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5G服务加紧脚步 毫米波频段竞赛越演越烈
2020年5G将至

【作者: 王岫晨】2020年05月21日 星期四

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适用於5G的毫米波频率逐渐浮上台面:28 GHz、39 GHz与72 GHz。


透过高定向天线搭配波束赋形功能,毫米波能提供稳定安全的连结。


随着5G登场,全世界都将关注并观察未来毫米波技术的应用方式。


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,手机电信业者也正加紧脚步推出5G服务。透过各方所订定的不同目标,适用於5G的毫米波频率选项也逐渐浮上台面:28 GHz、39 GHz与72 GHz。


这三种频带能脱颖而出的原因有很多。首先,不像60GHz必须承受约20 dB/km的氧气吸收损失,这三种频率的氧气吸收率低,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,并且能用於非可视判读(NLoS)通讯。透过高定向天线搭配波束赋形与波束追踪功能,毫米波便能提供稳定且高度安全的连结。


5G频段布局

根据中华民国NCC的5G频谱资源特性与技术关联文件中指出,由各国际组织及大厂对於候选频段之选定及测试,可归纳出欧洲及中国主要由6GHz以下频段开始布局测试,日本由於对於行动宽频的应用较有兴趣,因此对6GHz以上之频段着墨较多,美国现阶段看来则采取高低频段均重的策略。观察各国电信业者之布局,6GHz以下频段以3.5GHz及5GHz为重要频段。由於3.5GHz其相邻频宽累计连续可达400MHz,因此为各国政府或产业利害相关人所重视。


另外,由於5GHz之可用频宽较2.4GHz多,为了与Wi-Fi和平共处,也因此衍生LTE-U、LTE授权辅助接入(License-assisted Access;LAA)、LWA等聚合技术。此外,高频部分如28GHz、39GHz、73GHz等亦是各国布局之重点,原因为6GHz以上频段之频率特性,其氧气吸收率(损耗率)较低,能传输距离较远。


3GPP於2018年通过第15版(Release 15)规格,对於5G新无线电(5G New Radio;5G NR),以6GHz频段为界线,区分为第一型频率范围(Frequency Ranges 1;FR1)与第二型频率范围(Frequency Ranges 2;FR2),FR1频段范围为450~6000MHz,FR2频段范围则为24250~52600MHz。


28GHz毫米波

国家仪器指出,电信业者急切想要取得未分配的大量毫米波频谱;而毫米波频谱会使用哪些频率,这些业者将是深具影响力的关键要角。早在2015年2月,Samsung便已经执行了自己的通道量测,并发现28GHz的频率可用於手机通讯。这些量测结果,验证了都市环境中预期会发生的路径损耗(非可视判读NLoS连结中的路径损耗指数为3.53)。Samsung宣称此数据显示毫米波通讯连结可支援200公尺以上的距离。该研究还包含相位阵列天线的运用。Samsung也开始相关设计,以便让手机能够容纳精密的阵列天线。在日本,NTT Docomo与 Nokia、Samsung、Ericsson、Huawei、Fujitsu等厂商共同合作,针对28GHz(以及其他频率)顺利完成了现场测试。


而Verizon与Samsung等重要合作夥伴,於2016年在美国执行现场测试。这时间点比订定5G标准的拟议期限2020年还早了4年,使得Verizon成为5G市场的先行者。到了2015年11月,Qualcomm透过128支天线针对28GHz执行实验,在人囗密集的都市环境中,展现了毫米波技术的效能,以及定向波束赋形如何用於非可视判读通讯。而在FCC宣布28GHz频谱可用於行动通讯後,进一步的实验与现场测试,也在美国持续进行。同时,Verizon公布了租用XO Communications的28GHz频谱协议,其中包含於2018年底买下频谱的购买选择权。


然而需注意的是,28GHz频带并不在ITU的全球可用频率清单上。因此,当时仍无法确定此频带是否能成为5G毫米波应用的长期频率。但基於此频谱在美国、韩国与日本的可用性,以及美国电信业者在早期现场测试的投入,28GHz因此在不符国际标准的情形下,直接应用於美国的行动技术。韩国於2018年奥运展示5G技术的目标,也是在标准组织确定5G标准之前,促使消费型产品运用28GHz技术。


38GHz毫米波

关於38GHz在进行中的公开研究资料最少,但这个频段仍有机会成为5G标准的一部分。ITU已将38GHz列於全球可用频率清单,而且根据纽约大学的研究,已有通道资料可证明其为可用的毫米波频率。尽管如此,相较於28GHz或73GHz,38GHz有更多现有用途,因此要将其纳入5G标准将是一项挑战。FCC已针对可能的行动应用拟议频谱,以便加速美国未来针对此频带的研究。


值得注意的是,当Verizon於2016年着手进行28GHz的初期现场测试时,已拟定计画要测试39GHz。39GHz有电信业者的大量投资,同时也名列IMT的清单中,因此无疑是2020年5G标准的候选频带之一。


73GHz毫米波

正当28GHz相关研究展开的同时,E频带也在近几年引起行动通讯领域的注意,而73GHz就是另一个备受瞩目的毫米波频率。Nokia运用了纽约大学的73GHz通道量测结果,开始研究此频率。早在2014年的NI Week年会上,Nokia就已经透过NI原型制作硬体,展示了他们第一个73GHz空中传输(OTA)技术。这套系统随着研究进行不断演进,并持续透过公开示范来展示新的技术成就。



图一 : 行动用途的FCC频带(source:NI.com)
图一 : 行动用途的FCC频带(source:NI.com)

到了2015年的MWC上,这套原型验证系统已能藉由透镜天线与光束追踪技术,执行每秒超过2Gbps的资料传输。该系统的MIMO版本,则在布鲁克林5G高峰会议上展出,可执行高达10Gbps的资料传输。而在不到一年後的MWC上,这套原型展示了双向空中传输连结,传输速率超过14Gbps。2016年的MWC,Nokia已经不是唯一有能力进行73GHz技术示范的厂商。Huewei与Deutsche Telekom也一同展示了可於73GHz运作的原型。这项示范采用多使用者(MU)MIMO,展示了高频谱效率,以及针对个别使用者超过20Gbps传输率的潜力。


在过去几年,许多73GHz的研究正陆续进行,近期预计将有更多相关研究。其中一项可用以区分73GHz与28GHz、39GHz频段间差异的特性,是其可用的连续频宽。73GHz中有2GHz的连续频宽可用於行动通讯,是这些频谱中范围最广的。相较之下,28GHz仅提供850MHz的频宽。在美国,39GHz附近就有两个频带提供1.6GHz与1.4GHz频宽。此外,如Shannon定理所述,更高的频宽代表更高的资料传输量,因此与上述的其他频率相比,73GHz具备了强大优势,将成为毫米波中的一个重要频率。


结语

尽管仍有许多未知的部分,但有一件事是可以确定的,未来的5G一定会布署毫米波技术,而且会以很快的速度来执行。随着新一代的5G无线通讯登场,全世界都将更为关注并观察未来毫米波技术的应用方式。


解决方案

安立知VectorStar宽频向量网路分析仪


图二 : 安立知VectorStar宽频向量网路分析仪
图二 : 安立知VectorStar宽频向量网路分析仪图片来源:anritsu.com

安立知:「这部仪器可提升晶圆探针台的成本效益!」


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太克科技TTR500系列向量网路分析仪


图三 : 太克科技TTR500系列向量网路分析仪
图三 : 太克科技TTR500系列向量网路分析仪source:tektronix.com

太克科技:「减少原型设计反覆项目并让日常量测准确可信!」


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图四 : 是德科技PNA网路分析仪
图四 : 是德科技PNA网路分析仪source:keysight.com

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图五 : R&S ZNA高阶向量网路分析仪
图五 : R&S ZNA高阶向量网路分析仪source:R&S.com

罗德史瓦兹:「这款仪器具有出色的射频性能!」


R&S ZNA新一代高阶向量网路分析仪,可简化量测设置。其量测稳定性和低量测曲线杂讯让使用者能够对主动和被动元件和模组进行严格的量测。凭藉以待测物为中心的操作方式、完全采用触控操作的创新设计,R&S ZNA向量网路分析仪可将量测的设置时间缩到最短。


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图六 : NI向量网路分析仪(VNA)
图六 : NI向量网路分析仪(VNA)source:ni.com

国家仪器:「PXI VNA可提供高准确度的RF量测效能。」


国家仪器VNA为10MHz~6GHz的完整向量网路分析系统。PXI向量网路分析器配备2个连接埠,因此可以择一选用T/R测试模组或是完整的S叁数功能。PXI向量网路分析器支援自动化精确校准、完整向量分析与叁考平面扩充,因此适合做为检验与生产作业的向量网路分析解决方案,并省下统桌上型VNA的高价位与庞大体积。


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