本文作者

陳文江：工研院資通所新興無線應用技術組副組長、M300部門經理，臺灣經濟部技術處5G科研計劃“高頻段接入技術”計劃的主持人。

摘要：隨著各種移動多媒體影音應用在手機平臺越來越普及，手機用戶對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；移動數據容量則必須是2010年的1000倍。要達到METIS所定義的最高峰值傳輸速率與1000倍移動數據容量的需求，目前3GPP與全世界許多通信大廠正針對下世代第五代移動通信（5G）新波形、新調變技術、新編譯碼技術、新多工進接技術等重要無線接取技術積極提案與討論。

預計在2017年底前完成各項新型無線接入技術標準的提案討論，并預計在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通信標準的制定。

一、前言

隨著各種移動多媒體影音應用在手機平臺的普及，手機用戶對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，都已針對下世代第五代移動通信的相關技術與標準積極投入。原本預計在2018年年中完成phase-1標準制定，2019年年底前完成phase-2標準的制定，并在2020年商用推廣的時程也有往前提早的趨勢。目前3GPP已針對第五代移動通信（5G）的標準進行“研究項目”階段緊鑼密鼓的討論，預計在2017年底前可望完成“工作項目”的階段，產出phase-0的標準。

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；移動數據容量則必須是2010年的1000倍（如圖1所示）。要達到METIS所定義的最高峰值傳輸速率與1000倍移動數據容量的需求，有如圖2所示的幾種主要技術：增加頻寬、更先進的調變/編譯碼技術、更先進的多工進接技術或是使用巨量天線以實現多重輸入與多重輸出MIMO的技術，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使用毫米波頻段來增加可用頻寬，直接提升傳輸速率與數據容量達成共識，世界各主要通信大廠并且已經完成了幾個主要毫米波通信頻段的初步量測，并在2016年年初公布了有關毫米波通道模型的技術報告：TR38.900。ITU-R在2015年10月的WRC-15會議中并已公布了第五代移動通信（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通信（5G）毫米波通信系統的開發與布建。

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

圖4、3GPP 5G Standardization Time Line

第三章則針對各個新編碼候選技術進行詳細的解說；第四章則是針對各個新多重接取候選技術進行詳細的解說；第五章則是就毫米波在新無線接入技術標準的制定現況進行總結。

二、3GPP的5G毫米波新波形標準的制定現狀

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，因此也廣義地被認知為毫米波頻段。

第四代移動通信（4G）標準即已采用正交頻分多工技術OFDM相關波形與QPSK/16-QAM/64-QAM等調變技術。多重接取技術方面，則是在下行部分采用正交頻分多重接取技術OFDMA；在上行部分則是采用單載波頻分多重接取技術SC-FDMA。正交頻分多工技術OFDM相關波形最大的缺點是頻外OOB頻譜響應不夠低，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

此一狀況在發射功率倒回不夠多時，會遭遇功率放大器PA因為非線性特性所引致頻譜再生效應，使得這部分對頻譜效率的影響更是雪上加霜。

因為正交頻分多工技術OFDM相關波形，在同時考慮頻譜效率與實現復雜度這兩方面的性能表現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新的波形與新的調變技術目前已達成的共識仍是以正交頻分多工技術OFDM為基本波形，再針對前文所提到的頻外OOB頻譜響應不夠低的問題做變形與改善。

如圖6所列即是目前有關第五代移動通信（5G）新波形的相關提案，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換/反向快速傅立葉變換（FFT/IFFT）為基礎，只是在頻域或時域再加上濾波器或是窗函數以針對頻外OOB頻譜響應作變形與改善。

圖6、3GPP 5G New Waveform Candidates

表1有關各種OFDM-based第五代移動通信（5G）新波形的比較，主要還是從頻譜效率與實現復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頻譜響應的性能表現很好但是實現復雜度很高。畢竟實現復雜度關系到未來手機芯片的實現成本也是一個標準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毫米波新興編碼標準的制定現狀

目前第四代移動通信（4G）標準所使用的編碼技術是Turbo Code，目前在第五代移動通信（5G）標準所討論的新編碼技術有如表2所示的幾種新編碼技術與各自支持的國際通信大廠。

表2、List of 5G New Coding Candidates

有關第五代移動通信（5G）新編碼技術的討論，主要是考慮以下幾個重要性能表現：錯誤更正性能、實現復雜度、編譯碼的時間、實現彈性。

目前仍是如第四代移動通信（4G）標準制定過程一樣，以Turbo code與低密度奇偶檢查碼LDPC這兩種編碼技術的呼聲最高，特別是到了第五代移動通信（5G）在峰值傳輸速率的要求高達10Gbps到20Gbps，對于平行處理在運算速度的優勢更加重要，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準的制定現狀

目前在第五代移動通信（5G）標準所討論的新多重接取技術有如表3所示的幾種新多重接取技術，及與現在在第四代移動通信（4G）標準中所使用多重接取技術，其優缺點的比較。

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

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

以38GHz頻段為例原本功率放大器在1dB功率增益壓縮點的功率附加效率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%轉換成傳送信號功率，其余97%~98%的直流功率則是轉換成熱能散逸，造成很嚴重的散熱問題。另一個使這個問題更加雪上加霜的因素則是，因為要克服毫米波在戶外高頻通信很大的路徑損失與傳輸耗損，必須使用相位陣列天線，整合多個功率放大器與天線，以陣列增益來補償路徑損失傳輸耗損，個數甚至可能高達256個！

以工研院目前在38GHz的5G毫米波驗證平臺的設計，基站端射頻前端的相位陣列天線是由64個天線單元所組成（如圖7所示），根據熱模擬的結果，將產生近600瓦的熱（如圖8所示），因而導致高達將近200度的高溫（如圖9所示）。這也是在第五代移動通信（5G）使用毫米波高頻傳輸最急需克服的技術挑戰議題之一。

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，除了傳統從時域作切分的時分多重進接技術TDMA、從頻域作切分的頻分多重進接技術FDMA與同時從時域和頻域作切分的正交頻分多重進接技術OFDMA，目前全世界各通信大廠也提出許多不同的多重進接技術，5G微信公眾平臺（ID：angmobile）了解到，陳組長進一步指出，例如，與正交頻分多工技術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，像日本NTT-DoCoMo提出的非正交多重存取技術NOMA、高通提出的資源擴展型多重進接RSMA技術、華為提出的稀疏分碼多重進接SCMA，中興提出的多用戶分享進接技術MUSA等，仍持續就頻譜效率、實現復雜度與峰值相對于平均之功率比率PAPR等重要因素作討論與比較。

五、結論

隨著各種移動影音多媒體應用在手機平臺越來越普及，手機用戶對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；移動數據容量則必須是2010年的1000倍（如圖1所示）。

要達到METIS所定義的最高峰值傳輸速率與1000倍移動數據容量的需求，目前3GPP與全世界許多通信大廠正針對下世代第五代移動通信（5G）新波形、新調變技術、新編譯碼技術、新多工進接技術等重要技術積極提案與討論。

預計在2017年底前可望完成“工作項目”的階段，完成各項新無線接取技術標準的提案討論（如圖4所示），產出phase-0的標準，并預計在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通信標準的制定。