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5G展现万物相联愿景 掌握多天线技术是关键

2020/10/29 - DIGITIMES企划

长期投入手机多天线研究的国立中山大学电机系讲座教授翁金辂受邀主讲「5G移动通信愿景与5G/6G天线技术发展趋势」,他的论文领先全球发展出可运用于5G手机的8天线与12天线设计,并透过量测系统进行实测,引起全球学术与产业界高度瞩目。

他的简报重视用于小型物联网装置与小型基地台天线的发展,当中涵盖天线技术与天线系统的测试。5G核心技术就是MIMO与波束成形(Beamforming),再者,5G移动通信愿景展现于万物相联的使用情境,而且随时随地都能达到1 Gbps以上的传输速率,目前增加传输效率技术可分成两种,也就是Sub-6GHz频段使用多维度MIMO天线系统,或是毫米波频段的高增益阵列天线系统。

多维度MIMO天线系统需要空间多通道通讯技术,事实上目前手机仍要保留3G、4G天线,再加上5G天在线去,天线数量相当可观,但是手机空间有限,让5G手机的挑战愈来愈大。传统理论认为,两个天线需间距0.5波长,才能明显降低干扰,但是他的研究发现两个天线可以没有间距,亦即直接连接,仍可以让MIMO天线系统成功运行,这让小型化的装置与5G手机要安装多个天线成为可能,现在4天线、8天线与12天线的成功研究,代表著5G及未来6G的MIMO多天线通讯系统正式登场。

为达5倍以上频谱效率,5G手机多天线设计是要角

另外,关于MIMO多天线的发展,在4G/LTE世代已经完成2x2 MIMO操作的天线搭配设计,5G世代随即使用4x4 MIMO操作,及未来可能的8x8 MIMO操作,2016年3月中山大学团队展示手机8天线MIMO (8x4 MIMO)测试平台的测试,并在同年7月展示12x8 MIMO的测试,在256QAM调变与100MHz带宽下,资料吞吐量的实测结果约为3.9 Gbit/s,频谱效率约为39 bps/Hz。这些实验结果也显示,6GHz以下的多维度MIMO天线系统应用于手机端确实有助于提高频谱效率,并大幅提升资料的传输速度,且在使用者无论手握或身体阻挡时,传输速度也皆能维持多个Gbit/s等级的表现,这将是很有潜力达成5G及未来通讯系统发展指标的技术。

对于手机上最多可以有多少个通道的测试,则在2017年展示了12与14通道的MIMO传输,其中8月时使用16x12 MIMO测试,频谱效率50.2 bps/Hz;12月再验证20x14 MIMO,频谱效率59.2 bps/Hz,显示通道数愈多频谱效率同步增加,测试的结果都可以顺利达成,这也再次说明手机MIMO多天线的设计与运用确实可行。

频谱选择是移动通信技术发展的关键

对比于Sub-6GHz频段,毫米波频段的波长短,使得能量在自由空间中的衰减速度明显变快,且在使用者手握装置的时候,讯号很容易因接收不良而断讯,这些物理限制是当前各方高手努力克服的一大挑战。

相较于毫米波频段,目前中山大学团队的相关研究已验证6GHz以下的多MIMO天线系统的实际可行性,所以Sub-6GHz频段的使用成为重要商用战场,从美国FCC于2020年2月决定拍卖3.70~3.98 GHz之间共280 MHz释出频段,可见一斑。目前由中山大学自行开发的多天线多维度MIMO天线系统涵盖Sub-6GHz之5G相关频带,同时也涵盖未来可能的6GHz频带,全球预计在2023年举行的WRC-23世界无线电通信会议,可能通过在5G+或是下一代6G的中频(Mid-Band)将会提升到6.425~7.125 GHz频道上部署,可以预测届时8x8 MIMO系统会是盛行的主流设计,当然下一阶段Wi-Fi 6E设备使用6 GHz频段的进展也一样具备重要的商机。

由于新世代手机大量使用包括金属边框与轻薄小巧的设计,限缩天线的设计空间,未来利用手机的背盖来设计超薄型平面MIMO多天线会是值得探讨与推广的设计;同时,家里的小型基站也看到使用平面天线的机会,使用2-in-1(双天线合一),甚至是4-in-1(四天线合一)天线架构的发展已经开始浮上台面,未来MIMO天线技术的改变会因应这些不同的挑战,呈现更令人目不暇给的发展,请拭目以待。


图说:中山大学电机系讲座教授翁金辂。