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發揮導入5G訊號效益 波束成型、毫米波無線電技術成關鍵

5G NR多天線優化仍需克服大量高頻與介質傳輸影響,提升信道品質。UNIVERSITY OF BRISTOL

資通訊產業吵得沸沸揚揚的5G通訊技術,與目前已為主流的Lte通訊技術相較,在傳輸效能、低延遲與同時用戶服務數量,均有大幅度提升效用,但由於通訊技術為基於更寬廣的頻帶應用條件,在訊號品質、雜訊抑制等問題改善,將會是技術實用性表現重點。

對於5G通訊技術可能帶來的高品質訊號傳遞與優質應用體驗,基本上在終端設備通訊服務商與終端用戶等可能獲得的效益是無庸置疑的,但5G通訊技術能發揮綜效的關鍵其實就在通訊品質的優化,這部分牽涉到很多具體的影響,5G通訊技術只是先行建構了高效通訊前提下的技術實現方案。

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5G Massive MIMO天線與3D Beamforming運作示意圖。COMBA

但實際技術落地仍須面對務實面的技術優化調校考量,將原本5G通訊技術能發揮的實驗室傳輸表現用於一般用戶多變化的服務取用情境下,仍可保有接近理論傳輸數據與穩定服務的基本表現,才有機會讓5G通訊技術進一步成為取代現有行動通訊方案的用戶轉換關鍵。

新無線電通訊標準 實作難度高

以3GPP Release 15定義下的5G新無線電New Radio(NR)行動通訊標準,也可簡稱5G NR,會以5G NR來稱呼其實是為了與Lte與UMTS(3G)技術進一步明確區隔技術方案與效益的差異,一般會以Lte來描述4G行動通訊方案;UMTS指稱3G相關技術方案為主,至於5G即為新一代無線電通訊技術標準。

會有這麼大的名稱差距其實核心就在5G NR能帶來的技術進展,只要在相關無線傳輸方案條件配合,可以產出的通訊與服務效能將會帶來無線通訊技術劃時代的進展,而電信服務商或終端產品可衍生的各式服務將不再受時間、空間影響所限制,可以透過無線技術提供難以想像的新穎服務。

若就前一代Lte通訊技術版本相比,5G NR會在傳輸速率、連線密度等各方面變現有大幅優化,但實現高傳輸、低延遲通訊表現必須使5G NR將應用條件鎖定於支援整個UHF低頻帶至100GHz的高頻帶,為了實現高效傳輸勢必在開發階段需面對大量與頻率與相關訊號傳輸與品質相關設計挑戰。

無線訊號的穿透表現 影響5G NR實際效用

先具體拉出幾個5G NR首要面對的技術限制與挑戰,如訊號的穿透表現會因為頻率提升帶來更多的損耗、空氣介面的無線傳輸限制、隨頻率增加也會導致路徑遺失問題(因波長隨頻率而大幅縮短)、無線訊號衍射的損耗也會跟隨傳輸頻率提升而增加,這些問題有些會隨傳輸頻率的差異影響而有所不同,也會因為穿透介質差異而有不同表現,甚至多變化的空氣介質特性都會影響5G NR傳輸方案的實際效用。

如天線跟不同通道的使用差異表現,最直觀的影響多數跟使用頻率相關.搭配5G NR採行的傳輸通道模型,也會因為傳輸條件更嚴苛而使相關驗證與實作難度更高。

5G NR實現關鍵就是需在傳輸過程中支援更多頻段,採行Massive Multi-input Multi-output(MIMO)技術是可以解決5G NR實作需求、並同時兼顧如通道使用彈性與寬頻帶帶來的附加效益,而採行Massive MIMO技術也會使、Multi-User Multiple-Input Multiple-Output(MU MIMO)應用實現具體可行,並在通訊通道的使用效率上進行優化,大幅增加整體通訊系統的資料傳輸速率。

Massive MIMO方案大幅提升

檢視目前3GPP R14版,已可支援最高32組連接埠的Massive MIMO,在3GPP R15版本(5G NR),Massive MIMO連接埠數量已直接自32埠起算,光是預期Massive MIMO能帶來的效益將是數倍於舊有無線通訊方案,但另一個關注角度也是在MIMO設計相關方案的複雜度與驗證難度也將與現行方案高出數倍。

5G NR另一個通訊整合技術難點不僅在多天線多通道帶來的實作挑戰,實際上在波束成型(Beamforming)實作時也會產生更多衍生的技術難點,其實做價值也會直接左右新一代天線的實用性。

在5G NR通訊方案中,可以採行不同的波束成型或通道方案,同時讓多排程用戶在相同的環境範圍內進行傳輸作業,這也是優於前代通訊方案使用效率更為優異的關鍵,但實質的狀況中,除傳輸架構的支援外,其實建構的通道狀態與品質也會影響通道內用戶排程與傳輸品質。

即時分析信道品質 維持最佳化傳輸效果

一般通道內的傳輸狀態Channel State Information會將通道品質指標Channel Quality Indication(CQI)、預先編碼矩陣指標Precoding Matrix Indicators(PMI)、CSI-RS資源指示(CRI)與相關如SLI、RI與L1-RSRP等狀態,透過通道品質指標傳回到系統分析與調整信道狀態。

而透過通道品質指標掌控通道狀態,搭配支援多天線技術方案,達到更複雜與高效率的通道使用條件,即便運作機制與複雜度高,但能帶來通道品質與傳輸效能飛越性地成長,甚至優化整個信道的最大延遲問題顯著減少,改善舊有技術的通訊延遲問題。

高頻寬零組件 成為5G NR落地關鍵

5G NR通訊方案除天線與信道品質掌握難度大幅提升外,其實面對5G網路商轉與實地測試,高頻寬應用下其實毫米波無線電應用的實作也是一大技術挑戰,在實作應用中,傳輸系統必須能以將位元數據轉換成毫米波訊號,經由傳輸路徑發射與接收後,將無線訊號中的位元格式重新原封不動取回,整個過程的難度會較舊有技術的門檻高更多,為了達到此目的,因此才有更高階的調變/解調技術方案釋出,如目前64QAM高階調變方案,甚或未來更進階的256 QAM方案,來滿足新一代5G NR通訊方案的調變需求。

5G NR的另一挑戰是頻寬,在系統中5G毫米波無線電元件,勢必需要面對處理高達1GHz訊號頻寬,未來也可能有更高頻寬的處理需求,完全看應用服務實際頻譜需要配置的情境狀態決定,若部署的頻段不同,技術難度就有天差地別的差異。即便是如此,新一代的資料轉換器的多以能支援高頻率環境下運作需求,以一組高效能16位元DAC來看,支援10 GSPS以上的取樣率已能應付設計需求。

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