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【淺析】一場5G毫米波引爆的頻帶戰(zhàn)爭

摘要:目前還不清楚5G技術(shù)未來將如何實(shí)現(xiàn),但可確定毫米波會(huì)是其中一種技術(shù),而且以極快的速度進(jìn)行布署。新一代的無線通信技術(shù)即將登場,全世界都在關(guān)注這項(xiàng)技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)。

  ICCSZ訊    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(jí)數(shù)增加——年復(fù)合成長率(CAGR)達(dá)53%。當(dāng)這些無線設(shè)備創(chuàng)造并消耗資料時(shí),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(jìn),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(biāo)是隨時(shí)隨地提供可用的移動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)組織皆重新調(diào)整研究重點(diǎn),以便了解新一代5G無線系統(tǒng)如何整合,以及從運(yùn)用這些新的頻率與較高的帶寬中受益?! ?/p>

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(biāo)

  設(shè)計(jì)這些使用案例時(shí),都是希望未來的無線標(biāo)準(zhǔn)得以針對(duì)新應(yīng)用補(bǔ)足既有無線標(biāo)準(zhǔn)無法滿足的缺口,而各個(gè)案例都需要一組不同的全新關(guān)鍵績效指標(biāo)(KPI)。IMT 2020使用案例所定義的增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶(eMBB)預(yù)計(jì)能達(dá)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(shí)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(jià)更突顯了頻譜這種寶貴資源的市場價(jià)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(dòng)寬帶數(shù)據(jù)傳輸體驗(yàn)。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(yùn)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(jià)格方面,這些設(shè)備已可用于消費(fèi)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(píng)估最適合移動(dòng)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(jìn)行5G標(biāo)準(zhǔn)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(shí)間訂為2018年9月。第二階段則預(yù)計(jì)從2018年開始,于2019年12月完成,目標(biāo)是達(dá)成IMT 2020所列的KPI,并著重于高達(dá)100GHz的頻率。

  為了統(tǒng)一全球的毫米波頻率標(biāo)準(zhǔn),ITU在近期的世界無線電通訊大會(huì)(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)邦通訊委員會(huì)(FCC)便于2015年10月21日發(fā)布了擬議規(guī)范公告(NPRM),針對(duì)28GHz、37GHz、39GHz與64~71GHz頻帶提出全新且靈活的服務(wù)規(guī)則?! ?/p>

圖2:FCC針對(duì)移動(dòng)用途擬議的頻帶

  當(dāng)ITU、3GPP與其他標(biāo)準(zhǔn)組織決定以2020年做為定義5G標(biāo)準(zhǔn)的期限時(shí),手機(jī)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(yùn)推出5G試行版,日本則預(yù)計(jì)在2020年的東京奧運(yùn)展示5G技術(shù)。有了這些不同單位訂定各自的目標(biāo),適用于5G的頻率選項(xiàng)也逐漸浮上臺(tái)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(yuǎn)低于此數(shù)值(如圖3所示),因此較適合長距離通訊。這些頻率也能在多路徑環(huán)境中順利運(yùn)作,并且能用于非可視距離(NLoS)通訊。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。他們藉由傳播量測與研究,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?! ?/p>

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)行通道量測,并發(fā)現(xiàn)28GHz頻率可用于手機(jī)通訊。這些量測結(jié)果驗(yàn)證了都市環(huán)境中預(yù)期會(huì)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(jìn)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(yùn)用。三星并開始執(zhí)行特性化設(shè)計(jì),讓手機(jī)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(duì)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(jìn)行現(xiàn)場測試,比5G標(biāo)準(zhǔn)的擬議期限2020年還早了4年,使得Verizon成為5G市場的先進(jìn)者。2015年11月,高通(Qualcomm)透過128支天線針對(duì)28GHz進(jìn)行試驗(yàn),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通訊。而在FCC宣布28GHz頻譜可用于移動(dòng)通訊后,進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場測試勢必持續(xù)進(jìn)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(qǐng)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(biāo)準(zhǔn),都可能直接成為美國的移動(dòng)技術(shù)應(yīng)用。韓國于2018年奧運(yùn)展示5G技術(shù)的目標(biāo),也可能在標(biāo)準(zhǔn)組織確定5G標(biāo)準(zhǔn)之前,率先推動(dòng)28GHz技術(shù)用于消費(fèi)型產(chǎn)品上。另一方面,由于此頻率不在國際移動(dòng)通訊(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(yuǎn),就會(huì)發(fā)現(xiàn)有些地方是美國必須獨(dú)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(huì)議(WRC)上并沒有把這個(gè)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(gè)頻帶可分配至全球的移動(dòng)應(yīng)用,所以我認(rèn)為美國應(yīng)該繼續(xù)探索這個(gè)新頻譜。南韓與日本都已經(jīng)著手測試這個(gè)頻帶,我們現(xiàn)在也不能停下腳步。我們必須獨(dú)自向前,并在年底前完成適用于28GHz頻帶的架構(gòu)。”

  委員Michael O’Rielly甚至在部落格寫了一長篇文章,藉此向FCC表達(dá)他對(duì)2015年WRC會(huì)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(shí)際效果,及其后續(xù)對(duì)ITU這個(gè)角色的影響。這些慣例很可能會(huì)破壞WRC未來的價(jià)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(jìn)展。”

  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(duì)非常重要。

  73GHz

  在28GHz相關(guān)研究展開的同時(shí),E波段(E-band)頻率在近幾年也引起了移動(dòng)通訊領(lǐng)域的注意。Nokia采用美國紐約大學(xué)(NYU)的73GHz通道量測結(jié)果,開始此一頻率的研究。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(jìn)行不斷演進(jìn),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(dòng)通訊大會(huì)(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(huì)議(Brooklyn 5G Summit)上展出,可以執(zhí)行高達(dá)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(duì)個(gè)別使用者實(shí)現(xiàn)超過20Gbps傳輸率的潛力。

  有些73GHz的研究已開始進(jìn)行,未來三年預(yù)計(jì)將有更多相關(guān)研究。區(qū)分73GHz與28GHz、39GHz的其中一項(xiàng)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(dòng)通訊,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(gè)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(qiáng)大優(yōu)勢。

  39GHz

  雖然目前進(jìn)行中的38GHz公開研究最少,但仍有機(jī)會(huì)成為5G標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。FCC已針對(duì)可能的移動(dòng)應(yīng)用擬議頻譜,以加速美國未來針對(duì)此頻帶的研究。

  當(dāng)Verizon著手2016年的28GHz初次現(xiàn)場測試時(shí),即已擬定計(jì)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(shí)列于IMT選項(xiàng)中,無疑也將成為2020年5G標(biāo)準(zhǔn)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(jī)模式不同,而且未知事項(xiàng)較多,因此研究人員必須開發(fā)新的技術(shù)、算法與通訊協(xié)議,才能充份發(fā)揮毫米波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(shí)技術(shù)或概念的可行性,這是僅靠模擬而無法實(shí)現(xiàn)的。毫米波原型能夠在多種情境下,透過實(shí)時(shí)的空中傳輸方式執(zhí)行通訊作業(yè),藉此解開毫米波通道的秘密,并促進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用與推廣。

  要建立完整的毫米波通訊原型時(shí)會(huì)面臨多個(gè)難題。假設(shè)有一個(gè)可處理多重GHz訊號(hào)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(yùn)算負(fù)載隨著帶寬而呈直線增加。換句話說,運(yùn)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(yùn)算,原型制作的過程中必須用到FPGA。

  針對(duì)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,因此非常適用于通訊作業(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(jì)客制的FPGA處理機(jī)板便成了具吸引力的方案。 設(shè)計(jì)FPGA機(jī)板硬件的時(shí)間或許不需要很久,但如果還要開發(fā)與其通訊的軟件接口,就算是最有經(jīng)驗(yàn)的工程師也可能需要一年甚至更久的時(shí)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(jī)板之外,毫米波原型制作系統(tǒng)需要運(yùn)用最先進(jìn)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(duì)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(jì)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(tuán)隊(duì)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(jì)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)者與通訊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(gè)FPGA的數(shù)據(jù)遷移與處理作業(yè),進(jìn)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(duì)于5G技術(shù)的開發(fā)至關(guān)重要。

  結(jié)論

  目前還不清楚5G技術(shù)未來將如何實(shí)現(xiàn),但可確定毫米波會(huì)是其中一種技術(shù)。為了滿足數(shù)據(jù)傳輸量的需求,必須運(yùn)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(dá)到14Gbps以上的傳輸速率。如今最大的問題就是移動(dòng)通訊要使用哪一種毫米波頻帶。ITU或許能為移動(dòng)應(yīng)用的5G技術(shù)設(shè)定一個(gè)頻率。如果手機(jī)只需使用一組(而非多組)芯片,就能實(shí)現(xiàn)涵蓋全球的通訊范圍,即可為手機(jī)制造商降低開發(fā)成本,并為消費(fèi)者降低使用成本。然而,要重新分配現(xiàn)有頻率的成本很高。

  要找到一個(gè)全球都同意使用的頻帶將會(huì)是個(gè)遠(yuǎn)大的目標(biāo),但最終可能無法達(dá)成。由于時(shí)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(jìn)而讓研究人員能展示這項(xiàng)新技術(shù),并以更快的速度標(biāo)準(zhǔn)化。

  盡管仍有許多未知的問題,但可以確定的是:未來一定會(huì)布署毫米波技術(shù),而且以極快的速度進(jìn)行布署。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(xiàng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式。

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