解决毫米波挑战 波束成形提升高频覆盖率

第三代合作伙伴计画（3GPP）将在2022年迈入5G Release 16并正式运营，包括美国、中国、韩国、日本等国，都相继推出5G的相关服务。随着5G演进发展至5G-Advanced，行动通讯的应用不再只侷限于手机通讯上，还将伴随着许多新型的技术应用，如网路切片（Network Slicing）、非公共网路（Non-public Networks；NPN）、工业物联网（IIoT）、蜂巢式车联网（C-V2X）与NR Sidelink等。这些新的技术预计将带动万物智联的可能性，并往前迈进一大步。

高频信号挑战

图一 : 波束成形天缐阵列对于5G的实现将扮演重要角色，因为手机可以在毫米波频率下容纳更多的天缐元件。

全球5G发展正在加速，而台湾在这波行动科技的浪潮中处于领先位置。台湾爱立信总经理蓝尚立表示，自2021年推出5G商用网路以来，官方数据指出台湾整体的5G用户已经超过270万，渗透率也超过11%。台湾的5G普及率，相较于其他更早推出5G的国家进展更快，这显示台湾的5G发展速度居于全球前段。这或许可以归功于电信营运商与政府部门对于高品质5G网路的重视，而透过各种第三方的行动网路表现调查，也发现台湾的5G网路品质，从速度到使用者体验，在区域评比中皆有不错的表现。

根据爱立信行动趋势报告指出，过去约70～80％的行动数据流量是在室内产生的，这包含在建筑内的系统所通过流量。现在，透过技术手段，可以更加准确地估计室内流量占室外基地台流量的比重。

在市区，大部分行动流量产生于室内。由于讯号穿过墙壁和窗户时会减弱，对室外基地台提供通讯服务困难很大。特別是5G通讯更具挑战性，因为5G使用的是超高频段。无缐讯号在发送者和接收者之间的空间中传播，其功率强度会减弱，这叫做路径损耗。造成路径损耗的因素很多，包括自由空间损耗、穿透损耗、反射、折射和各种其他形式的讯号衰减。

爱立信认为，5G系统可以在各种载波频率上运行，从低频段1GHz以下的波段，到毫米波频谱中的39GHz波段。较低频率具有良好的覆盖特性，而高频段因为可分配的频宽更大，传递的资讯容量更大。但是讯号衰减也会增加。频率对路径损耗的影响，可以透过测量视距内两个相隔500公尺天缐之间的讯号强度来查知。在极端情况下，与800MHz上的讯号相比，39GHz讯号的自由空间损耗量约为34dB（约99.96%）。

高频段的另一个挑战，是讯号穿透建筑物的衰减。就讯号传播而言，建筑物可大致分为两种类型。一类是有着类金属层玻璃窗、铝箔衬背墙壁板材、隔热空心墙和厚钢筋混凝土的现代节能建筑；另一种是沒有这种材料的传统建筑。

800MHz讯号穿透节能建筑，其损耗约是穿透传统材料建筑的50倍。39GHz讯号穿透节能建筑的损耗，约是穿透传统材料建筑的240倍。为了补偿与毫米波频率相关的损耗，营运商可以使用一系列的解决方案，包括先进的天缐系统、波束成形和室内系统。考虑到建筑物穿透损耗很高，如果室内流量需求较大，那么採用建筑物内通讯解决方案就会更经济。另一方面，为了更好地服务室外流量，营运商可能需要密集的大型基地台。也因此，对室内通讯量比重的精准预估，可以为网路投资决策提供更坚实的基础。

覆盖率的实现

5G到2020年底已经覆盖了10亿多人，到2020年底，全球5G人口覆盖率约为15%，相当于超过10亿人。5G网路的扩展持续加速，到目前为止，全球已有160多个5G商用网路问世。5G覆盖率的扩展，可分为以下三大类频段的建置：

●6GHz以下新频段

●毫米波频段

●现有的LTE频段

从营运商已经採用的5G建置方式来看，各国之间存有很大的差异。在美国，上述三种类型都有採用，因此5G覆盖了极大部分人口。在欧洲，包括德国和西班牙等国家，採用在现有频段进行部署的方式，来获得更高的覆盖率。许多市场都提供了低于6GHz的频段（通常称为中频段）的新频段，实现了网路覆盖、容量和速度的良好平衡。以中国为例，营运商就在中频段部署了大量基地台。

营运商不断寻求替代方案，透过使用新一代技术来增加覆盖和容量。其中一种选择是中止或关闭一项前世代网路技术（例如2G或3G），通常发生在适合使用4G或5G技术的中低频段。另一个停止支援前世代网路的驱动因素，是可以降低网路复杂性和营运成本。然而，这需要考虑到几个因素，例如终端装置机组的能力和物联网安装基地等。

此外，还要考虑监管要求。中低频段的覆盖和容量增加，可以在不中止前世代网路的条件下实现（或逐步推进前世代网路中止），例如透过频谱的共用。此外，如果前世代技术被关闭，相应的频段将用于较新的3GPP技术上，并且不会对网路覆盖率产生负面影响。

波束成形对5G的重要性

图二 : 波束成形相位阵列示意图（source：analog.com）

5G需要提供更多的容量和灵活性，同时也需要降低系统的营运费用。有几种新技术可以同时达成容量以及能源效率的要求，除了虚拟化与大规模MIMO之外，毫米波波束成形也是非常重要的解决方法。

罗德史瓦兹指出，目前的行动网路正面临许多挑战。对行动高分辨率多媒体应用的需求不断增加，使这些网路更加接近实际的极限。5G网路主要在于透过增加频宽来提供更高的数据速率，进而到减轻基础设施负担的目的。考虑到传统上用于行动通信的可用频率不足，使得毫米波段成为一种合适的选择。这些频率的大频宽有助于提供满足5G需求的数据速率。

然而，在这些毫米波段的应用环境，要比目前使用的频率复杂得多。较高的传播损耗，根据环境的不同而会出现很大差异，需要新的网路基础设施和新的硬体概念。也因此，波束成形天缐阵列对于5G的实现将扮演重要角色，因为手机可以在毫米波频率下容纳更多的天缐元件。除了更高的指令增益之外，这些天缐类型还提供了复杂的波束成形功能。这允许透过直接瞄准用户组来提高讯号干扰比（SIR），以增加蜂巢式网路的容量。此外，窄小的发射波束同时还能降低无缐电环境中的干扰量，因此得以在农村等偏远地区的接收器端维持足够的信号功率。

结语

波束成形一般是用简单的CW信号以及复杂的调制波形来运作。目前波束成形技术已被广泛接受，将在下一代网路中发挥重要作用。许多5G主题仍然是正在进行的研究课题，但业界普遍採用的方向，包括小波束成形阵列和大波束成形阵列，后者部分只能透过毫米波波段中的较短波长来实现。目前市场上相关的厂商也都将持续优化5G测试解决方案，以满足5G无缐通信的技术和其他相关技术。