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，達到最高峰值傳輸速率是目前傳輸速率的10到100倍、行動數據容量是2010年的1,000倍的需求(如圖1)，目前3GPP與全世界各通訊大廠除了已達成使用毫米波頻段作為5G操作頻段的共識，也正針對5G新波形、新調變技術、新編解碼技術、新多工進接技術等重要新的無線接收技術積極提案與討論(如圖2)。
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| 圖1 歐盟行動暨無線通訊網路驅動計畫5G技術目標 |
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| 圖2 頻譜效率增強 |
雖然毫米波頻段能提供相當大的可用頻寬，但也包含許多毫米波在戶外通訊高路徑損失與高傳輸耗損的問題。在綜合考量水與空氣吸收率、波段使用現況以及可用連續頻寬之後，38GHz被選為工研院5G計畫的操作頻段。毫米波在戶外通訊需要藉由天線陣列形成波束來解決高耗損的問題，卻也額外造成毫米波在戶外通訊窄波束、高指向性傳輸的困難與挑戰。
工研院從2014年開始進行11GHz 5G高頻驗證平台與相關技術的開發，並於2015年與國內手機晶片大廠合作，共同制訂設計規格、並共同開發驗證，實現了包括上行/下行、基站端相位天線陣列、用戶終端相位天線陣列、混合型波束形成(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1Gbit/s、支援大於10Km/hr移動傳輸與200米涵蓋範圍之5G毫米波軟硬體驗證平台，並共同參展MWC-2016，在國際舞台展示了我國在5G毫米波的研發成果。
布局高頻/高傳輸 5G毫米波標準制定與挑戰
在3GPP與世界各通訊大廠目前所規劃有關5G毫米波相關標準制定的時程，是預計在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，也將涵蓋至30或40GHz的毫米波頻段；2019年年底前則將完成涵蓋至100GHz頻段之5G標準phase-2的制定(圖3)。
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| 圖3 3GPP 5G標準制定時程 |
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 (sub-6GHz)」頻段已經有許多標準與應用，像2G、3G、4G、藍牙(Bluetooth)、無線區域網路(Wi-Fi)等，要再找到能夠支援更大容量、更高傳輸速率的頻寬越來越不容易，也因此，目前全世界大廠對於5G使用毫米波頻段已經形成共識，除了現有4G技術的持續「演進」(Evolution)之外；也定義了另一條使用毫米波頻段「革命性(Revolution)」技術發展的途徑(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年須達到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，但也包含許多毫米波在戶外通訊所面臨新的高頻無線接收技術的挑戰，像是高路徑傳輸損失(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耗損(Propagation Loss)等問題，因此一直以來有不少人懷疑毫米波是否適合做為5G的通訊頻段。
目前，3GPP與世界各主要通訊大廠已經完成了幾個主要毫米波通訊頻段的初步量測，並在2016年年初公布了有關毫米波通道模型的技術報告：TR38.900，除了希望能夠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，並且作為全球在開發5G毫米波通訊系統的共同依據(圖4)。
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| 圖4 ITU-R IMT頻譜和美國F.C.C 5G毫米波頻譜 |
毫米波通訊四大挑戰
毫米波在戶外通訊有幾個主要高頻無線接收的技術挑戰，如圖5所示，以下說明幾個主要的毫米波高頻無線接收的挑戰。
波束形成技術
要解決毫米波在戶外通訊的這幾個高頻無線接收問題，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，此即所謂波束形成技術(Beam Forming)。
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公尺小型基站的涵蓋目標。
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| 圖5 毫米波無線接收的關鍵挑戰 |
波束追蹤技術
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(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(Beam Tracking)演算法的設計來達成。當用戶終端在120涵蓋角度(Coverage Angle)範圍內從右邊移動到左邊，基站端(eNT)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。
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| 圖6 波束追蹤演算法支援行動端傳輸 |
阻擋問題
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。但這種波束形成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(Shopping Mall)、露天廣場(Open Square)等人潮壅擠的熱點(Hot Spot)，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。因此使得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場景成為實際可實現的5G應用場景。
多用戶終端支援
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7所示工研院針對人口密集、兩端都是高樓大廈的典型都會場景：街道峽谷(Street Canyon)的通道量測結果，在多個不同接收位置接收端的接收功率分布圖(Received Power Profile) 。
從圖8接收端的接收功率分布圖可以看出，窄波束指向性傳輸在大部分位置都只有單一個方向可以接收到訊號；只有少部分位置有兩個方向可以接收到訊號，更遑論如sub-6GHz低頻段全方向性傳輸，從許多方向都可以接收到訊號的狀況。這是窄波束指向性傳輸與sub-6GHz低頻段全方向性傳輸最明顯、最大的差異。這也造成了在這種窄波束指向性傳輸情形下，如何可以儘可能支援多個用戶終端同時進行傳輸的很大技術挑戰。
5G毫米波新波形標準制定現況
4G標準即已採用正交頻分多工技術(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, OFDM)相關波形與QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)/16-QAM(Quadrature Amplitude Modulation)/64-QAM(Quadrature Amplitude Modulation)等之調變技術；多重接收技術方面，則是在下行部分採用正交頻分多重接收技術(Orthogonal Frequency-Division Multiple Access, OFDMA)；在上行部分則是採用單載波頻分多重接收技術(Single-Carrier Frequency-Division Multiple Access, SC-FDMA)。正交頻分多工技術相關波形最大的缺點是頻外(Out Of Band, OOB)頻譜響應不夠低，因此操作頻帶與頻帶之間必須留有間隔來降低頻帶間的干擾，也因此降低了頻譜使用效率(如圖7所示)。
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| 圖7 OFDM的頻率頻譜 |
此一狀況在發射功率後退(Back Off)不夠多時，會遭遇功率放大器(PA)因為非線性(Non-linearity)特性所引致頻譜再生(Spectrum Re-growth)效應，使得這部分對頻譜效率的影響更是雪上加霜。
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| 圖8 毫米波通道探測於街道峽谷情境之接收功率示意 |
因為正交頻分多工技術相關波形，在同時考慮頻譜效率與實現複雜度這兩方面的性能表現到目前為止仍是最佳的選擇，因此3GPP與世界各通訊大廠針對新的波形與新的調變技術目前已達成的共識仍是以正交頻分多功技術為基本波形，再針對前文所提到的頻外頻譜響應不夠低的問題作變形與改善。
如圖9所列即是目前有關5G新波形的相關提案，從大量或多量天線陣列波束形成技術都仍是以快速傅立葉轉換/反向快速傅立葉變換(Fast Fourier Transform/Inverse Fast Fourier Transform, FFT/IFFT)為基礎，只是在頻域或時域再加上濾波器(Filter)或是窗函數(Windowing)以針對頻外頻譜響應作變形與改善。
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| 圖9 3GPP 5G新調變候選技術 |
表1有關各種OFDM-based 5G新波形的比較，主要還是從頻譜效率與實現複雜度這兩方面做考量。有些新波形像UFMC(Universal Filtered Multi-Carrier)或是FBMC(Filter-Bank Multi-Carrier)雖然在頻外頻譜響應的性能表現很好，但是實現複雜度很高。畢竟實現複雜度關係到未來手機晶片的實現成本，也是一個標準在討論與制訂過程中必須考慮的重要因素之一。
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| 表1 OFDM-based的5G新波形後選技術比較 |
4G標準所使用的編碼技術是渦輪編碼(Turbo Code)，目前在5G標準所討論的新編碼技術有如表2所示的幾種新編碼技術與各自支持的國際通訊大廠。
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| 表2 5G新編碼候選名單列表 |
有關5G新編碼技術的討論，主要是考慮以下幾個重要性能表現：
目前仍是如4G標準制定過程一樣，以渦輪編碼(Turbo Code)與低密度奇偶檢查碼(Low-Density Parity-Chec, LDPC)這兩種編碼技術的呼聲最高，特別是到了5G在峰值傳輸速率的要求高達10Gbit/s到20Gbit/s的情況下，對於平行處理在運算速度的優勢更加明顯而重要，也使得低密度奇偶檢查碼的支持呼聲很高，獲得最多國際通訊大廠的支持。
5G毫米波新多重接收標準制定現況
目前在5G標準所討論的新多重接收技術有如表3所示的幾種新多重接收(Multiple Access)技術，及與現在在4G標準中所使用多重接收技術，其優缺點的比較。
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| 表3 5G新多重接收技術 |
多重接收技術除了主要在比較其頻譜效率：平均每赫茲可以傳幾個位元(Bit/Hz)，實現複雜度與峰值相對於平均之功率比率(Peak to Average Power Ratio, PAPR)也是很重要的考量因素。特別是峰值相對於平均之功率比率，原本在4G標準所使用正交頻分多重接收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，在搭配高階調變技術64QAM(Quadrature Amplitude Modulation)時，需要在發射功率上從功率放大器的1dB功率(P1dB)點後退約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 原本功率放大器在1dB功率(P1dB)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%，這意味著有97%∼98%的直流功率只有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(Path Loss)與傳輸耗損(Propagation Loss)，必須使用相位陣列天線(Phased Array Antenna)，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(Path Loss)與傳輸耗損(Propagation Loss)，個數甚至可能高達256個！
以工研院目前在38GHz的5G毫米波驗證平台的設計為例，基站端射頻(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700瓦(Watt)的熱(如圖10所示)，因而導致高達將近200℃的高溫！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。
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| 圖10 於工研院38GHz 5G毫米波軟硬體平台的散熱問題 |
另外，除了傳統從時域作切分的時分多重進接技術(Time Division Multiple Access, TDMA)、從頻域作切分的頻分多重進接技術(Frequency Division Multiple Access, FDMA)與同時從時域和頻域作切分的正交頻分多重進接技術，目前全世界各通訊大廠也提出許多不同的多重進接技術，例如，與正交頻分多功技術需要各次載波(Sub-Carrier)維持正交(Orthogonal)不同的非正交多重存取技術，像日本NTT DoCoMo提出的非正交多重存取技術(Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA)、美國高通(Qualcomm)提出的資源擴展型多重進接(Resource Spread Multiple Access, RSMA)技術、大陸華為提出的稀疏分碼多重進接(Sparse code multiple access, SCMA)技術，大陸中興(ZTE)提出的多用戶分享進接(Multi-user Shared Access, MUSA)技術等，仍持續就頻譜效率(Spectrum Efficiency)、實現複雜度(Complexity)與峰值相對於平均之功率比率等重要因素作討論與比較。
工研院自2014年開始投入5G高頻段接收技術的開發，第一個計劃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1Gbit/s之5G軟硬體驗證平台。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11。
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| 圖11 2014年IEEE Globecom發布工研院11GHz 5G軟硬體驗證平台 |
工研院毫米波高頻無線接收技術發展
2015年配合經濟部技術處科發計畫，開始38GHz毫米波頻段「高頻接收技術」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1000萬元的技術授權，同時投入人力與工研院團隊共同制訂設計規格、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、混合型波束形成架構之射頻前端、波束追蹤演算法設計、峰值傳輸速率可達1Gbit/s、支援大於時速10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12所示。工研院與該台灣手機晶片大廠並共同於2016年2月赴西班牙巴塞隆納參加MWC-2016的國際展示，如圖13所示。
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| 圖12 工研院38GHz毫米波5G軟硬體驗證平台 |
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| 圖13 2016年MWC展出工研院38GHz毫米波5G軟硬體驗證平台 |
隨著各種行動影音多媒體應用在手機平台越來越普及，手機用戶對於頻寬與傳輸速率的需求也越來越大。為滿足METIS所勾勒2020年的使用情境，達到最高峰值傳輸速率是目前傳輸速率的10到100倍；行動數據容量是2010年的1000倍的需求，目前3GPP與全世界許多通訊大廠除了已達成使用毫米波頻段作為第五代行動通訊的操作頻段的共識，也正針對下世代5G新波形、新調變技術、新編解碼技術、新多工進接技術等重要技術積極提案與討論。
雖然毫米波頻段能提供相當大的可用頻寬，但也包含許多毫米波在戶外通訊高路徑損失與高傳輸耗損的問題。毫米波在戶外通訊需要藉由設計大量或巨量的天線陣列形成波束來解決高耗損的問題，卻也額外造成毫米波在戶外通訊窄波束、高指向性傳輸特性所引致支援行動通訊指向性追蹤問題、阻擋的挑戰與多用戶終端支援的困難與挑戰。
(本文作者任職於工研院資通所)