高達將近200℃的高溫(如圖12所示)，這也是在5G使用毫米波高頻傳輸最急需克服的技術挑戰議題之一。

另外，從圖12亦可以看出，使用大增益大輸出功率之功率放大器與低雜訊放大器(Low Noise Amplifier, LNA)，其大小就已經比天線大，對於天線單元之大小與天線單元之間距僅半波長之要求，每個天線單元卻必須整合包括功率放大器、低雜訊放大器、相移器(Phase Shifter)、衰減器(Attenuator)與切換器(Switch)等元件，否則將使得功率放大器與低雜訊放大器距離天線更遠、傳輸線損耗更大，更是整合上的一大挑戰。

工研院毫米波無線接取技術

工研院自2014年開始投入5G高頻段接取技術的開發，第一個計畫因考慮零件的易取得性，選擇了11GHz頻段作為前瞻計畫的計畫目標。以一年時間完成了從標準制定、系統設計規格設計、系統模擬平台之建置、系統性能浮點數與定點數模擬、系統架構設計、介質進接控制層(Media Access Control Layer, MAC)軟體之設計與實現、基頻訊號處理單元之設計與實現、射頻前端電路之設計與實現、2×8 16天線單元基站端天線陣列和2×2天線單元用戶終端天線陣列之設計與實現、系統整合與驗證，完成了台灣第一個以載波聚合技術達到頻寬250MHz、峰值傳輸速率可達1Gbps之5G軟硬體驗證平台，如圖13所示。並於2014年12月赴美國德州奧斯汀參加IEEE GlobeCom-2014的國際展示，如圖14所示。

2015年配合經濟部技術處科發計畫，開始38GHz毫米波頻段「高頻接取技術」計畫的執行，此計畫並獲得台灣手機晶片大廠的加入，簽署了新台幣1,000萬元的技術授權，同時投入人力與工研院團隊共同制定設計規格，並共同開發驗證，實現了包括上行/下行、8×8 64天線單元之基站端相位天線陣列、8×4 32天線單元之用戶終端相位天線陣列、混合型波束成形(Hybrid Beam Forming)架構之射頻前端、波束追蹤演算法設計、峰值傳輸速率可達1Gbps、支援大於時速100公里移動傳輸與200公尺涵蓋範圍之38GHz 5G毫米波軟硬體驗證平台，如圖14所示。工研院與該台灣手機晶片大廠並共同參加於西班牙巴塞隆納MWC-2016與MWC-2017的國際展示，如圖15與圖16所示。

更在2016年持續共同開發結合工研院4G基站、該手機晶片大廠之手機、與工研院5G毫米波驗證平台，完成4G與5G毫米波雙連結之開發驗證並共同參展MWC-2017。

另外工研院也在2018年完成使用商用毫米波波束成形晶片所開發完成，整合中頻至毫米波收發器(Transceiver)、波束成形器與2×4及4×4天線單元天線陣列之28GHz 5G mmWave前端模組(圖17)與支援70MHz至6GHz、使用於Matlab或C++等純軟體開發環境之sub-6GHz軟體定義驗證平台(圖18)，可使用於驗證5G mmWave前端模組或作為5G通訊系統演算法開發、5G通道量測與空中傳輸(Over-The-Air, OTA)測試之開發驗證平台。

(本文由台灣資通產業標準協會提供，作者為工研院資通所新興無線應用技術組技術副組長)