【浅析】一场5G毫米波引爆的频带战争

无线设备数量与其消耗的数据量每年都以等比级数增加——年复合成长率（CAGR）达53%。当这些无线设备创造并消耗资料时，连接这些设备的无线通信基础设施也必须随之演进，才能满足成长的需求。3GPP定义三种高阶5G使用案例（图1）的目标是随时随地提供可用的移动宽带数据，然而，仅仅提升4G架构网络的频谱效率，并不足以提供所需数据速率的步阶函数。

有鉴于此，研究人员正致力于研究更高的频率，希望得到可行的解决方案。早期在信道探测（channel sounding）作业的结果相当良好，因此世界各地的无线标准组织皆重新调整研究重点，以便了解新一代5G无线系统如何整合，以及从运用这些新的频率与较高的带宽中受益。

图1：3GPP与IMT 2020所定义的三种高阶5G使用案例*

定义5G的关键绩效指标

设计这些使用案例时，都是希望未来的无线标准得以针对新应用补足既有无线标准无法满足的缺口，而各个案例都需要一组不同的全新关键绩效指标（KPI）。IMT 2020使用案例所定义的增强型移动宽带（eMBB）预计能达到10Gb/s的峰值数据速率，比4G快了100倍。根据Shannon-Hartley定律，容量是带宽（频谱）与信道噪声的函数，因此数据速率确实与可用的频谱有关。由于6GHz以下的频谱已经分配完毕，所以6GHz以上（尤其是毫米波范围内）的频谱，可说是因应eMBB使用案例的理想替代方案。

毫米波：三种频率的故事

为了服务客户，全球各地的电信业者已在频谱上投资了数十亿美元。设定频谱拍卖底价更突显了频谱这种宝贵资源的市场价值与供不应求的特性。开启新的频谱让电信业者不仅能服务更多使用者，还能提供更高效能的移动宽带数据传输体验。与6GHz以下的频谱相比，毫米波的频谱不仅非常充裕，而且只要稍经授权就能使用，因此世界各地的业者都能运用毫米波。此外，现代芯片制造技术已经大幅降低了毫米波设备的成本，所以在价格方面，这些设备已可用于消费性电子产品。而采用毫米波所面临的挑战，主要在于这些频谱并未经过完整研究，仍有尚未解决的技术问题。

电信业者已开始研究毫米波技术，以便评估最适合移动应用的频率范围。国际电信联盟（ITU）与3GPP已共同规划进行5G标准的两阶段研究。第一阶段研究将着重于40GHz以下的频率，以因应较急迫的商业需求部份，完成时间订为2018年9月。第二阶段则预计从2018年开始，于2019年12月完成，目标是达成IMT 2020所列的KPI，并着重于高达100GHz的频率。

为了统一全球的毫米波频率标准，ITU在近期的世界无线电通信大会（WRC）结束后，公布了24GHz到86GHz之间的全球可用频率的建议列表：

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提出建议不久后，美国联邦通信委员会（FCC）便于2015年10月21日发布了拟议规范公告（NPRM），针对28GHz、37GHz、39GHz与64~71GHz频带提出全新且灵活的服务规则。

图2：FCC针对移动用途拟议的频带

当ITU、3GPP与其他标准组织决定以2020年做为定义5G标准的期限时，手机电信业者正加紧脚步推出5G服务。美国的Verizon与AT&T致力于在2017年推出5G的初始版本。韩国规划在2018年奥运推出5G试行版，日本则预计在2020年的东京奥运展示5G技术。有了这些不同单位订定各自的目标，适用于5G的频率选项也逐渐浮上台面：28GHz、39GHz与73GHz。

这三种频带之所以能脱颖而出，有许多原因。首先，这三种频率不像60GHz必须承受约20dB/km的氧气吸收损耗，其氧气吸收率远低于此数值（如图3所示），因此较适合长距离通信。这些频率也能在多路径环境中顺利运作，并且能用于非可视距离（NLoS）通信。透过高定向天线搭配波束成形与波束追踪功能，毫米波便能提供稳定且高度安全的连结。

纽约大学理工学院（NYU Polytechnic School of Engineering）的Ted Rappaport博士与他的学生已开始着手研究28GHz、38GHz与73GHz的通道特性与潜在效能。他们藉由传播测量与研究，探讨这些频率潜在的服务中断情形，并且已发表多篇相关论文。透过这些频率的现有数据与研究，再结合全球可用的频谱，便能从这三种频率开始执行毫米波的原型制作。

图3：毫米波频率范围的大气吸收率（以dB/km为单位）*

28GHz

如上所述，电信业者急切地想要取得未分配的大量毫米波频谱；他们将扮演影响毫米波频谱使用哪些频率的关键角色。三星（Samsung）在2015年2月自行执行信道测量，并发现28GHz频率可用于手机通信。这些测量结果验证了都市环境中预期会发生的路径损耗