未來手機藍圖浮現 OFDM與MIMO為關鍵技術

何謂下一世代的4G未來手機？這個問題很難回答，也很複雜。但是可以嘗試從五個問題來解讀這道難題。  

第一個問題，是關於高速移動體通訊的應用範疇的思維。未來，不僅可以捨棄現有的語音通話或電視手機的交換迴路，更可以透過網際網路或區域網路(LAN)的接續一樣，使用封包(Packet)的通訊方式。這意味著在未來多個使用者可以共用同一個頻帶。而下一世代行動通訊的開發目標，是在移動環境下達到最高100Mbps的通訊速度，在屋內環境則能高達1Gbps。但是一般的音樂或影像串列流資料(Streaming)根本不需要如此大的頻寬。因此高速傳輸的用途應該會以大型檔案的送收為主。  

第二個問題是，傳輸速率1Gbps的涵義又是如何？誠如上述，多位用戶共用一個頻帶，當某位使用者進行某項應用時，並非單獨持續使用，而是在多位使用者之間進行時間分割，每個人的瞬間都可達到1Gbps高速，但是必須輪流切換使用。使用者可在極短時間內完成高速資料通訊，電信服務業者在同一個頻帶也可以容納多位用戶。  

第三個問題則牽涉到未來使用頻帶的分配。3G行動通訊已經開跑。4G通訊則在各國有各自的政治或經濟利益考量，預計於2007年在瑞士日內瓦舉辦的「WRC-07」國際會議中決定頻帶的分配問題。以現實層面來說，雖然沒有具體的論點出現，但可以試著從頻率利用效率的觀點來觀察。  

如果從CDMA2000 1xEV-DO或W-CDMA等延伸而出的HSDPA(High Speed Downlink Packet Access)來看，頻率利用效率是平均每1Hz大約0.7～0.8位元。先假設4G是維持同樣的利用效率，要實現100Mbps傳輸速度的最小頻寬，大約是125MHz～143MHz，若要飆到1Gbps，頻寬當然要再增加十倍。有些樂觀的無線通訊技術業者，則提出每秒4位元的論點。  

第四個問題，是4G與現行技術是否相容。這可能是經濟議題，而非技術議題，最後決定的關鍵，將是業者的商業判斷。相容性的方案與全新網路的方案何者較划算，業者將進行評估。根據以往經驗，即使無線存取方式不同，相容性還是可以克服。明顯的案例即是CDMA2000 1X與CDMA2000 1xEV-DO，兩者的存取方式分別是CDMA與TDMA。而HSDPA更混合了W-CDMA的CDM通道以及TDM通道。  

第五個問題，則是行動通訊與無線網路的差異點。以當前的局勢來看，有兩個方向，其一乃是傳統行動通訊的推移，另一個流派是美國IEEE802委員會的無線通訊。無線網路基本上是以一個基地台為前提，並不考慮到其他基地台產生的干擾。若是沒有干擾的問題存在，提升傳送功率，訊號/噪音比(S/N Ratio)也跟著提升。理論上，頻率的使用效率也跟著提升，但是，行動通訊可不是這麼一回事，由於同時存在多個蜂巢(Cell)，其他蜂巢的干擾難以避免。為了避免干擾的問題，近鄰的蜂巢大多使用不同的頻率，因此使用多個頻帶，頻率的使用效率當然惡化。  

未來手機藍圖隱然浮現  

回顧IEEE802.11的實體層(PHY)以及媒體存取控制層(MAC)，並未規定訊號交替或是訊號交遞(Handover/Handoff)的功能，若要實現這個功能，必須從上層協定下手。在2002年藉由「Mobile IP」技術，廠商推出在IP層達成訊號交遞的公眾無線網路服務。然而，行動通訊的訊號交遞是在下層的硬體層來實現，「Mobile IP」的蜂巢交替需要數秒的時間，故難以滿足通訊服務的要求。了解這些基本問題之後，就可以直接從無線方式、訊號處理、射頻(RF)電路等三個面向，來描繪未來手機可能的藍圖。  

第一個面向，是從無線方式來看，次世代行動通訊的目標已經相當明確。如前所述，頻率使用效率的提升，可以更有效活用空間，速率提升10倍以上，其次就是極力縮短延遲時間。然而通訊服務一路從1G、2G、3G走來，如今卻逐漸面臨兩道高牆，其一是眾所皆知的夏儂界限(Shannon Limit)，另一個是相鄰蜂巢之間電波干擾而抑制頻率使用效率的「干擾界限」。  

MIMO技術打破夏儂界限  

夏儂界限這個觀念，是在1948年由任職於美國貝爾實驗室(Bell Telephone Laboratory)的Claude E.Shannon在「通訊數學理論(A Mathematical Theory of Communication)」論文中提出的觀念，主要論及通訊通道具有的S/N比與頻寬，就決定了資料傳送容量的界限。從發表當時直到今日，所有的通訊傳送技術開發，都是以達成夏儂界限為基本指標。無論是改善傳送線路，降低雜訊提高訊號/噪音比的手段，或是使用提高頻寬的方式等，錯誤糾正碼在訊號處理上，已被證實能夠提升訊號/噪音比。  

回顧類比電話線路的ADSL運用、W-CDMA運用渦輪碼(Turbo Code)、IEEE802.3an所策劃的10G乙太網路採用了低密度奇偶校驗碼編碼(LDPC)，這些案例都是在夏儂界限的既有框架中發展的革新技術。到了1996年，使用空間多重傳送技術的MIMO(Multiple Input Multiple Output)出現江湖，使用複數個傳送通道，使得夏儂界限理論面臨重新定義。  

MIMO乃是運用複數個天線的措施，構成多數個傳輸途徑，實踐空間多重通訊的方式。至於基地台之間干擾的運用界限，根據日立工程師的解釋，若採用所謂的自適應型陣列天線(Adaptive Array Antenna)，就可以利用電波指向性的控制，獲得分集(Diversity)的效果。一旦結合上述兩種技術，每秒4個位元的頻率使用效率將很有機會實現。  

OFDM解決多重途徑干擾問題  

高速化的追求既然已是確定的前提，調變方式的開發就成為重要的環節。目前所見，OFDM是各方兵力集結之處。藉由使用多個次通道(Sub-channel)的概念，可望一口氣克服寬頻通訊面臨的多重途徑干擾(Multi-path)問題。2G行動通訊使用數百KHz，3G使用數MHz的程度，在4G可望更上一層樓。  

而根據NTT DoCoMo的說法則是MIMO與OFDM的搭配十分完美。OFDM在數位廣播或無線網路上已經驗證並累積豐富的實戰經驗。伴隨著行動通訊的寬頻化，也擴展其適用範圍。存取控制方式除OFCDM之外，IEEE802.16e所採用的實體層規格OFDMA也被看好。因為此種方式在寬頻帶中，可以瞬間選擇通訊狀態優良的次通道，更有效的活用頻率。  

短縮延遲時間可擴大應用領域  

另一項明確的開發目標，就是短縮延遲時間。就現代的行動電話網來說，單方向的延遲時間大約是在100～300毫秒之間。有趣之處在於汽車業者對此議題相當有興趣且充滿期待，這些業者思索，一旦延遲時間縮短之後，在汽車網路應用上能碰撞出何種商業火花。有人說，或許可以運用於防止汽車碰撞的控制網路系統上。因此，現在具體的開發目標鎖定在10毫秒或50毫秒。要實現這個夢想，網路基礎架構必須修正，如何以合理又經濟的費用來達成，是重要的一環，國際電信聯盟(ITU)就已針對次世代開發提出條件。  

畢竟4G依然處於研發階段，之後還有頻譜分配議題、4G系統規格制定，以及文件化等歷程。根據NTT的估算，邁入實用化的時程，應該在2009～2016年之間。有人曾說，「提高頻率使用效率後，LAN與WAN使用共通的技術，原本的區別就可能從此消失。」  

第二個面向，則是從訊號處理方式來描繪未來手機的樣貌。4G的夢幻願景，是要在低速移動的環境具有1Gbps的實力，當高速移動達到每小時100公里時，依然可以提供100Mbps的資料傳送速率，平均每1Hz要有4個位元的能力。  

若是依靠過去的軌跡，當處理性能向上提升之際，訊號處理演算量或電路規模將呈現爆炸性成長而陷入困境。為了克服這道難題，各種突破性方案正在繼續發展，目的當然是為了減輕龐大的演算量。因此，訊號處理技術絕對是次世代手機的要素。  

若以邏輯思考來推演，MIMO空間多重技術、OFDMA調變存取控制方式、多重途徑雜訊移除技術、錯誤修正碼(Turbo Code/LDPC碼等)、ARQ自動重送方式等要素技術來思考，將帶來電路規模擴大、電力利用效率降低、等待時間增長等眾多副作用。若沒有革命性的技術發展，夢想將難以成真。  

NTT的開發計畫試圖將MIMO的演算量抑制在1/1200，接近理想狀態。依據該公司說法，若不開發此技術，行動通訊端末手機的消耗電力，會是一場惡夢。富士通在多重途徑雜訊的推定演算上更具旺盛企圖心，希望維持在高精確度下，一口氣將演算量削減到兩萬分之一。而半導體界的看法更是樂觀，NEC認為，到了2010年之後，若是製程能夠順利轉移到45奈米的世代，4G的實現該不是大問題。  

當一個通道的頻帶加寬時，接收信號的S/N比自然往下掉。另一方面，為了提升頻率使用效率，將採用某種程度的多值調變。如此一來，接收端要求的S/N比，理所當然更為嚴苛。那麼，接收到的S/N比與所要求的S/N比之差，要綜合各種技術予以克服。因此，最新訊號處理技術的總動員是必然的。其中的MIMO或許站在最重要的位置，而不單是傳送速率的提升，也握有各種克服傳統訊號處理的技術。舉例而言，假設傳送速度提升到1Gbps時，MIMO的傳送電力難免會大幅提升，因此將基地台的天線增益加大，端末的傳送功率自然就可以減輕。  

四種MIMO實裝方法  

MIMO的實裝方法，代表性的訊號分離方式也有四種，其相關演算量與特徵是值得去深入摸索的秘密基地。其一，ZF(Zero-Forcing)解調方式。此種訊號分離的優點是空間多重通道之間的串音(Crosstalk)強制為零，計算量少，但是訊號小的S/N比不良，當空間多重數量為N，對於演算量的增加是N3倍。其二，MMSE(Minimum Mean Square Error)解調方式，其策略是將串音與雜訊的2乘方之總合降到最低。計算量比是ZF解調方式的1.3～1.6倍，演算量不多，且訊號分離的精確度也較高。當空間多重數量為N，對於演算量的增加是N3倍。  

其三，MLD(Maximum Likelyhood Detection) 解調方式，最能夠再現接收訊號(I,Q)，可以在圖像上檢索傳送訊號。優點是訊號分離的精確度非常高，缺點是當調變多值數量比較多時，演算量會劇烈膨脹。當空間多重數量N，對於演算量的增加是調變多值數量的N倍。  

其四，E-SDM(Eigenbeam-Spatial Division Multiplexing)解調方式。在傳送端選擇最適當的聚束形成(Beam Forming)，空間多重傳送通道之間不會發生串音。優點是訊號分離的精確度非常高，超越MLD。傳送器的演算量也很多。然而必須將傳送途徑S/N比、延遲資訊CSI(Channel State Information)從接收端傳遞給傳送端，當端末高速移動時，接收到CSI的時刻以及實際傳送的時間，會隨著傳送路徑的狀態而變化。因此該方式並不適用在手機高速移動的應用場合。  

此外，MIMO天線數量也是考量要素。就現實面而言，12×4毫米或15×3毫米是相當理想的選擇，PHS服務業者早有8×1毫米的實用化案例，然而PHS的天線元件較細，而手機基地台的天線一般是採用扇形天線(Sector Antenna)，天線也比PHS更粗，當數量增加時，遇到颱風的對策要列入設計考量。  

就手機的大小而言，建立了3～4支天線，無論是外觀或是外形尺寸，都會有所影響。又當天線之間的距離太短，電磁場相互結合，天線增益將失真並使增益降低，特別是當天線之間的距離低於四分之一波長時，以MIMO的特性而言，將更惡化。  

另一個將對4G產生衝擊效應的，是多重途徑(Multi-path)推定的問題。OFDM中有一個防護區間GI(Guard Interval)，就是用來吸收多重途徑符號間的干涉ISI(Inter-symbol Interference)。當多重途徑引起的延遲超過這個防護區間之後，便將影響OFDM的性能表現。對4G而言，S/N大幅降低的可能性非常高。例如，一個通道的頻寬約100Mhz，是現行無線網路的5倍、W-CDMA的20倍左右。同時，基地台的傳送功率，也可能受制於電波法或是放大器的界限，無法大幅提高。加上數十米的半徑，比起無線網路或是手機蜂巢半徑，將是數倍到數十倍之多。如果再以屋外使用為前提考量，多重途徑的影響無法忽視。有些公司在開始檢討MMSE的多重途徑推定法，其演算量則非常高。  

第二個面向，則是從RF射頻電路的觀點來描繪未來手機。次世代行動通訊的前提是採用OFDM與MIMO。三菱電機情報技術總合研究所就毫不諱言地指出，如果OFDM運用於移動體通訊中，對於RF電路的設計修正要有所覺悟。  

畢竟在上述前提之下，從天線的採用、功率放大器、RF射頻濾波器到類比/數位轉換器等，無論是基地台或手機端末的RF電路構成元件，都將面臨更嚴苛的要求。特別是功率放大器，是業者擔憂的關鍵，畢竟使用多載波的OFDM信號，其峰值功率與平均功率之比PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)非常大，意即對應的功率放大器必須具有高度的線性特徵。因此「飽和功率」與「輸出功率」之差的補償(Back Off)必須充裕，確保動作順暢，相反地，卻也會導致功率附加效率的大幅降低。  

以當前使用OFDM的無線網路來看，功率放大器的電力效率還不滿15%。而MIMO使用多數個傳送接收電路，電力的消耗以及實裝的面積也會增大(表1)，伴隨這個問題而來的因應對策，也遲早必須產生。  

雖然OFDM在802.11a/g等無線網路累積了實戰經驗，但是轉移到行動通訊就困難重重。首先，手機末端的輸出功率有數倍多，基地台要求的功率有機會躍上數十瓦之多，功率放大器高效率的要求是必要的。今後不單單是元件的開發，特性的提升、電路技術與訊號處理技術的相輔相成，是可預見的。  

以下則舉例解釋功率放大器特性的提升，以失真補償技術為例，當訊號放大時，用最少的補償來抑制失真量，電力的附加效率就向上提升，現在的PDC方式或W-CDMA方式，就是採用此法。  

元件構造與材料改良雙管齊下  

美國飛思卡爾半導體(Freescale Semiconductor)則從元件構造方面來提升效率，例如推出基地台功率放大器專用的LDMOS電晶體，到了2005年第六代元件已提升28%。然而從元件構造來提升效率的努力，似乎已經逼近極限，必須搭配電路技術的組合，才能進一步改善特性。  

除了元件構造的思考之外，也有廠商從元件材料下手，明顯的案例就是使用氮化鎵(GaN)系的材料。若是運用於W-CDMA，電力附加效率約是35%，比起傳統砷化鎵(GaAs)的功率放大器，電力消耗則降低了25%。  

即使談到A-D轉換器，也必須在高速化與低消耗功率之間取得平衡，要求也更為嚴格。採用了OFDM，動態範圍變大，要求更高的解析度。當頻寬擴大之後，取樣頻率的高速化也是必然的，解析能力的目標值定在10個位元，取樣頻率約在每秒1億～200億個取樣，消耗電力低於100毫瓦。到了2010年，65奈米或45奈米半導體製程，也許可讓高速化與低消耗功率彼此牽制的目標可以同時達成。