本文作者

陳文江：工研院資通所新興無線應(yīng)用技術(shù)組副組長、M300部門經(jīng)理，臺(tái)灣經(jīng)濟(jì)部技術(shù)處5G科研計(jì)劃“高頻段接入技術(shù)”計(jì)劃的主持人。

摘要：隨著各種移動(dòng)多媒體影音應(yīng)用在手機(jī)平臺(tái)越來越普及，手機(jī)用戶對(duì)于頻寬與傳輸速率的需求也越來越大。為滿足METIS所勾勒2020年的使用情境，就最高峰值傳輸速率而言，必須是目前傳輸速率的10到100倍；移動(dòng)數(shù)據(jù)容量則必須是2010年的1000倍。要達(dá)到METIS所定義的最高峰值傳輸速率與1000倍移動(dòng)數(shù)據(jù)容量的需求，目前3GPP與全世界許多通信大廠正針對(duì)下世代第五代移動(dòng)通信（5G）新波形、新調(diào)變技術(shù)、新編譯碼技術(shù)、新多工進(jìn)接技術(shù)等重要無線接取技術(shù)積極提案與討論。

預(yù)計(jì)在2017年底前完成各項(xiàng)新型無線接入技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的提案討論，并預(yù)計(jì)在2018年年中完成phase-1涵蓋至30或40 GHz毫米波頻段；2019年年底完成phase-2涵蓋至100 GHz毫米波頻段之第五代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)的制定。

一、前言

隨著各種移動(dòng)多媒體影音應(yīng)用在手機(jī)平臺(tái)的普及，手機(jī)用戶對(duì)于頻寬的需求也越來越大。目前全世界許多國家，包括政府與通信大廠，都已針對(duì)下世代第五代移動(dòng)通信的相關(guān)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)積極投入。原本預(yù)計(jì)在2018年年中完成phase-1標(biāo)準(zhǔn)制定，2019年年底前完成phase-2標(biāo)準(zhǔn)的制定，并在2020年商用推廣的時(shí)程也有往前提早的趨勢(shì)。目前3GPP已針對(duì)第五代移動(dòng)通信（5G）的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行“研究項(xiàng)目”階段緊鑼密鼓的討論，預(yù)計(jì)在2017年底前可望完成“工作項(xiàng)目”的階段，產(chǎn)出phase-0的標(biāo)準(zhǔn)。

為滿足METIS所勾勒2020年的使用情境，就最高峰值傳輸速率而言，必須是目前傳輸速率的10 到100 倍；移動(dòng)數(shù)據(jù)容量則必須是2010年的1000倍（如圖1所示）。要達(dá)到METIS所定義的最高峰值傳輸速率與1000倍移動(dòng)數(shù)據(jù)容量的需求，有如圖2所示的幾種主要技術(shù)：增加頻寬、更先進(jìn)的調(diào)變/編譯碼技術(shù)、更先進(jìn)的多工進(jìn)接技術(shù)或是使用巨量天線以實(shí)現(xiàn)多重輸入與多重輸出MIMO的技術(shù)，來提升頻譜效率。

圖1、METIS 5G Technical Objectives

圖2、Spectral Efficiency Enhancement

其中，3GPP與全世界各主要通信大廠已針對(duì)使用毫米波頻段來增加可用頻寬，直接提升傳輸速率與數(shù)據(jù)容量達(dá)成共識(shí)，世界各主要通信大廠并且已經(jīng)完成了幾個(gè)主要毫米波通信頻段的初步量測，并在2016年年初公布了有關(guān)毫米波通道模型的技術(shù)報(bào)告：TR38.900。ITU-R在2015年10月的WRC-15會(huì)議中并已公布了第五代移動(dòng)通信（5G）毫米波的候選頻段（如圖3所示），涵蓋從24.25 GHz到86 GHz的八個(gè)頻段。美國FCC更搶先在2016年7月公布了27.5~28.35 GHz、37~38.6 GHz、38.6 GHz~ 40 GHz、64~71 GHz等四個(gè)將近11GHz頻寬的毫米波頻段（如圖4所示），以加速美國通信廠商在第五代移動(dòng)通信（5G）毫米波通信系統(tǒng)的開發(fā)與布建。

圖3、ITU-R IMT Candidate Spectrum and U.S.A. FCC 5G mm-Wave Spectrum

圖4、3GPP 5G Standardization Time Line

第三章則針對(duì)各個(gè)新編碼候選技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的解說；第四章則是針對(duì)各個(gè)新多重接取候選技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的解說；第五章則是就毫米波在新無線接入技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定現(xiàn)況進(jìn)行總結(jié)。

二、3GPP的5G毫米波新波形標(biāo)準(zhǔn)的制定現(xiàn)狀

毫米波頻段指的是波長小于1毫米的頻段，也就是大于30 GHz以上的頻段。目前許多大廠所力推的28 GHz，嚴(yán)格來說并不屬于毫米波頻段，不過由28 GHz很接近30 GHz，許多通信方面的特性很接近，因此也廣義地被認(rèn)知為毫米波頻段。

第四代移動(dòng)通信（4G）標(biāo)準(zhǔn)即已采用正交頻分多工技術(shù)OFDM相關(guān)波形與QPSK/16-QAM/64-QAM等調(diào)變技術(shù)。多重接取技術(shù)方面，則是在下行部分采用正交頻分多重接取技術(shù)OFDMA；在上行部分則是采用單載波頻分多重接取技術(shù)SC-FDMA。正交頻分多工技術(shù)OFDM相關(guān)波形最大的缺點(diǎn)是頻外OOB頻譜響應(yīng)不夠低，因此操作頻帶與頻帶之間必須留有間隔來降低頻帶間的干擾，也因此降低了頻譜使用效率（如圖5所示）。

圖5、Frequency spectrum of an OFDM signal

此一狀況在發(fā)射功率倒回不夠多時(shí)，會(huì)遭遇功率放大器PA因?yàn)榉蔷€性特性所引致頻譜再生效應(yīng)，使得這部分對(duì)頻譜效率的影響更是雪上加霜。

因?yàn)檎活l分多工技術(shù)OFDM相關(guān)波形，在同時(shí)考慮頻譜效率與實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度這兩方面的性能表現(xiàn)到目前為止仍是最佳的選擇，因此3GPP與世界各通信大廠針對(duì)新的波形與新的調(diào)變技術(shù)目前已達(dá)成的共識(shí)仍是以正交頻分多工技術(shù)OFDM為基本波形，再針對(duì)前文所提到的頻外OOB頻譜響應(yīng)不夠低的問題做變形與改善。

如圖6所列即是目前有關(guān)第五代移動(dòng)通信（5G）新波形的相關(guān)提案，從圖六搭配上方的方塊即可很容易看出都仍是以快速傅立葉轉(zhuǎn)換/反向快速傅立葉變換（FFT/IFFT）為基礎(chǔ)，只是在頻域或時(shí)域再加上濾波器或是窗函數(shù)以針對(duì)頻外OOB頻譜響應(yīng)作變形與改善。

圖6、3GPP 5G New Waveform Candidates

表1有關(guān)各種OFDM-based第五代移動(dòng)通信（5G）新波形的比較，主要還是從頻譜效率與實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度這兩方面做考量。有些新波形像UFMC或是FBMC雖然在頻外OOB頻譜響應(yīng)的性能表現(xiàn)很好但是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度很高。畢竟實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度關(guān)系到未來手機(jī)芯片的實(shí)現(xiàn)成本也是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在討論與制訂過程中必須考慮的重要因素之一。

表1、Comparison of OFDM-based 5G New Waveform Candidates

三、3GPP 5G毫米波新興編碼標(biāo)準(zhǔn)的制定現(xiàn)狀

目前第四代移動(dòng)通信（4G）標(biāo)準(zhǔn)所使用的編碼技術(shù)是Turbo Code，目前在第五代移動(dòng)通信（5G）標(biāo)準(zhǔn)所討論的新編碼技術(shù)有如表2所示的幾種新編碼技術(shù)與各自支持的國際通信大廠。

表2、List of 5G New Coding Candidates

有關(guān)第五代移動(dòng)通信（5G）新編碼技術(shù)的討論，主要是考慮以下幾個(gè)重要性能表現(xiàn)：錯(cuò)誤更正性能、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度、編譯碼的時(shí)間、實(shí)現(xiàn)彈性。

目前仍是如第四代移動(dòng)通信（4G）標(biāo)準(zhǔn)制定過程一樣，以Turbo code與低密度奇偶檢查碼LDPC這兩種編碼技術(shù)的呼聲最高，特別是到了第五代移動(dòng)通信（5G）在峰值傳輸速率的要求高達(dá)10Gbps到20Gbps，對(duì)于平行處理在運(yùn)算速度的優(yōu)勢(shì)更加重要，也使得低密度奇偶檢查碼LDPC的支持呼聲很高，獲得最多國際通信大廠的支持。

四、3GPP 5G毫米波新多重接入標(biāo)準(zhǔn)的制定現(xiàn)狀

目前在第五代移動(dòng)通信（5G）標(biāo)準(zhǔn)所討論的新多重接取技術(shù)有如表3所示的幾種新多重接取技術(shù)，及與現(xiàn)在在第四代移動(dòng)通信（4G）標(biāo)準(zhǔn)中所使用多重接取技術(shù)，其優(yōu)缺點(diǎn)的比較。

表3、Comparison of 5G New Multiple Access Technology Candidates

多重接取技術(shù)除了主要在比較其頻譜效率：平均每赫茲（Hz）可以傳幾個(gè)位元（bit），實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度與峰值相對(duì)于平均之功率比率PAPR也是很重要的考量因素。特別是峰值相對(duì)于平均之功率比率PAPR，原本在第四代移動(dòng)通信（4G）標(biāo)準(zhǔn)所使用正交頻分多重接取技術(shù)OFDMA最大的缺點(diǎn)就是有很大的峰值相對(duì)于平均之功率比率PAPR，在搭配高階調(diào)變技術(shù)64-QAM時(shí)，需要在發(fā)射功率上從功率放大器的1dB功率增益壓縮點(diǎn)倒回約10dB才能達(dá)到滿意的解調(diào)變性能，這使得功率放大器的功率附加效率PAE變得很差。這個(gè)問題在毫米波高頻頻段更加嚴(yán)重。

以38GHz頻段為例原本功率放大器在1dB功率增益壓縮點(diǎn)的功率附加效率PAE約為18%，但倒回10dB之后功率附加效率PAE就只剩下2~3%，這意味著直流功率只有2~3%轉(zhuǎn)換成傳送信號(hào)功率，其余97%~98%的直流功率則是轉(zhuǎn)換成熱能散逸，造成很嚴(yán)重的散熱問題。另一個(gè)使這個(gè)問題更加雪上加霜的因素則是，因?yàn)橐朔撩撞ㄔ趹敉飧哳l通信很大的路徑損失與傳輸耗損，必須使用相位陣列天線，整合多個(gè)功率放大器與天線，以陣列增益來補(bǔ)償路徑損失傳輸耗損，個(gè)數(shù)甚至可能高達(dá)256個(gè)！

以工研院目前在38GHz的5G毫米波驗(yàn)證平臺(tái)的設(shè)計(jì)，基站端射頻前端的相位陣列天線是由64個(gè)天線單元所組成（如圖7所示），根據(jù)熱模擬的結(jié)果，將產(chǎn)生近600瓦的熱（如圖8所示），因而導(dǎo)致高達(dá)將近200度的高溫（如圖9所示）。這也是在第五代移動(dòng)通信（5G）使用毫米波高頻傳輸最急需克服的技術(shù)挑戰(zhàn)議題之一。

圖7、8x8 64-Antenna element Phased Antenna Array of ITRI 38GHz 5G mm-wave HW/SW Platform

圖8、Heat Dissipation issue in ITRI 38GHz 5G mm-wave HW/SW Platform

圖9、Heat Dissipation Simulation Result of ITRI 38GHz 5G mm-wave HW/SW Platform

另外，除了傳統(tǒng)從時(shí)域作切分的時(shí)分多重進(jìn)接技術(shù)TDMA、從頻域作切分的頻分多重進(jìn)接技術(shù)FDMA與同時(shí)從時(shí)域和頻域作切分的正交頻分多重進(jìn)接技術(shù)OFDMA，目前全世界各通信大廠也提出許多不同的多重進(jìn)接技術(shù)，5G微信公眾平臺(tái)（ID：angmobile）了解到，陳組長進(jìn)一步指出，例如，與正交頻分多工技術(shù)OFDM需要各次載波維持正交特性有所不同的非正交多重存取技術(shù)，像日本NTT-DoCoMo提出的非正交多重存取技術(shù)NOMA、高通提出的資源擴(kuò)展型多重進(jìn)接RSMA技術(shù)、華為提出的稀疏分碼多重進(jìn)接SCMA，中興提出的多用戶分享進(jìn)接技術(shù)MUSA等，仍持續(xù)就頻譜效率、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度與峰值相對(duì)于平均之功率比率PAPR等重要因素作討論與比較。

五、結(jié)論

隨著各種移動(dòng)影音多媒體應(yīng)用在手機(jī)平臺(tái)越來越普及，手機(jī)用戶對(duì)于頻寬與傳輸速率的需求也越來越大。為滿足METIS所勾勒2020年的使用情境，就最高峰值傳輸速率而言，必須是目前傳輸速率的10到100倍；移動(dòng)數(shù)據(jù)容量則必須是2010年的1000倍（如圖1所示）。

要達(dá)到METIS所定義的最高峰值傳輸速率與1000倍移動(dòng)數(shù)據(jù)容量的需求，目前3GPP與全世界許多通信大廠正針對(duì)下世代第五代移動(dòng)通信（5G）新波形、新調(diào)變技術(shù)、新編譯碼技術(shù)、新多工進(jìn)接技術(shù)等重要技術(shù)積極提案與討論。

預(yù)計(jì)在2017年底前可望完成“工作項(xiàng)目”的階段，完成各項(xiàng)新無線接取技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的提案討論（如圖4所示），產(chǎn)出phase-0的標(biāo)準(zhǔn)，并預(yù)計(jì)在2018年年中完成phase-1涵蓋至30或40 GHz毫米波頻段；2019年年底完成phase-2涵蓋至100GHz毫米波頻段之第五代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)的制定。