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實現5G傳輸性能 大規模MIMO提升使用體驗
 

【作者: 王岫晨】   2022年04月19日 星期二

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全球電信運營商紛紛推出5G獨立組網架構(SA),作為支援各種電信服務之核心網路,並加速推動都市的基地台建置,以網路切片、邊緣運算為基礎,使網路服務多元化,並提供端到端的品質保障。


在2022年,企業需求將推動5G結合大規模物聯網(Massive IoT)和關鍵物聯網(Critical IoT)應用,包括更多網路端點連結數據傳輸,如智慧工廠燈光開關、感測器與溫度讀數等。至於關鍵物聯網則涵蓋智慧電網自動化、遠端醫療、交通安全與工業控制等,另外也結合工業4.0的應用,提供資產追蹤、預測性維護、現場服務管理和優化物流處理等。


積極部署5G

疫情迫使企業進行數位轉型、個人生活型態改變,再次凸顯了5G部署的重要性,2022年運營商將透過網路切片功能切入市場,由於5G專網、openRAN、未授權頻譜、毫米波等發展,因而出現多方生態系統,除了傳統的運營商外,更有來自OTT、雲、社群媒體、電商業者參與,成為新興服務提供商,使得未來運營商也將更積極建立5G企業應用。


對於5G的發展,台灣愛立信總經理藍尚立觀察後指出,全球行動數據總流量正在持續成長,回顧2020年底已超過每月49EB,預計到2026年會成長近5倍,達到每月237EB。智慧型手機是推動此一趨勢的主力,95%的行動數據流量來自智慧型手機傳輸,資料使用量已創下新高。目前,全球智慧型手機的月平均流量已達10GB以上,預計到2026年底將達到35GB。


由於新冠疫情正在加速數位轉型,也提升了人們對可靠、高速的行動寬頻網路的需求。根據愛立信調查,在已推出5G的電信營運商中,有近九成也推出了無線固網接入(FWA)服務(包括4G和5G),即使在光纖普及率較高的市場也不例外,以因應日益增加的FWA流量。預測到2026年FWA流量將增長7倍,達到64EB。而預計到了2021年,大規模物聯網技術(Massive IoT,包括NB-IoT和Cat-M)連接數可望成長近八成,達到3.3億。到了2026年,這些技術預計將占所有行動物聯網的46%。


大規模MIMO

大規模MIMO自十年前問世以來,已經從一個誇大的學術理念,發展成為許多無線技術中使用的核心技術。

大規模MIMO(massive MIMO;mMIMO)是應用於5G的新興無線接入技術,適用於6GHz以下和毫米波頻段。大規模MIMO自十年前問世以來,已經從當時一個誇大的學術理念,發展成為目前已在許多無線技術中使用的核心技術。


仔細來看,大規模MIMO是一種多用戶的多輸入多輸出技術,可以在高行動性環境中,為無線終端設備提供品質更為良好的通訊服務。其技術概念是在基地台配備許多天線陣列,如此就可以在相同的時間內,同時服務更多的終端設備。大規模指的是天線數量,而不是天線的物理尺寸。


一般來說,大規模MIMO是指在基地收發機站(Base Transceiver Station;BTS)中,具有大量天線的MIMO系統,通常數量會達到數十或數百個天線。因此,大規模MIMO背後的基本原理,就是保有傳統MIMO的所有優勢,但同時規模卻要大得許多。儘管大規模MIMO被認為是5G採用的新技術,然而在過去LTE技術中已被採用。但對於5G來說,大規模MIMO是實現5G傳輸性能不可或缺的關鍵技術。



圖一 : 大規模MIMO天線陣列(source:ni.com)
圖一 : 大規模MIMO天線陣列(source:ni.com)

大規模MIMO的好處,簡單可以分為兩點。第一個是改善無線網路的覆蓋率,這點主要是因為使用多天線可以實現更有效率的波束成形,因此使用者不管在何處,都可以獲得更高的數據傳輸速率。波束成形可以視為是三維的概念,因為波束包括水平和垂直,因此即使在覆蓋範圍相對較弱的位置,也可以透過波束成形技術調整訊號的覆蓋範圍,來適應不同用戶的位置。至於第二個好處,則是可以透過多用戶MIMO(MU-MIMO)來同時服務更多用戶。而透過這兩個好處,也同時強化了使用體驗。


5G大規模MIMO測試

對於5G大規模MIMO測試有相當豐富經驗的羅德史瓦茲也表示,5G網路需要提供更大的容量和靈活性,同時降低系統運營費用(OPEX)。增加容量最簡單的方法,就是增加網路中的基地台數量。然而,由於這種方法在都市中往往會遇到建築物問題以及能源消耗的高成本,因此能獲得的成效十分有限。


一種更簡潔的方法,就是使用大量具有幅度和相位控制能力的Tx和Rx天線元件,簡單說,就是大規模MIMO系統。這樣的系統可以透過多種方式來進行操作,透過空間重複使用,可以允許多個預編碼數據流,或以波束成形技術來增加增益,當然也可以兩者結合。


在已建立的sub-6GHz頻譜中,基地台通常會應用大量Tx/Rx天線元件,來為多用戶提供並行數據流,這稱為多用戶MIMO(MU-MIMO)。相較之下,毫米波頻譜中的高路徑損耗衰減需要高天線增益,這可以透過動態波束成形的應用來加以實現。使用專門分配給它們的信號,可針對單個使用者設備來顯著降低能耗。MU-MIMO和波束成形都可以增加容量,而無需增加基地台的數量。


在設計大規模MIMO主動天線系統時,開發工程師面臨新的挑戰,包括移相器容差、功率放大器的熱效應和模組之間的頻率漂移,這些都會影響所需的波束方向。在主動天線系統中,收發器前端與天線陣列整合在一起,無法直接觸及傳統射頻輸出介面。此外,光纖介面也取代了用於數位I/Q數據訊號的傳統射頻輸入介面。因此,空口測試(OTA)成為大規模MIMO系統的主要測試方式,也可用於對傳播信道的空間屬性進行建模。



圖二 : 台灣愛立信終端互連測試中心
圖二 : 台灣愛立信終端互連測試中心

結語

總而言之,更先進的接收與傳輸解決方案,是所有無線通信系統的基礎技術。大規模MIMO系統正加速應用於基地台的設計中。我們知道5G系統的運作頻率,遠高於前幾代的無線蜂窩網路技術,因此在5G系統中,必須達到更高效率、更高整合度,以及更小的體積,並達到在所有性能測試中,實現更高的無線傳輸能力。


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