深度研究：一場5G毫米波引爆的頻帶戰(zhàn)爭

　　無線設(shè)備數(shù)量與其消耗的數(shù)據(jù)量每年都以等比級數(shù)增加——年復(fù)合成長率(CAGR)達53%。當(dāng)這些無線設(shè)備創(chuàng)造并消耗資料時，連接這些設(shè)備的無線通信基礎(chǔ)設(shè)施也必須隨之演進，才能滿足成長的需求。3GPP定義三種高階5G使用案例(圖1)的目標是隨時隨地提供可用的移動寬帶數(shù)據(jù)，然而，僅僅提升4G架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率，并不足以提供所需數(shù)據(jù)速率的步階函數(shù)。

　　有鑒于此，研究人員正致力于研究更高的頻率，希望得到可行的解決方案。早期在信道探測(channel sounding)作業(yè)的結(jié)果相當(dāng)良好，因此世界各地的無線標準組織皆重新調(diào)整研究重點，以便了解新一代5G無線系統(tǒng)如何整合，以及從運用這些新的頻率與較高的帶寬中受益。

　　圖1：3GPP與IMT 2020所定義的三種高階5G使用案例

　定義5G的關(guān)鍵績效指標

　　設(shè)計這些使用案例時，都是希望未來的無線標準得以針對新應(yīng)用補足既有無線標準無法滿足的缺口，而各個案例都需要一組不同的全新關(guān)鍵績效指標(KPI)。IMT 2020使用案例所定義的增強型移動寬帶(eMBB)預(yù)計能達到10Gb/s的峰值數(shù)據(jù)速率，比4G快了100倍。根據(jù)Shannon-Hartley定律，容量是帶寬(頻譜)與信道噪聲的函數(shù)，因此數(shù)據(jù)速率確實與可用的頻譜有關(guān)。由于6GHz以下的頻譜已經(jīng)分配完畢，所以6GHz以上(尤其是毫米波范圍內(nèi))的頻譜，可說是因應(yīng)eMBB使用案例的理想替代方案。

　毫米波：三種頻率的故事

　　為了服務(wù)客戶，全球各地的電信業(yè)者已在頻譜上投資了數(shù)十億美元。設(shè)定頻譜拍賣底價更突顯了頻譜這種寶貴資源的市場價值與供不應(yīng)求的特性。開啟新的頻譜讓電信業(yè)者不僅能服務(wù)更多使用者，還能提供更高效能的移動寬帶數(shù)據(jù)傳輸體驗。與6GHz以下的頻譜相比，毫米波的頻譜不僅非常充裕，而且只要稍經(jīng)授權(quán)就能使用，因此世界各地的業(yè)者都能運用毫米波。此外，現(xiàn)代芯片制造技術(shù)已經(jīng)大幅降低了毫米波設(shè)備的成本，所以在價格方面，這些設(shè)備已可用于消費性電子產(chǎn)品。而采用毫米波所面臨的挑戰(zhàn)，主要在于這些頻譜并未經(jīng)過完整研究，仍有尚未解決的技術(shù)問題。

　　電信業(yè)者已開始研究毫米波技術(shù)，以便評估最適合移動應(yīng)用的頻率范圍。國際電信聯(lián)盟(ITU)與3GPP已共同規(guī)劃進行5G標準的兩階段研究。第一階段研究將著重于40GHz以下的頻率，以因應(yīng)較急迫的商業(yè)需求部份，完成時間訂為2018年9月。第二階段則預(yù)計從2018年開始，于2019年12月完成，目標是達成IMT 2020所列的KPI，并著重于高達100GHz的頻率。

　　為了統(tǒng)一全球的毫米波頻率標準，ITU在近期的世界無線電通信大會(WRC)結(jié)束后，公布了24GHz到86GHz之間的全球可用頻率的建議列表：

　　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提出建議不久后，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)便于2015年10月21日發(fā)布了擬議規(guī)范公告(NPRM)，針對28GHz、37GHz、39GHz與64~71GHz頻帶提出全新且靈活的服務(wù)規(guī)則。

　　圖2：FCC針對移動用途擬議的頻帶

　　當(dāng)ITU、3GPP與其他標準組織決定以2020年做為定義5G標準的期限時，手機電信業(yè)者正加緊腳步推出5G服務(wù)。美國的Verizon與AT&T致力于在2017年推出5G的初始版本。韓國規(guī)劃在2018年奧運推出5G試行版，日本則預(yù)計在2020年的東京奧運展示5G技術(shù)。有了這些不同單位訂定各自的目標，適用于5G的頻率選項也逐漸浮上臺面：28GHz、39GHz與73GHz。

　　這三種頻帶之所以能脫穎而出，有許多原因。首先，這三種頻率不像60GHz必須承受約20dB/km的氧氣吸收損耗，其氧氣吸收率遠低于此數(shù)值(如圖3所示)，因此較適合長距離通信。這些頻率也能在多路徑環(huán)境中順利運作，并且能用于非可視距離(NLoS)通信。透過高定向天線搭配波束成形與波束追蹤功能，毫米波便能提供穩(wěn)定且高度安全的連結(jié)。

　　紐約大學(xué)理工學(xué)院(NYU Polytechnic School of Engineering)的Ted Rappaport博士與他的學(xué)生已開始著手研究28GHz、38GHz與73GHz的通道特性與潛在效能。他們藉由傳播測量與研究，探討這些頻率潛在的服務(wù)中斷情形，并且已發(fā)表多篇相關(guān)論文。透過這些頻率的現(xiàn)有數(shù)據(jù)與研究，再結(jié)合全球可用的頻譜，便能從這三種頻率開始執(zhí)行毫米波的原型制作。

　　圖3：毫米波頻率范圍的大氣吸收率(以dB/km為單位)

　　28GHz

　　如上所述，電信業(yè)者急切地想要取得未分配的大量毫米波頻譜;他們將扮演影響毫米波頻譜使用哪些頻率的關(guān)鍵角色。三星(Samsung)在2015年2月自行執(zhí)行信道測量，并發(fā)現(xiàn)28GHz頻率可用于手機通信。這些測量結(jié)果驗證了都市環(huán)境中預(yù)期會發(fā)生的路徑損耗——NLoS鏈接中的路徑損耗指數(shù)為3.53，三星進而宣稱此數(shù)據(jù)指出毫米波通信鏈接可支持200公尺以上的距離。該研究還包含相位數(shù)組天線的運用。三星并開始執(zhí)行特性化設(shè)計，讓手機能夠容納精密的相位數(shù)組天線。在日本，NTT Docomo與諾基亞(Nokia)、三星、愛立信(Ericsson)、華為(Huawei)與富士通(Fujitsu)共同合作，針對28GHz(以及其他頻率)順利完成了現(xiàn)場測試。

　　2015年9月，Verizon宣布與三星等重要合作伙伴將于2016年在美國進行現(xiàn)場測試，比5G標準的擬議期限2020年還早了4年，使得Verizon成為5G市場的先進者。2015年11月，高通(Qualcomm)透過128支天線針對28GHz進行試驗，在人口密集的都市環(huán)境中展現(xiàn)毫米波技術(shù)的效能，以及定向波束成形如何用于NLoS通信。而在FCC宣布28GHz頻譜可用于移動通信后，進一步的實驗與現(xiàn)場測試勢必持續(xù)進行。Verizon也公布租用XO Communications的28GHz頻譜協(xié)議，其中包含于2018年底買下頻譜的購買選擇權(quán)。

　　然而，請注意28GHz頻帶并不在ITU的全球可用頻率列表上，因此仍無法確定此頻帶是否能成為5G毫米波應(yīng)用的長期頻率。但基于此頻譜在美國、韓國與日本的可用性，以及美國電信業(yè)者早期現(xiàn)場測試的投入，28GHz無論是否成為國際標準，都可能直接成為美國的移動技術(shù)應(yīng)用。韓國于2018年奧運展示5G技術(shù)的目標，也可能在標準組織確定5G標準之前，率先推動28GHz技術(shù)用于消費型產(chǎn)品上。另一方面，由于此頻率不在國際移動通信(IMT)頻譜列表上，也已引起FCC委員的注意。

　　美國FCC委員Jessica Rosenworcel于2016年2月在華盛頓的一場演講中提到：“當(dāng)我們把眼光放遠，就會發(fā)現(xiàn)有些地方是美國必須獨自前往的。其中包含了28GHz頻帶……只不過，去年在日內(nèi)瓦舉辦的世界無線電會議(WRC)上并沒有把這個頻帶納入討論，也未將它列在5G頻譜研究列表中。然而，由于這個頻帶可分配至全球的移動應(yīng)用，所以我認為美國應(yīng)該繼續(xù)探索這個新頻譜。南韓與日本都已經(jīng)著手測試這個頻帶，我們現(xiàn)在也不能停下腳步。我們必須獨自向前，并在年底前完成適用于28GHz頻帶的架構(gòu)?！?/p>

　　委員Michael O’Rielly甚至在博客寫了一長篇文章，藉此向FCC表達他對2015年WRC會議結(jié)果的不滿：“這讓我開始思考WRC-15所發(fā)生的事、其帶來的實際效果，及其后續(xù)對ITU這個角色的影響。這些慣例很可能會破壞WRC未來的價值，并且讓ITU更可能淪為受制于政府與現(xiàn)有頻譜用戶控制的工具，從而阻礙了頻譜效率與技術(shù)進展?！?/p>

　　現(xiàn)在仍無法得知28GHz是否廣泛用于5G應(yīng)用，但這一頻率在現(xiàn)階段絕對非常重要。

　　73GHz

　　在28GHz相關(guān)研究展開的同時，E波段(E-band)頻率在近幾年也引起了移動通信領(lǐng)域的注意。Nokia采用美國紐約大學(xué)(NYU)的73GHz通道測量結(jié)果，開始此頻率的研究。在2014年的NI Week，Nokia透過NI原型制作硬件，展示其首款73GHz空中傳輸(OTA)成果。這套系統(tǒng)隨著研究的進行不斷演進，并且持續(xù)透過公開示范來展示新的技術(shù)成就。

　　在2015年的世界移動通信大會(MWC)上，這套原型制作系統(tǒng)已能藉由透鏡天線與光束追蹤技術(shù)執(zhí)行超過2Gbps的數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)的多輸入多輸出(MIMO)版本也在2015年的布魯克林5G高峰會議(Brooklyn 5G Summit)上展出，可以執(zhí)行高達10Gbps的數(shù)據(jù)傳輸，并在不到一年后的MWC 2016上，這套原型即展示了傳輸速率超過14Gbps的雙向空中傳輸鏈路。

　　Nokia并不是唯一在MWC 2016上展示73GHz成果的廠商。華為與德國電信(Deutsche Telekom)也共同展示了可作業(yè)于73GHz的原型。這一展示采用多用戶(MU)MIMO，展現(xiàn)了高頻譜效率以及針對個別使用者實現(xiàn)超過20Gbps傳輸率的潛力。

　　有些73GHz的研究已開始進行，未來三年預(yù)計將有更多相關(guān)研究。區(qū)分73GHz與28GHz、39GHz的其中一項特性是可用的連續(xù)帶寬。73GHz中有2GHz的連續(xù)帶寬可用于移動通信，這是擬議頻率頻譜中范圍最廣的。相較之下，28GHz僅提供850MHz的帶寬，而在美國，39GHz附近就有兩個頻帶提供1.6GHz與1.4GHz帶寬。此外，如Shannon定律所述，更高的帶寬便代表更高的數(shù)據(jù)傳輸量，因此，73GHz與其他上述頻率相較便具備了強大優(yōu)勢。

　　39GHz

　　雖然目前進行中的38GHz公開研究最少，但仍有機會成為5G標準的一部份。ITU已將其列為全球可用頻率之一，而且根據(jù)紐約大學(xué)的研究，現(xiàn)有信道數(shù)據(jù)能證明其為可用頻率。然而，該頻段較28GHz或73GHz有更多現(xiàn)有應(yīng)用，因此是39GHz納入5G標準的一項挑戰(zhàn)。FCC已針對可能的移動應(yīng)用擬議頻譜，以加速美國未來針對此頻帶的研究。

　　當(dāng)Verizon著手2016年的28GHz初次現(xiàn)場測試時，即已擬定計劃要測試39GHz。而XO Communications除了擁有28GHz的授權(quán)外，也可提供大量的39GHz授權(quán)。39GHz由于擁有電信業(yè)者的大量投資，同時列于IMT選項中，無疑也將成為2020年5G標準的候選頻譜之一。

　　毫米波原型制作

　　由于毫米波信道的基本屬性與目前的手機模式不同，而且未知事項較多，因此研究人員必須開發(fā)新的技術(shù)、算法與通信協(xié)議，才能充份發(fā)揮毫米波在5G領(lǐng)域的潛力。建立毫米波原型非常重要，尤其是在早期階段。毫米波原型的建立可證實技術(shù)或概念的可行性，這是僅靠模擬而無法實現(xiàn)的。毫米波原型能夠在多種情境下，透過實時的空中傳輸方式執(zhí)行通信作業(yè)，藉此解開毫米波通道的秘密，并促進技術(shù)的應(yīng)用與推廣。

　　要建立完整的毫米波通信原型時會面臨多個難題。假設(shè)有一個可處理多重GHz信號的基頻子系統(tǒng)。目前大多數(shù)的LTE建置通常都使用10MHz通道(最高20MHz)，而且運算負載隨著帶寬而呈直線增加。換句話說，運算能力必須提高100倍以上，才能滿足5G數(shù)據(jù)速率的需求。此外，為了執(zhí)行毫米波系統(tǒng)的物理層運算，原型制作的過程中必須用到FPGA。

　　針對毫米波應(yīng)用打造具有原型制作功能的客制硬件是相當(dāng)困難的任務(wù)。毫米波頻率由于具備大量的連續(xù)帶寬，因此非常適用于通信作業(yè)。要為5G應(yīng)用需求找到具有1~2GHz帶寬的現(xiàn)成硬件傳輸器或接收器，需要很高的成本，在某些頻率甚至不可能找到符合此條件的儀器。就算真的有這種硬件，其配置與并處理原始數(shù)據(jù)的能力也有限，甚至可能完全無法處理。因此，設(shè)計客制的FPGA處理機板便成了具吸引力的方案。 設(shè)計FPGA機板硬件的時間或許不需要很久，但如果還要開發(fā)與其通信的軟件接口，就算是最有經(jīng)驗的工程師也可能需要一年甚至更久的時間才能完成，而且這只是原型制作系統(tǒng)的一部份而已。

　　除了FPGA機板之外，毫米波原型制作系統(tǒng)需要運用最先進的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)與模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)才能擷取1~2GHz之間的帶寬。目前市面上有些RFIC具備可以轉(zhuǎn)換于基頻與毫米波頻率間的芯片，但這些產(chǎn)品選擇有限，而且大多僅能用于60GHz頻帶。IF與RF階段可做為RFIC的替代方案，工程師一旦有了基頻與IF解決方案，供貨商便能針對毫米波無線頭端提供更多基頻RFIC以外的選擇，但仍然十分有限。開發(fā)毫米波無線頭端需要RF與微波設(shè)計的專業(yè)技術(shù)，這與開發(fā)FPGA板所需的技術(shù)是完全不同的，因此團隊必須具備多種專業(yè)才能開發(fā)所有的必要硬件。

　　FPGA是毫米波基頻原型制作系統(tǒng)的核心組件，而且要設(shè)計可處理多重GHz信道的多重FPGA系統(tǒng)，將導(dǎo)致系統(tǒng)更加復(fù)雜。為了解決電信業(yè)者與通信研究人員面臨的系統(tǒng)復(fù)雜度與軟件難題，NI提供一系列可配置的毫米波原型制作硬件，以及毫米波物理層原始碼，不僅能夠解釋毫米波系統(tǒng)基頻的基本特性，并且能簡化多個FPGA的數(shù)據(jù)遷移與處理作業(yè)，進而簡化整體作業(yè)。這些工具都有助于將新的原型轉(zhuǎn)為系統(tǒng)與產(chǎn)品，對于5G技術(shù)的開發(fā)至關(guān)重要。

　　結(jié)論

　　為了滿足數(shù)據(jù)傳輸量的需求，必須運用24GHz以上的大量連續(xù)帶寬，而且研究人員已透過原型制作展示毫米波技術(shù)可達到14Gbps以上的傳輸速率。如今最大的問題就是移動通信要使用哪一種毫米波頻帶。ITU或許能為移動應(yīng)用的5G技術(shù)設(shè)定一個頻率。如果手機只需使用一組(而非多組)芯片，就能實現(xiàn)涵蓋全球的通信范圍，即可為手機制造商降低開發(fā)成本，并為消費者降低使用成本。然而，要重新分配現(xiàn)有頻率的成本很高。

　　由于時程緊迫，各地的電信業(yè)者選擇略過ITU的建議，直接選擇那些無法普及全球、但立即可用的頻譜。他們也利用原型制作的能力，透過現(xiàn)場測試制作雙向通信鏈接的原型(5G開發(fā)的關(guān)鍵部份)，進而讓研究人員能展示這項新技術(shù)，并以更快的速度標準化。

　　盡管仍有許多未知的問題，但可以確定的是：未來一定會部署毫米波技術(shù)，而且以極快的速度進行部署。新一代的無線通信技術(shù)即將登場，而全世界都在關(guān)注這項技術(shù)的實現(xiàn)方式。