深度研究：一場5G毫米波引爆的頻帶戰(zhàn)爭

　　無線設備數量與其消耗的數據量每年都以等比級數增加——年復合成長率(CAGR)達53%。當這些無線設備創(chuàng)造并消耗資料時，連接這些設備的無線通信基礎設施也必須隨之演進，才能滿足成長的需求。3GPP定義三種高階5G使用案例(圖1)的目標是隨時隨地提供可用的移動寬帶數據，然而，僅僅提升4G架構網絡的頻譜效率，并不足以提供所需數據速率的步階函數。

　　有鑒于此，研究人員正致力于研究更高的頻率，希望得到可行的解決方案。早期在信道探測(channel sounding)作業(yè)的結果相當良好，因此世界各地的無線標準組織皆重新調整研究重點，以便了解新一代5G無線系統(tǒng)如何整合，以及從運用這些新的頻率與較高的帶寬中受益。

　　圖1：3GPP與IMT 2020所定義的三種高階5G使用案例

　定義5G的關鍵績效指標

　　設計這些使用案例時，都是希望未來的無線標準得以針對新應用補足既有無線標準無法滿足的缺口，而各個案例都需要一組不同的全新關鍵績效指標(KPI)。IMT 2020使用案例所定義的增強型移動寬帶(eMBB)預計能達到10Gb/s的峰值數據速率，比4G快了100倍。根據Shannon-Hartley定律，容量是帶寬(頻譜)與信道噪聲的函數，因此數據速率確實與可用的頻譜有關。由于6GHz以下的頻譜已經分配完畢，所以6GHz以上(尤其是毫米波范圍內)的頻譜，可說是因應eMBB使用案例的理想替代方案。

　毫米波：三種頻率的故事

　　為了服務客戶，全球各地的電信業(yè)者已在頻譜上投資了數十億美元。設定頻譜拍賣底價更突顯了頻譜這種寶貴資源的市場價值與供不應求的特性。開啟新的頻譜讓電信業(yè)者不僅能服務更多使用者，還能提供更高效能的移動寬帶數據傳輸體驗。與6GHz以下的頻譜相比，毫米波的頻譜不僅非常充裕，而且只要稍經授權就能使用，因此世界各地的業(yè)者都能運用毫米波。此外，現代芯片制造技術已經大幅降低了毫米波設備的成本，所以在價格方面，這些設備已可用于消費性電子產品。而采用毫米波所面臨的挑戰(zhàn)，主要在于這些頻譜并未經過完整研究，仍有尚未解決的技術問題。

　　電信業(yè)者已開始研究毫米波技術，以便評估最適合移動應用的頻率范圍。國際電信聯(lián)盟(ITU)與3GPP已共同規(guī)劃進行5G標準的兩階段研究。第一階段研究將著重于40GHz以下的頻率，以因應較急迫的商業(yè)需求部份，完成時間訂為2018年9月。第二階段則預計從2018年開始，于2019年12月完成，目標是達成IMT 2020所列的KPI，并著重于高達100GHz的頻率。

　　為了統(tǒng)一全球的毫米波頻率標準，ITU在近期的世界無線電通信大會(WRC)結束后，公布了24GHz到86GHz之間的全球可用頻率的建議列表：

　　24.25–27.5GHz ，31.8–33.4GHz ，37–40.5GHz ，40.5–42.5GHz ，45.5–50.2GHz ，50.4–52.6GHz ，66–76GHz ，81–86GHz

　　ITU提出建議不久后，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)便于2015年10月21日發(fā)布了擬議規(guī)范公告(NPRM)，針對28GHz、37GHz、39GHz與64~71GHz頻帶提出全新且靈活的服務規(guī)則。

　　圖2：FCC針對移動用途擬議的頻帶

　　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(yè)者正加緊腳步推出5G服務。美國的Verizon與AT&T致力于在2017年推出5G的初始版本。韓國規(guī)劃在2018年奧運推出5G試行版，日本則預計在2020年的東京奧運展示5G技術。有了這些不同單位訂定各自的目標，適用于5G的頻率選項也逐漸浮上臺面：28GHz、39GHz與73GHz。

　　這三種頻帶之所以能脫穎而出，有許多原因。首先，這三種頻率不像60GHz必須承受約20dB/km的氧氣吸收損耗，其氧氣吸收率遠低于此數值(如圖3所示)，因此較適合長距離通信。這些頻率也能在多路徑環(huán)境中順利運作，并且能用于非可視距離(NLoS)通信。透過高定向天線搭配波束成形與波束追蹤功能，毫米波便能提供穩(wěn)定且高度安全的連結。

　　紐約大學理工學院(NYU Polytechnic School of Engineering)的Ted Rappaport博士與他的學生已開始著手研究28GHz、38GHz與73GHz的通道特性與潛在效能。他們藉由傳播測量與研究，探討這些頻率潛在的服務中斷情形，并且已發(fā)表多篇相關論文。透過這些頻率的現有數據與研究，再結合全球可用的頻譜，便能從這三種頻率開始執(zhí)行毫米波的原型制作。

　　圖3：毫米波頻率范圍的大氣吸收率(以dB/km為單位)

　　28GHz

　　如上所述，電信業(yè)者急切地想要取得未分配的大量毫米波頻譜;他們將扮演影響毫米波頻譜使用哪些頻率的關鍵角色。三星(Samsung)在2015年2月自行執(zhí)行信道測量，并發(fā)現28GHz頻率可用于手機通信。這些測量結果驗證了都市環(huán)境中預期會發(fā)生的路徑損耗——NLoS鏈接中的路徑損耗指數為3.53，三星進而宣稱此數據指出毫米波通信鏈接可支持200公尺以上的距離。該研究還包含相位數組天線的運用。三星并開始執(zhí)行特性化設計，讓手機能夠容納精密的相位數組天線。在日本，NTT Docomo與諾基亞(Nokia)、三星、愛立信(Ericsson)、華為(Huawei)與富士通(Fujitsu)共同合作，針對28GHz(以及其他頻率)順利完成了現場測試。

　　2015年9月，Verizon宣布與三星等重要合作伙伴將于2016年在美國進行現場測試，比5G標準的擬議期限2020年還早了4年，使得Verizon成為5G市場的先進者。2015年11月，高通(Qualcomm)透過128支天線針對28GHz進行試驗，在人口密集的都市環(huán)境中展現毫米波技術的效能，以及定向波束成形如何用于NLoS通信。而在FCC宣布28GHz頻譜可用于移動通信后，進一步的實驗與現場測試勢必持續(xù)進行。Verizon也公布租用XO Communications的28GHz頻譜協(xié)議，其中包含于2018年底買下頻譜的購買選擇權。

　　然而，請注意28GHz頻帶并不在ITU的全球可用頻率列表上，因此仍無法確定此頻帶是否能成為5G毫米波應用的長期頻率。但基于此頻譜在美國、韓國與日本的可用性，以及美國電信業(yè)者早期現場測試的投入，28GHz無論是否成為國際標準，都可能直接成為美國的移動技術應用。韓國于2018年奧運展示5G技術的目標，也可能在標準組織確定5G標準之前，率先推動28GHz技術用于消費型產品上。另一方面，由于此頻率不在國際移動通信(IMT)頻譜列表上，也已引起FCC委員的注意。

　　美國FCC委員Jessica Rosenworcel于2016年2月在華盛頓的一場演講中提到：“當我們把眼光放遠，就會發(fā)現有些地方是美國必須獨自前往的。其中包含了28GHz頻帶……只不過，去年在日內瓦舉辦的世界無線電會議(WRC)上并沒有把這個頻帶納入討論，也未將它列在5G頻譜研究列表中。然而，由于這個頻帶可分配至全球的移動應用，所以我認為美國應該繼續(xù)探索這個新頻譜。南韓與日本都已經著手測試這個頻帶，我們現在也不能停下腳步。我們必須獨自向前，并在年底前完成適用于28GHz頻帶的架構?！?/p>

　　委員Michael O’Rielly甚至在博客寫了一長篇文章，藉此向FCC表達他對2015年WRC會議結果的不滿：“這讓我開始思考WRC-15所發(fā)生的事、其帶來的實際效果，及其后續(xù)對ITU這個角色的影響。這些慣例很可能會破壞WRC未來的價值，并且讓ITU更可能淪為受制于政府與現有頻譜用戶控制的工具，從而阻礙了頻譜效率與技術進展?！?/p>

　　現在仍無法得知28GHz是否廣泛用于5G應用，但這一頻率在現階段絕對非常重要。

　　73GHz

　　在28GHz相關研究展開的同時，E波段(E-band)頻率在近幾年也引起了移動通信領域的注意。Nokia采用美國紐約大學(NYU)的73GHz通道測量結果，開始此頻率的研究。在2014年的NI Week，Nokia透過NI原型制作硬件，展示其首款73GHz空中傳輸(OTA)成果。這套系統(tǒng)隨著研究的進行不斷演進，并且持續(xù)透過公開示范來展示新的技術成就。

　　在2015年的世界移動通信大會(MWC)上，這套原型制作系統(tǒng)已能藉由透鏡天線與光束追蹤技術執(zhí)行超過2Gbps的數據傳輸。該系統(tǒng)的多輸入多輸出(MIMO)版本也在2015年的布魯克林5G高峰會議(Brooklyn 5G Summit)上展出，可以執(zhí)行高達10Gbps的數據傳輸，并在不到一年后的MWC 2016上，這套原型即展示了傳輸速率超過14Gbps的雙向空中傳輸鏈路。

　　Nokia并不是唯一在MWC 2016上展示73GHz成果的廠商。華為與德國電信(Deutsche Telekom)也共同展示了可作業(yè)于73GHz的原型。這一展示采用多用戶(MU)MIMO，展現了高頻譜效率以及針對個別使用者實現超過20Gbps傳輸率的潛力。

　　有些73GHz的研究已開始進行，未來三年預計將有更多相關研究。區(qū)分73GHz與28GHz、39GHz的其中一項特性是可用的連續(xù)帶寬。73GHz中有2GHz的連續(xù)帶寬可用于移動通信，這是擬議頻率頻譜中范圍最廣的。相較之下，28GHz僅提供850MHz的帶寬，而在美國，39GHz附近就有兩個頻帶提供1.6GHz與1.4GHz帶寬。此外，如Shannon定律所述，更高的帶寬便代表更高的數據傳輸量，因此，73GHz與其他上述頻率相較便具備了強大優(yōu)勢。

　　39GHz

　　雖然目前進行中的38GHz公開研究最少，但仍有機會成為5G標準的一部份。ITU已將其列為全球可用頻率之一，而且根據紐約大學的研究，現有信道數據能證明其為可用頻率。然而，該頻段較28GHz或73GHz有更多現有應用，因此是39GHz納入5G標準的一項挑戰(zhàn)。FCC已針對可能的移動應用擬議頻譜，以加速美國未來針對此頻帶的研究。

　　當Verizon著手2016年的28GHz初次現場測試時，即已擬定計劃要測試39GHz。而XO Communications除了擁有28GHz的授權外，也可提供大量的39GHz授權。39GHz由于擁有電信業(yè)者的大量投資，同時列于IMT選項中，無疑也將成為2020年5G標準的候選頻譜之一。

　　毫米波原型制作

　　由于毫米波信道的基本屬性與目前的手機模式不同，而且未知事項較多，因此研究人員必須開發(fā)新的技術、算法與通信協(xié)議，才能充份發(fā)揮毫米波在5G領域的潛力。建立毫米波原型非常重要，尤其是在早期階段。毫米波原型的建立可證實技術或概念的可行性，這是僅靠模擬而無法實現的。毫米波原型能夠在多種情境下，透過實時的空中傳輸方式執(zhí)行通信作業(yè)，藉此解開毫米波通道的秘密，并促進技術的應用與推廣。

　　要建立完整的毫米波通信原型時會面臨多個難題。假設有一個可處理多重GHz信號的基頻子系統(tǒng)。目前大多數的LTE建置通常都使用10MHz通道(最高20MHz)，而且運算負載隨著帶寬而呈直線增加。換句話說，運算能力必須提高100倍以上，才能滿足5G數據速率的需求。此外，為了執(zhí)行毫米波系統(tǒng)的物理層運算，原型制作的過程中必須用到FPGA。

　　針對毫米波應用打造具有原型制作功能的客制硬件是相當困難的任務。毫米波頻率由于具備大量的連續(xù)帶寬，因此非常適用于通信作業(yè)。要為5G應用需求找到具有1~2GHz帶寬的現成硬件傳輸器或接收器，需要很高的成本，在某些頻率甚至不可能找到符合此條件的儀器。就算真的有這種硬件，其配置與并處理原始數據的能力也有限，甚至可能完全無法處理。因此，設計客制的FPGA處理機板便成了具吸引力的方案。 設計FPGA機板硬件的時間或許不需要很久，但如果還要開發(fā)與其通信的軟件接口，就算是最有經驗的工程師也可能需要一年甚至更久的時間才能完成，而且這只是原型制作系統(tǒng)的一部份而已。

　　除了FPGA機板之外，毫米波原型制作系統(tǒng)需要運用最先進的數字模擬轉換器(DAC)與模擬數字轉換器(ADC)才能擷取1~2GHz之間的帶寬。目前市面上有些RFIC具備可以轉換于基頻與毫米波頻率間的芯片，但這些產品選擇有限，而且大多僅能用于60GHz頻帶。IF與RF階段可做為RFIC的替代方案，工程師一旦有了基頻與IF解決方案，供貨商便能針對毫米波無線頭端提供更多基頻RFIC以外的選擇，但仍然十分有限。開發(fā)毫米波無線頭端需要RF與微波設計的專業(yè)技術，這與開發(fā)FPGA板所需的技術是完全不同的，因此團隊必須具備多種專業(yè)才能開發(fā)所有的必要硬件。

　　FPGA是毫米波基頻原型制作系統(tǒng)的核心組件，而且要設計可處理多重GHz信道的多重FPGA系統(tǒng)，將導致系統(tǒng)更加復雜。為了解決電信業(yè)者與通信研究人員面臨的系統(tǒng)復雜度與軟件難題，NI提供一系列可配置的毫米波原型制作硬件，以及毫米波物理層原始碼，不僅能夠解釋毫米波系統(tǒng)基頻的基本特性，并且能簡化多個FPGA的數據遷移與處理作業(yè)，進而簡化整體作業(yè)。這些工具都有助于將新的原型轉為系統(tǒng)與產品，對于5G技術的開發(fā)至關重要。

　　結論

　　為了滿足數據傳輸量的需求，必須運用24GHz以上的大量連續(xù)帶寬，而且研究人員已透過原型制作展示毫米波技術可達到14Gbps以上的傳輸速率。如今最大的問題就是移動通信要使用哪一種毫米波頻帶。ITU或許能為移動應用的5G技術設定一個頻率。如果手機只需使用一組(而非多組)芯片，就能實現涵蓋全球的通信范圍，即可為手機制造商降低開發(fā)成本，并為消費者降低使用成本。然而，要重新分配現有頻率的成本很高。

　　由于時程緊迫，各地的電信業(yè)者選擇略過ITU的建議，直接選擇那些無法普及全球、但立即可用的頻譜。他們也利用原型制作的能力，透過現場測試制作雙向通信鏈接的原型(5G開發(fā)的關鍵部份)，進而讓研究人員能展示這項新技術，并以更快的速度標準化。

　　盡管仍有許多未知的問題，但可以確定的是：未來一定會部署毫米波技術，而且以極快的速度進行部署。新一代的無線通信技術即將登場，而全世界都在關注這項技術的實現方式。