5G毫米波新空口技术发展现状

本文作者

陈文江：工研院资通所新兴无线应用技术组副组长、M300部门经理，台湾经济部技术处5G科研计划"高频段接入技术"计划的主持人。

摘要：随着各种移动多媒体影音应用在手机平台越来越普及，手机用户对于频宽与传输速率的需求也越来越大。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；移动数据容量则必须是2010年的1000倍。要达到METIS所定义的最高峰值传输速率与1000倍移动数据容量的需求，目前3GPP与全世界许多通信大厂正针对下世代第五代移动通信（5G）新波形、新调变技术、新编译码技术、新多工进接技术等重要无线接取技术积极提案与讨论。

预计在2017年底前完成各项新型无线接入技术标准的提案讨论，并预计在2018年年中完成phase-1涵盖至30或40 GHz毫米波频段；2019年年底完成phase-2涵盖至100 GHz毫米波频段之第五代移动通信标准的制定。

一、前言

随着各种移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，包括政府与通信大厂，都已针对下世代第五代移动通信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已针对第五代移动通信（5G）的标准进行"研究项目"阶段紧锣密鼓的讨论，预计在2017年底前可望完成"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；移动数据容量则必须是2010年的1000倍（如图1所示）。要达到METIS所定义的最高峰值传输速率与1000倍移动数据容量的需求，有如图2所示的几种主要技术：增加频宽、更先进的调变/编译码技术、更先进的多工进接技术或是使用巨量天线以实现多重输入与多重输出MIMO的技术，来提升频谱效率。

图1、METIS 5G Technical Objectives

图2、Spectral Efficiency Enhancement

其中，3GPP与全世界各主要通信大厂已针对使用毫米波频段来增加可用频宽，直接提升传输速率与数据容量达成共识，世界各主要通信大厂并且已经完成了几个主要毫米波通信频段的初步量测，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。ITU-R在2015年10月的WRC-15会议中并已公布了第五代移动通信（5G）毫米波的候选频段（如图3所示），涵盖从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4所示），以加速美国通信厂商在第五代移动通信（5G）毫米波通信系统的开发与布建。

图3、ITU-R IMT Candidate Spectrum and U.S.A. FCC 5G mm-Wave Spectrum

图4、3GPP 5G Standardization Time Line

第三章则针对各个新编码候选技术进行详细的解说；第四章则是针对各个新多重接取候选技术进行详细的解说；第五章则是就毫米波在新无线接入技术标准的制定现况进行总结。

二、3GPP的5G毫米波新波形标准的制定现状

毫米波频段指的是波长小于1毫米的频段，也就是大于30 GHz以上的频段。目前许多大厂所力推的28 GHz，严格来说并不属于毫米波频段，不过由28 GHz很接近30 GHz，许多通信方面的特性很接近，因此也广义地被认知为毫米波频段。

第四代移动通信（4G）标准即已采用正交频分多工技术OFDM相关波形与QPSK/16-QAM/64-QAM等调变技术。多重接取技术方面，则是在下行部分采用正交频分多重接取技术OFDMA；在上行部分则是采用单载波频分多重接取技术SC-FDMA。正交频分多工技术OFDM相关波形最大的缺点是频外OOB频谱响应不够低，因此操作频带与频带之间必须留有间隔来降低频带间的干扰，也因此降低了频谱使用效率（如图5所示）。

图5、Frequency spectrum of an OFDM signal

此一状况在发射功率倒回不够多时，会遭遇功率放大器PA因为非线性特性所引致频谱再生效应，使得这部分对频谱效率的影响更是雪上加霜。

因为正交频分多工技术OFDM相关波形，在同时考虑频谱效率与实现复杂度这两方面的性能表现到目前为止仍是最佳的选择，因此3GPP与世界各通信大厂针对新的波形与新的调变技术目前已达成的共识仍是以正交频分多工技术OFDM为基本波形，再针对前文所提到的频外OOB频谱响应不够低的问题做变形与改善。

如图6所列即是目前有关第五代移动通信（5G）新波形的相关提案，从图六搭配上方的方块即可很容易看出都仍是以快速傅立叶转换/反向快速傅立叶变换（