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現況正在改變 5G NR開啟毫米波應用新契機
 

【作者: 王岫晨】   2020年08月25日 星期二

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毫米波有機會為行動通信帶來大量的大頻寬應用機會。


但其RF的複雜性使其要滿足行動設備的成本和功率變得極具挑戰。


然而,5G NR的毫米波正在改變這一現狀。


到目前為止,一般人們都已經瞭解了很多有關毫米波(mmWave)的資訊。毫米波是一種較高頻的頻段,有機會為行動通信帶來大量的大頻寬應用機會。5G NR的行動毫米波不僅將打開通往龐大網路容量的大門,更可能會快速推進我們熱愛的智慧手機數據計劃,而且其類似光纖的速度和超低延遲,還可以帶來創新的應用,例如強化的5G行動體驗,包括無限行動擴展現實(XR)等,就是很值得令人期待的創新。


事實上,毫米波波段的傳輸遭受更高的路徑損耗和易受阻塞的影響。此外,毫米波的RF複雜性使得其要能滿足行動設備的成本和功率限制變得極具挑戰性,這就是為什麼直到現在,用於行動通信的毫米波一直不可行。然而,5G NR的毫米波正在改變這一現狀。


5G通訊頻段與運行模式

為全面部署5G行動通訊,全球各國所採用的頻率逐漸明朗化,大致可分為兩種類型。


第一種是由3GPP定義的頻段,介於410MHz 至7125MHz,稱為sub-6 GHz或sub-7 GHz頻段。此頻段為LTE/LTE-Advanced(LTE-A)及WLAN技術所採用,另有新增的擴展頻段,關於RF特性等技術性問題相對較少;根據所選擇的頻率,其優勢是所用的射頻資源已經過3G(W-CDMA)與4G(LTE/LTE-A)的驗證,但缺點是多數頻率已經被占用,無法按序保障寬頻段。



圖一 :  5G NR NSA與SA示意圖
圖一 : 5G NR NSA與SA示意圖

第二種頻段約介於30GHz至100 GHz;3GPP將介於24250MHz至52600MHz的頻率定名為毫米波頻段(mmWave),由於這個頻段鮮少使用,得以確保其寬頻;其具備方便支援高速大容量的資料傳輸優勢,缺點則是空中傳輸(OTA)的訊號大幅衰減,且由於缺乏行動業者實際使用這個頻帶,因此仍有許多技術性問題尚待釐清。


除了這兩個頻段,另外也分為兩種作業模式:一種是非獨立(NSA)模式,使用結合New Radio(NR)技術的5G與LTE/LTE-A,以及第二種獨立(SA)模式,使用獨有的5G NR技術,透過基地台和行動終端機(UE)之間的控制功能來收發資料。


各國的頻段與運行模式

根據全球報告,各國5G通訊將使用不同的頻帶與作業模式。中國計劃使用SA模式和sub-6 GHz頻帶,這將是全球5G商業化部署的首例,並將實現5G通訊三大功能之一的超高可靠度與低延遲通訊(URLLC),據信其目的是透過5G連結擴增實境(AR)等產業。


其他國家則考慮採用多種頻段及作業模式來提供初期的5G服務,此外也正在擬定計畫,打算使用NSA模式與毫米波頻段。此將優先實作5G三大功能之一的增強型行動寬頻(eMBB);美國將採用固定寬頻電路,日本和南韓等人口密度高的區域則以提高資料傳輸速率為目標。


表一 全球主要區域初始的5G服務(source:anritsu.com)

頻段

Sub-6 GHz 頻段
600 (n71) / 700 (n28) MHz,
2.5 (n41) /3.5 (n78) /4.5 (n79) GHz等

毫米波頻段
28 (n257) / 39 (n260) GHz等

獨立(Standalone;SA)

中國、美國

 

非獨立(Non-Standalone;NSA)

日本、美國、南韓、歐盟

日本、南韓、歐盟


行動毫米波商用化

隨著5G的出現,正是反思行動毫米波技術可行與否的好時機,因為我們即將會見到第一批支援5G NR的商用毫米波智慧手機問世。

發展毫米波曾經被許多技術懷疑論者認為是不可能的挑戰,因為他們不相信毫米波對於行動使用者而言是可行的。然而,隨著5G的出現,或許現在正是一個反思行動毫米波技術可行與否的好時機,因為我們即將會到第一批支援5G NR的商用毫米波智慧手機問世。


隨著5G願景逐漸在商業上現實,基於3GPP Release 15規範的行動設備也在市場上更為常見。行動毫米波的生態系統動力很強,並且會繼續增強。毫米波部署的區域已經跨越北美、歐洲和亞洲,許多國家在2019年就已經舉行了首次的毫米波頻譜拍賣(例如韓國於2019年6月完成,意大利於9月完成,而美國則在持續進行中),其中所有頻段均位於26與28GHz頻段上。接下來,包括24、37、39和47GHz等頻段,我們都將會看到更多的毫米波頻譜出現。


5G NR毫米波拓展新的商機

行動電信運營商最初的重點是透過在現有的都市人口密集市場中,開始部署5G NR毫米波基地台來加速擴展網路佈建,我們可以發現毫米波的商機可能會超越傳統的4G網路市場。最令人感興趣的應用領域,是將毫米波帶入室內,以滿足包括會議中心、音樂廳和體育館等擁擠場所中,類光纖無線寬頻網路的爆炸性需求。


在過去的應用中,這些場所一直面臨網路頻寬有限的挑戰,因此它們可以提供的服務品質通常都會受到限制,例如低速或者不可靠的連接性。借助毫米波明顯更大的頻寬和較高的空間使用增益,行動電信運營商和服務提供商都可以迅速為大量用戶提供更大頻寬、更低延遲的連接體驗。


毫米波另一個令人振奮的機會,是為私人室內空間提供服務,包括辦公室、停車場、會議室等。想像一下,無論是智慧手機、平板電腦、筆記型電腦還是行動擴展實境(XR),這些工作中的設備幾乎都需要更大的容量和類似光纖的無線連接。對於這些室內部署的方案,只需將毫米波的小型基地台與現有LTE或Wi-Fi接入點並置,就可以輕鬆實現更大範圍覆蓋(即大於 90%區域範圍)和Gbps等級的無線連網品質。


毫米波小型基站

隨著用戶需求的持續增長,LTE將無法提供足夠的容量,而5G將成為通訊市場的主導者。在較低頻段上運行5G NR小型基地台的初始室外容量將由5G毫米波來加以支援,這是5G承諾的超過10Gbps超高速數據速率和超低延遲的必要條件。毫米波的頻段可以從1ms左右一直擴展到300GHz,然而28GHz和39GHz頻段可能是公認最初使用最多的頻段。


在這些高頻段的毫米波頻率下,無線電傳播要比低頻段弱得多。信號容易被建築物、樹葉甚至人體阻擋。這意味著需要對網路進行緻密化以保持覆蓋範圍和用戶體驗。站點間距離(ISD)通常小於100m,而室內高密度網路的ISD則低至10m。使用5G毫米波小型蜂窩基站可以快速地實現這種部署。


以Nokia為例,便推出了新的 AirScale毫米波無線電(ASMR),可以支援28GHz(n257)或39GHz(n260)頻段。它為最繁忙的增強型行動寬頻基地台提供了極大的容量,除了提供廣泛的部署選項,更簡化了安裝事項。其部署包括180度和360度覆蓋範圍,以及多頻帶來提供靈活性,如此可以確保在各種環境中的服務連續性。ASMR是極限容量5G連接的理想選擇,其應用針對了體育場、機場和行人步行區等。


結語


圖二 :  Nokia推出新的 AirScale毫米波無線電(ASMR)
圖二 : Nokia推出新的 AirScale毫米波無線電(ASMR)

雖然3GPP Release 15為5G NR毫米波建立了基礎,並提供了使其具備行動特性的關鍵技術,但毫米波仍然不停發展以提高性能、可靠性和效率。版本16項目還正在研究新功能,包括頻帶定位、對52.6GHz以上的頻譜支持,以及整合的接入和回程(IAB),這可以透過允許重複使用5G NR小型蜂窩基站來簡化其基礎設施佈建,以及接入和回傳的頻譜和設備等。


當然,要推動毫米波的發展,還需要更多的技術創新。例如先進的波束成形和波束跟?技術,可以透過3D定向天線來增加覆蓋範圍和非視線(NLOS)操作。而透過在6GHz以下頻段與LTE或5G NR緊密整合,可提供無處不在的覆蓋範圍和無縫的用戶體驗。另外,經過優化的RF前端設計提供了將大量RF複雜性整合到智慧手機中的能力。


**刊頭圖(source:pxhere.com)


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