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解決毫米波挑戰 波束成形提升高頻覆蓋率
解決高頻信號難題

【作者: 王岫晨】   2022年06月22日 星期三

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第三代合作夥伴計畫(3GPP)將在2022年邁入5G Release 16並正式運營,包括美國、中國、韓國、日本等國,都相繼推出5G的相關服務。隨著5G演進發展至5G-Advanced,行動通訊的應用不再只侷限於手機通訊上,還將伴隨著許多新型的技術應用,如網路切片(Network Slicing)、非公共網路(Non-public Networks;NPN)、工業物聯網(IIoT)、蜂巢式車聯網(C-V2X)與NR Sidelink等。這些新的技術預計將帶動萬物智聯的可能性,並往前邁進一大步。


高頻信號挑戰


圖一 : 波束成形天線陣列對於5G的實現將扮演重要角色,因為手機可以在毫米波頻率下容納更多的天線元件。
圖一 : 波束成形天線陣列對於5G的實現將扮演重要角色,因為手機可以在毫米波頻率下容納更多的天線元件。

全球5G發展正在加速,而台灣在這波行動科技的浪潮中處於領先位置。台灣愛立信總經理藍尚立表示,自2021年推出5G商用網路以來,官方數據指出台灣整體的5G用戶已經超過270萬,滲透率也超過11%。台灣的5G普及率,相較於其他更早推出5G的國家進展更快,這顯示台灣的5G發展速度居於全球前段。這或許可以歸功於電信營運商與政府部門對於高品質5G網路的重視,而透過各種第三方的行動網路表現調查,也發現台灣的5G網路品質,從速度到使用者體驗,在區域評比中皆有不錯的表現。


根據愛立信行動趨勢報告指出,過去約70~80%的行動數據流量是在室內產生的,這包含在建築內的系統所通過流量。現在,透過技術手段,可以更加準確地估計室內流量占室外基地台流量的比重。


在市區,大部分行動流量產生於室內。由於訊號穿過牆壁和窗戶時會減弱,對室外基地台提供通訊服務困難很大。特別是5G通訊更具挑戰性,因為5G使用的是超高頻段。無線訊號在發送者和接收者之間的空間中傳播,其功率強度會減弱,這叫做路徑損耗。造成路徑損耗的因素很多,包括自由空間損耗、穿透損耗、反射、折射和各種其他形式的訊號衰減。


表一 在都市區域,三種不同環境中的室內無線流量

基地台類型

密集市區

市區

郊區

大型基地台

37%

65%

42%

室外小型基地台

40%

46%

-

整合

38%

64%

42%


愛立信認為,5G系統可以在各種載波頻率上運行,從低頻段1GHz以下的波段,到毫米波頻譜中的39GHz波段。較低頻率具有良好的覆蓋特性,而高頻段因為可分配的頻寬更大,傳遞的資訊容量更大。但是訊號衰減也會增加。頻率對路徑損耗的影響,可以透過測量視距內兩個相隔500公尺天線之間的訊號強度來查知。在極端情況下,與800MHz上的訊號相比,39GHz訊號的自由空間損耗量約為34dB(約99.96%)。


高頻段的另一個挑戰,是訊號穿透建築物的衰減。就訊號傳播而言,建築物可大致分為兩種類型。一類是有著類金屬層玻璃窗、鋁箔襯背牆壁板材、隔熱空心牆和厚鋼筋混凝土的現代節能建築;另一種是沒有這種材料的傳統建築。


800MHz訊號穿透節能建築,其損耗約是穿透傳統材料建築的50倍。39GHz訊號穿透節能建築的損耗,約是穿透傳統材料建築的240倍。為了補償與毫米波頻率相關的損耗,營運商可以使用一系列的解決方案,包括先進的天線系統、波束成形和室內系統。考慮到建築物穿透損耗很高,如果室內流量需求較大,那麼採用建築物內通訊解決方案就會更經濟。另一方面,為了更好地服務室外流量,營運商可能需要密集的大型基地台。也因此,對室內通訊量比重的精準預估,可以為網路投資決策提供更堅實的基礎。


覆蓋率的實現

5G到2020年底已經覆蓋了10億多人,到2020年底,全球5G人口覆蓋率約為15%,相當於超過10億人。5G網路的擴展持續加速,到目前為止,全球已有160多個5G商用網路問世。5G覆蓋率的擴展,可分為以下三大類頻段的建置:


●6GHz以下新頻段


●毫米波頻段


●現有的LTE頻段


從營運商已經採用的5G建置方式來看,各國之間存有很大的差異。在美國,上述三種類型都有採用,因此5G覆蓋了極大部分人口。在歐洲,包括德國和西班牙等國家,採用在現有頻段進行部署的方式,來獲得更高的覆蓋率。許多市場都提供了低於6GHz的頻段(通常稱為中頻段)的新頻段,實現了網路覆蓋、容量和速度的良好平衡。以中國為例,營運商就在中頻段部署了大量基地台。


營運商不斷尋求替代方案,透過使用新一代技術來增加覆蓋和容量。其中一種選擇是中止或關閉一項前世代網路技術(例如2G或3G),通常發生在適合使用4G或5G技術的中低頻段。另一個停止支援前世代網路的驅動因素,是可以降低網路複雜性和營運成本。然而,這需要考慮到幾個因素,例如終端裝置機組的能力和物聯網安裝基地等。


此外,還要考慮監管要求。中低頻段的覆蓋和容量增加,可以在不中止前世代網路的條件下實現(或逐步推進前世代網路中止),例如透過頻譜的共用。此外,如果前世代技術被關閉,相應的頻段將用於較新的3GPP技術上,並且不會對網路覆蓋率產生負面影響。


波束成形對5G的重要性


圖二 : 波束成形相位陣列示意圖(source:analog.com)
圖二 : 波束成形相位陣列示意圖(source:analog.com)

5G需要提供更多的容量和靈活性,同時也需要降低系統的營運費用。有幾種新技術可以同時達成容量以及能源效率的要求,除了虛擬化與大規模MIMO之外,毫米波波束成形也是非常重要的解決方法。


羅德史瓦茲指出,目前的行動網路正面臨許多挑戰。對行動高分辨率多媒體應用的需求不斷增加,使這些網路更加接近實際的極限。5G網路主要在於透過增加頻寬來提供更高的數據速率,進而到減輕基礎設施負擔的目的。考慮到傳統上用於行動通信的可用頻率不足,使得毫米波段成為一種合適的選擇。這些頻率的大頻寬有助於提供滿足5G需求的數據速率。


然而,在這些毫米波段的應用環境,要比目前使用的頻率複雜得多。較高的傳播損耗,根據環境的不同而會出現很大差異,需要新的網路基礎設施和新的硬體概念。也因此,波束成形天線陣列對於5G的實現將扮演重要角色,因為手機可以在毫米波頻率下容納更多的天線元件。除了更高的指令增益之外,這些天線類型還提供了複雜的波束成形功能。這允許透過直接瞄準用戶組來提高訊號干擾比(SIR),以增加蜂巢式網路的容量。此外,窄小的發射波束同時還能降低無線電環境中的干擾量,因此得以在農村等偏遠地區的接收器端維持足夠的信號功率。


結語

波束成形一般是用簡單的CW信號以及複雜的調製波形來運作。目前波束成形技術已被廣泛接受,將在下一代網路中發揮重要作用。許多5G主題仍然是正在進行的研究課題,但業界普遍採用的方向,包括小波束成形陣列和大波束成形陣列,後者部分只能透過毫米波波段中的較短波長來實現。目前市場上相關的廠商也都將持續優化5G測試解決方案,以滿足5G無線通信的技術和其他相關技術。


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