5G毫米波无线接入系统标准、挑战、现状

一、前言

随着各种行动多媒体影音应用在手机平台的普及，手机用户对于频宽的需求也越来越大。目前全世界许多国家，包括政府与通讯大厂，都已针对下一代第五代行动通讯（5G）的相关技术与标准积极投入。原本预计在2018年年中完成phase-1标准制定，2019年年底前完成phase-2标准的制定，并在2020年商用推广的时程也有往前提早的趋势。目前3GPP已针对5G标准进行研究项目阶段的讨论紧锣密鼓的讨论，预计在2017年底可望完成"工作项目"的阶段，产出phase-0的标准。

为满足METIS所勾勒2020年的使用情境，就最高峰值传输速率而言，必须是目前传输速率的10到100倍；行动数据容量则必须是2010年的1000倍(如图1所示)。

图1、METIS 5G Technical Objectives

要达到METIS所定义的最高峰值传输速率与1000倍行动数据容量有如图2所示的几种主要技术：增加可用频宽、增加频谱效率、更高网络密度等技术，其中以增加可用频宽是提升传输速率与数据容量最直接也是最容易的方式。但由于在目前主要使用在无线通讯的。小于6 GHz(sub-6 GHz)频段已经有许多标准与应用，如第二代行动通讯(2G)、第三代行动通讯(3G)、第四代行动通讯(4G)、蓝牙、无线区域网络等，要再找到能够支持更大容量、更高传输速率的频宽越来越不容易。因此，目前全世界大厂对于5G使用毫米波频段已经形成共识，除了现有第四代行动通讯技术的持续演进之外；也定义了另一条使用毫米波频段革命性技术发展的道路(如图3 所示)。

图2、Approaches of increasing Traffic Capacity

图3、3GPP 5G Standardization Time Line

二、3GPP的5G毫米波通讯标准制定现状

在3GPP与世界各通讯大厂目前所规划有关5G毫米波相关标准制定的时程，是预计在2018年年中完成phase-1标准制定，频率除了小于6 GHz (sub-6 GHz)的频段之外，也将涵盖至30或40 GHz的毫米波频段；2019年年底前则将完成涵盖至100 GHz频段之phase-2 5G标准的制定(如图3所示)。

虽然毫米波频段能提供相当大的可用频谱以满足METIS所勾勒2020年最高峰值传输速率与1000倍行动数据容量所需的频宽要求，但也包含许多毫米波在户外通讯所面临新的高频无线接取技术的挑战，像高路径传输损失、穿墙性、在雨中的衰减、甚至因为水气与氧气吸收所致的传输耗损等问题，因此一直以来有不少人怀疑毫米波是否适合做为5G的通讯频段。

目前，3GPP与世界各主要通讯大厂已经完成了几个主要毫米波通讯频段的初步量测，并在2016年年初公布了有关毫米波通道模型的技术报告TR38.900，除了希望能够厘清与证明毫米波频段作为5G操作频段在户外通讯的可行性，并且作为全球在开发5G毫米波通讯系统的共同依据。ITU-R在2015年10月的WRC-15会议中即已公布了5G毫米波的候选频段(如图4所示)，涵盖了从24.25 GHz到86 GHz的八个频段。美国FCC更抢先在2016年7月公布了27.5~28.35 GHz、37~38.6 GHz、38.6 GHz~ 40 GHz、64~71 GHz等四个将近11GHz频宽的毫米波频段(如图5所示)，以加速美国通讯厂商在5G毫米波通讯系统的开发与部署。

图4、ITU-R IMT Spectrum

图5、U.S. F.C.C. 5G mm-wave Spectrum

三、毫米波通讯高频接取的主要挑战

毫米波在户外通讯有几个主要高频无线接取的挑战，如图6所示，以下就这几个主要的毫米波高频无线接取的挑战一一详细说明。

图6、Key Challenges of Millimeter Wave Radio Access

1、波束形成技术

要解决毫米波在户外通讯的这几个高频无线接取问题，其解决方案为设计大量或巨量的天线阵列，透过天线阵列的适当设计使每个天线辐射场型产生正向耦合，来大幅提升天线增益。此时正向耦合后的阵列天线辐射场型会成为细的辐射波束，同时具有更大的天线增益，此即所谓波束形成技术，如图7所示。

图7、大量或多量天线阵列波束形成技术

天线阵列所形成的波束，其波束的半功率波束宽度随着天线阵列中天线元件的个数越多而越窄，其阵列天线的增益也越大。天线阵列中天线元件的个数每增加一倍，其阵列天线的增益增加3dB。

透过大量或巨量的天线阵列的设计提供很大的阵列天线增益，来补偿高频通讯的各项传输损失，便可以同样达成传输涵盖区域100~200米小型基站(Small Cell)的涵盖目标。

2、波束追踪技术

但因为天线阵列所形成的波束，其波束的半功率波束宽度随着天线阵列中天线元件的个数越多而越窄，使得原本在4G或之前在sub-6GHz低频段全方向传输的方式变成了指向性传输，在行动通讯终端用户会移动的典型情境之下，便又衍生出对准的问题；也就是如何使大量或巨量的天线阵列所形成的波束能够随终端用户的移动而移动，以提供