工研院資通所 陳文江
為滿足國際電信聯盟無線電通信部門（ITU Radiocommunication Sector, ITU-R）所勾勒2020年之後5G行動通訊使用情境（IMT-2020），使用毫米波頻段以獲取大頻寬成為關鍵技術。工研院與聯發科合作，共同開發驗證在38GHz毫米波段之5G行動通訊毫米波軟硬體驗證平台，包含8×8 64天線單元基站端與8×4 32天線單元之用戶終端相位天線陣列，混合型波束形成架構之射頻前端與波束追蹤演算法。場測峰值傳輸速率可達1Gbps，可支援大於60Km/hr移動傳輸與200米涵蓋範圍，在國際舞台展示我國在5G毫米波通訊系統之軟硬體研發成果。
毫米波通訊高頻接取趨勢與主要挑戰
IMT-2020發表至2020年5G行動通訊必須達到1 Gbps以上峰值傳輸速率，且每平方公里區域內的行動數據容量必須達到1 Tbps。要達到此目標有幾種主要方法：增加可用頻寬、增加頻譜效率、更高網路密度等等。而增加可用頻寬是提升傳輸速率與數據容量最直接也是最容易的方式。但由於在目前無線通訊主要使用的頻段（6 GHz以下）已有許多現存應用，如2G、3G、4G、藍芽、WiFi等，已無法再找到足夠大的連續頻寬來支援更大容量、更高傳輸速率。因此5G行動通訊除了現有6 GHz以下頻段，定義了另一條使用毫米波（10 GHz以上）頻段之無線接取技術發展之路。
第三代合作夥伴計畫（3rd Generation Partnership Project, 3GPP)標準組織與世界主要通訊大廠現已完成主要毫米波通訊頻段的初步量測，並在2016年初公布有關毫米波通道模型的技術報告：TR38.900。除希望能證明毫米波頻段作為5G無線戶外行動通訊的可行性，並作為全球在開發5G毫米波行動通訊系統的共同依據。ITU-R在2015年10月的 世界無線電通訊大會（World Radiocommunication Conference 2015, WRC-15） 會議中亦已公布了5G行動通訊毫米波的候選頻段，共涵蓋24.25 GHz到86 GHz等八個頻段，預計於2019年WRC-19會議做最後決定。美國聯邦通訊委員會（FCC）則搶先在2016年7月公布27.5～28.35 GHz、37～38.6 GHz、38.6～40 GHz、64～71 GHz等四個將近11 GHz頻寬的毫米波頻段，以加速美國通訊廠商在毫米波5G行動通訊系統的開發與布建時程。
一、毫米波通道量測與通道特性研究
雖然很早以前軍方就已有毫米波陣列雷達的技術，但畢竟是屬於非常窄頻的應用，與進行5G行動通訊的寬頻應用差異甚大。60GHz的頻段雖已有應用，但主要應用為點對點傳輸，相較於5G行動通訊的高速移動應用簡單很多，技術挑戰性也低很多。因此若要使用毫米波頻段作為5G寬頻行動通訊用途，第一個要回答的問題便是其通道特性與通道模型，而這個問題唯有進行各種典型場景的毫米波通道量測結果來解答。工研院資通所對此議題已建置可支援到44GHz的毫米波頻段，且涵蓋200米距離之毫米波通道量測平台，規格與平台照片如圖1所示，此平台已可成功抓到毫米波頻段通道特性，並建立正確通道模型。
圖1 工研院建置之毫米波通道量測平台
二、毫米波相位天線陣列技術與挑戰
毫米波段雖有大頻寬優勢，但通訊過程能量耗損亦大。解決方案為設計大型天線陣列（Antenna Array），透過適當設計天線陣列中每個天線單元的輻射場型，使其產生正向耦合以大幅提升天線增益。經正向耦合後的天線陣列輻射場型會成為較細波束，使其具有很大的天線增益，此即所謂波束形成技術（Beam Forming），如圖2所示。一般而言，天線陣列所形成的波束寬度隨著天線單元的個數越多而越窄、越細，同時其天線增益也越大。天線陣列中天線單元的個數每增加一倍，其陣列天線的增益可增加3 dB。 透過大型天線陣列的設計提供大量增益，可補償戶外高頻通訊的各項傳輸損失，達成毫米波5G小型基站（Small Cell）涵蓋100~200米區域之目標。
波束追蹤技術（Beam Tracking）
因為天線陣列所形成的波束寬度隨著天線元件的個數越多而越窄，使得原本在4G或之前在6GHz以下低頻段全方向傳輸的方式變成指向性傳輸，在行動通訊用戶位置可能隨時移動的典型情境之下，將衍生出對準與追蹤的問題。如何使大型天線陣列所形成的波束能夠追蹤終端用戶位置移動的狀況，以維持良好通訊品質，可透過波束追蹤（Beam Tracking）演算法的設計達成。
阻擋問題（Blockage Issue）
如前文所述，毫米波在戶外通訊必須利用相位天線陣列形成窄波束，以高陣列增益來克服戶外通訊高路徑損失與傳輸耗損，但窄波束指向性傳輸最棘手的問題則是阻擋問題。特別在5G主要應用場景像購物中心、露天廣場等人潮擁擠的熱點（Hot Spot），阻擋問題很難避免。一旦信號被阻擋，將產生數十dB之大量信號功率損失，使傳輸品質大幅下降，嚴重甚至將斷訊。目前針對毫米波波束傳輸阻擋問題之解決方案有beam mobility、beam relay、4G/5G NR sub-6GHz back-off等。其主要精神為利用波束管理技術，以用戶位置為中心進行多波束掃描，當發現目前使用之遠端無線端點的傳輸波束被阻擋，便快速自動切換至其他未被阻擋的波束，繼續傳輸。若所有波束都無法維持傳輸，最後選擇就是切回廣域4G網路或5G 6 GHz以下網路，繼續維持傳輸。
多用戶終端支援（Multiple UE Support）
利用天線陣列窄波束指向性傳輸的另一個棘手問題，是多用戶支援的問題。對於5G小型基站（Small Cell）而言，原始布建概念就必須同時支援多個用戶。若同時能夠支援越多的用戶，系統建置成本就越低。工研院已針對人口密集、兩端都是高樓大廈的典型都會場景：街道峽谷（Street Canyon）進行分析與實地量測，發現窄波束指向性傳輸在大部分位置只有單一方向可以接收信號，少部分位置有兩個方向可以接收到信號。這是窄波束指向性傳輸與6 GHz以下低頻段全方向性傳輸最大的差異，因全方向性傳輸可以從許多方向接收信號。此問題可利用雙極性（Dual Polarization）天線設計來解決，同時支援多個用戶終端進行傳輸。
工研院毫米波無線接取技術的發展
工研院自2014年起投入5G毫米波接取技術的開發。因考慮零件的易取得性，選擇以11 GHz頻段為初期目標。以一年時間完成了從標準制定、系統規格設計、系統模擬平台之建置、系統性能浮點數與定點數模擬、系統架構設計。於軟硬體架構上設計介質進接控制層（Media Access Control Layer，MAC）軟體、基頻單元、射頻前端電路、2×8 16天線單元基站端天線陣列和2×2 4天線單元用戶終端天線陣列，完成台灣第一個以載波聚合技術頻寬達250MHz、峰值傳輸速率可達1 Gbps之5G軟硬體驗證平台，並於2014年12月赴美國德州參加美國電子電機工程師協會全球通訊大會（IEEE GlobeCom-2014）的國際展示。
2015年配合經濟部技術處科發計畫，開始38GHz毫米波頻段之全方位研究。此計畫獲台灣手機晶片大廠聯發科共同加入，簽署新台幣1000萬元的技術授權，同步投入人力與工研院團隊共同制訂設計規格、開發驗證。共同成功實現包括上行/下行、8×8 64天線單元之基站端相位天線陣列、8×4 32天線單元之用戶終端相位天線陣列、混合型波束形成（Hybrid Beam Forming）架構之射頻前端電路與波束追蹤演算法設計。實測之峰值傳輸速率可達1 Gbps、支援大於60Km/hr移動傳輸與200米涵蓋範圍之5G毫米波軟硬體驗證平台，如圖3所示。工研院與聯發科雙方共同於2016年2月赴西班牙巴塞隆納參加世界移動通訊大會（Mobile World Congress, MWC）國際展示。2016年工研院持續與聯發科合作進行毫米波室內與戶外各種實際場域測試，並結合工研院5G毫米波平台與聯發科4G手機，共同開發4G與5G毫米波雙聯結（Dual Connectivity）系統，2017年2月共同於西班牙巴塞隆納參加MWC-2017的國際展示。
總結而言，3GPP預計在2018年中完成涵蓋至52.6GHz毫米波頻段，2019年底完成涵蓋至100 GHz毫米波頻段之5G行動通訊標準制定。工研院與聯發科合作，成功實現在38GHz毫米波頻段之基站端／用戶端相位天線陣列、混合型波束形成架構與波束追蹤演算法設計等關鍵技術。此5G行動通訊毫米波軟硬體驗證平台實測峰值傳輸速率可達1Gbps，可支援大於60Km/hr移動傳輸，涵蓋範圍達200米，並共同參展MWC-2016、MWC-2017，在國際舞台展示了我國在5G行動通訊毫米波研發成果。
參考文獻
[1] https://www.metis2020.com/wp-content/uploads/presentations/ITU-R-2020-VisionWS.pdf
[2]“Samsung’s Vision of 5G Wireless,” IEEE Spectrum for the Technology Insider, Jul. 2013. （http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp. jsp?arnumber=06545095）
[3]T. Kim, J. Park, J. Seol, S. Jeong, J. Cho, and W. Roh, “Tens of Gbps support with mmWave beamforming systems for next generation communications,” IEEE Global Telecomm. Conf. （GLOBECOM’13）, Dec. 2013.
[4]Azar, Y., Wong, G. N., Wang, K., Mayzus, R., Schulz, J. K., Zhao, H., Gutierrez, F., Hwang, D., Rappaport, T. S., ”28 GHz Propagation Measurements for Outdoor Cellular Communications Using Steerable Beam Antennas in New York City,” Published in the 2013 IEEE International Conference on Communications （ICC）, June 9 ~13, 2013.
[5]Wonil Roh, et al., “Millimeter-Wave Beamforming as an Enabling Technology for 5G Cellular Communications: Theoretical Feasibility and Prototype Results,” IEEE Communications Magazine, Feb. 2014.
[6]Wonil Roh, “5G Mobile Communications for 2020 and Beyond – Vision and Key Enabling Technologies,” IEEE WCNC 2014 Keynote, Apr. 2014.
