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5G展現萬物相聯願景 掌握多天線技術是關鍵

  • DIGITIMES企劃

中山大學電機系講座教授翁金輅。

長期投入手機多天線研究的國立中山大學電機系講座教授翁金輅受邀主講「5G行動通訊願景與5G/6G天線技術發展趨勢」,他的論文領先全球發展出可運用於5G手機的8天線與12天線設計,並透過量測系統進行實測,引起全球學術與產業界高度矚目。

他的簡報重視用於小型物聯網裝置與小型基地台天線的發展,當中涵蓋天線技術與天線系統的測試。5G核心技術就是MIMO與波束成形(Beamforming),再者,5G行動通訊願景展現於萬物相聯的使用情境,而且隨時隨地都能達到1 Gbps以上的傳輸速率,目前增加傳輸效率技術可分成兩種,也就是Sub-6GHz頻段使用多維度MIMO天線系統,或是毫米波頻段的高增益陣列天線系統。

多維度MIMO天線系統需要空間多通道通訊技術,事實上目前手機仍要保留3G、4G天線,再加上5G天線上去,天線數量相當可觀,但是手機空間有限,讓5G手機的挑戰愈來愈大。傳統理論認為,兩個天線需間距0.5波長,才能明顯降低干擾,但是他的研究發現兩個天線可以沒有間距,亦即直接連接,仍可以讓MIMO天線系統成功運作,這讓小型化的裝置與5G手機要安裝多個天線成為可能,現在4天線、8天線與12天線的成功研究,代表著5G及未來6G的MIMO多天線通訊系統正式登場。

為達5倍以上頻譜效率,5G手機多天線設計是要角

另外,關於MIMO多天線的發展,在4G/LTE世代已經完成2x2 MIMO操作的天線搭配設計,5G世代隨即使用4x4 MIMO操作,及未來可能的8x8 MIMO操作,2016年3月中山大學團隊展示手機8天線MIMO (8x4 MIMO)測試平台的測試,並在同年7月展示12x8 MIMO的測試,在256QAM調變與100MHz頻寬下,資料吞吐量的實測結果約為3.9 Gbit/s,頻譜效率約為39 bps/Hz。這些實驗結果也顯示,6GHz以下的多維度MIMO天線系統應用於手機端確實有助於提高頻譜效率,並大幅提升資料的傳輸速度,且在使用者無論手握或身體阻擋時,傳輸速度也皆能維持多個Gbit/s等級的表現,這將是很有潛力達成5G及未來通訊系統發展指標的技術。

對於手機上最多可以有多少個通道的測試,則在2017年展示了12與14通道的MIMO傳輸,其中8月時使用16x12 MIMO測試,頻譜效率50.2 bps/Hz;12月再驗證20x14 MIMO,頻譜效率59.2 bps/Hz,顯示通道數愈多頻譜效率同步增加,測試的結果都可以順利達成,這也再次說明手機MIMO多天線的設計與運用確實可行。

頻譜選擇是行動通訊技術發展的關鍵

對比於Sub-6GHz頻段,毫米波頻段的波長短,使得能量在自由空間中的衰減速度明顯變快,且在使用者手握裝置的時候,訊號很容易因接收不良而斷訊,這些物理限制是當前各方高手努力克服的一大挑戰。

相較於毫米波頻段,目前中山大學團隊的相關研究已驗證6GHz以下的多MIMO天線系統的實際可行性,所以Sub-6GHz頻段的使用成為重要商用戰場,從美國FCC於2020年2月決定拍賣3.70~3.98 GHz之間共280 MHz釋出頻段,可見一斑。目前由中山大學自行開發的多天線多維度MIMO天線系統涵蓋Sub-6GHz之5G相關頻帶,同時也涵蓋未來可能的6GHz頻帶,全球預計在2023年舉行的WRC-23世界無線電通信會議,可能通過在5G+或是下一代6G的中頻(Mid-Band)將會提升到6.425~7.125 GHz頻道上部署,可以預測屆時8x8 MIMO系統會是盛行的主流設計,當然下一階段Wi-Fi 6E設備使用6 GHz頻段的進展也一樣具備重要的商機。

由於新世代手機大量使用包括金屬邊框與輕薄小巧的設計,限縮天線的設計空間,未來利用手機的背蓋來設計超薄型平面MIMO多天線會是值得探討與推廣的設計;同時,家裡的小型基站也看到使用平面天線的機會,使用2-in-1(雙天線合一),甚至是4-in-1(四天線合一)天線架構的發展已經開始浮上檯面,未來MIMO天線技術的改變會因應這些不同的挑戰,呈現更令人目不暇給的發展,請拭目以待。