【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(channelsounding)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。

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)。IMT2020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IMT2020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讯大会(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,美国联邦通讯委员会(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。

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讯。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)通讯。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TedRappaport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。他们藉由传播量测与研究,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。

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月自行执行通道量测,并发现28GHz频率可用于手机通讯。这些量测结果验证了都市环境中预期会发生的路径损耗——NLoS链接中的路径损耗指数为3.53,三星进而宣称此数据指出毫米波通信链接可支持200公尺以上的距离。该研究还包含相位数组天线的运用。三星并开始执行特性化设计,让手机能够容纳精密的相位数组天线。在日本,NTT Docomo与诺基亚(Nokia)、三星、爱立信(Ericsson)、华为(Huawei)与富士通(Fujitsu)共同合作,针对28GHz(以及其他频率)顺利完成了现场测试。

2015年9月,Verizon宣布与三星等重要合作伙伴将于2016年在美国进行现场测试,比5G标准的拟议期限2020年还早了4年,使得Verizon成为5G市场的先进者。2015年11月,高通(Qualcomm)透过128支天线针对28GHz进行试验,在人口密集的都市环境中展现毫米波技术的效能,以及定向波束成形如何用于NLoS通讯。而在FCC宣布28GHz频谱可用于移动通讯后,进一步的实验与现场测试势必持续进行。Verizon也公布租用XOCommunications的28GHz频谱协议,其中包含于2018年底买下频谱的购买选择权。

然而,请注意28GHz频带并不在ITU的全球可用频率列表上,因此仍无法确定此频带是否能成为5G毫米波应用的长期频率。但基于此频谱在美国、韩国与日本的可用性,以及美国电信业者早期现场测试的投入,28GHz无论是否成为国际标准,都可能直接成为美国的移动技术应用。韩国于2018年奥运展示5G技术的目标,也可能在标准组织确定5G标准之前,率先推动28GHz技术用于消费型产品上。另一方面,由于此频率不在国际移动通讯(IMT)频谱列表上,也已引起FCC委员的注意。

美国FCC委员JessicaRosenworcel于2016年2月在华盛顿的一场演讲中提到:“当我们把眼光放远,就会发现有些地方是美国必须独自前往的。其中包含了28GHz频带……只不过,去年在日内瓦举办的世界无线电会议(WRC)上并没有把这个频带纳入讨论,也未将它列在5G频谱研究列表中。然而,由于这个频带可分配至全球的移动应用,所以我认为美国应该继续探索这个新频谱。南韩与日本都已经着手测试这个频带,我们现在也不能停下脚步。我们必须独自向前,并在年底前完成适用于28GHz频带的架构。”

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