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发挥导入5G讯号效益 波束成型、毫米波无线电技术成关键

5G NR多天线优化仍需克服大量高频与介质传输影响,提升信道质量。UNIVERSITY OF BRISTOL

资通讯产业吵得沸沸扬扬的5G通讯技术,与目前已为主流的Lte通讯技术相较,在传输效能、低延迟与同时用户服务数量,均有大幅度提升效用,但由于通讯技术为基于更宽广的频带应用条件,在讯号质量、杂讯抑制等问题改善,将会是技术实用性表现重点。

对于5G通讯技术可能带来的高质量讯号传递与优质应用体验,基本上在终端设备通讯服务商与终端用户等可能获得的效益是无庸置疑的,但5G通讯技术能发挥综效的关键其实就在通讯质量的优化,这部分牵涉到很多具体的影响,5G通讯技术只是先行建构了高效通讯前提下的技术实现方案。

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5G Massive MIMO天线与3D Beamforming运行示意图。COMBA

但实际技术落地仍须面对务实面的技术优化调校考量,将原本5G通讯技术能发挥的实验室传输表现用于一般用户多变化的服务取用情境下,仍可保有接近理论传输数据与稳定服务的基本表现,才有机会让5G通讯技术进一步成为取代现有移动通信方案的用户转换关键。

新无线电通讯标准 实作难度高

以3GPP Release 15定义下的5G新无线电New Radio(NR)移动通信标准,也可简称5G NR,会以5G NR来称呼其实是为了与Lte与UMTS(3G)技术进一步明确区隔技术方案与效益的差异,一般会以Lte来描述4G移动通信方案;UMTS指称3G相关技术方案为主,至于5G即为新一代无线电通讯技术标准。

会有这么大的名称差距其实核心就在5G NR能带来的技术进展,只要在相关无线传输方案条件配合,可以产出的通讯与服务效能将会带来无线通讯技术划时代的进展,而电信服务商或终端产品可衍生的各式服务将不再受时间、空间影响所限制,可以透过无线技术提供难以想象的新颖服务。

若就前一代Lte通讯技术版本相比,5G NR会在传输速率、联机密度等各方面变现有大幅优化,但实现高传输、低延迟通讯表现必须使5G NR将应用条件锁定于支持整个UHF低频带至100GHz的高频带,为了实现高效传输势必在开发阶段需面对大量与频率与相关讯号传输与质量相关设计挑战。

无线讯号的穿透表现 影响5G NR实际效用

先具体拉出几个5G NR首要面对的技术限制与挑战,如讯号的穿透表现会因为频率提升带来更多的损耗、空气接口的无线传输限制、随频率增加也会导致路径遗失问题(因波长随频率而大幅缩短)、无线讯号衍射的损耗也会跟随传输频率提升而增加,这些问题有些会随传输频率的差异影响而有所不同,也会因为穿透介质差异而有不同表现,甚至多变化的空气介质特性都会影响5G NR传输方案的实际效用。

如天线跟不同通道的使用差异表现,最直观的影响多数跟使用频率相关.搭配5G NR采行的传输通道模型,也会因为传输条件更严苛而使相关验证与实作难度更高。

5G NR实现关键就是需在传输过程中支持更多频段,采行Massive Multi-input Multi-output(MIMO)技术是可以解决5G NR实作需求、并同时兼顾如通道使用弹性与宽频带带来的附加效益,而采行Massive MIMO技术也会使、Multi-User Multiple-Input Multiple-Output(MU MIMO)应用实现具体可行,并在通讯通道的使用效率上进行优化,大幅增加整体通讯系统的资料传输速率。

Massive MIMO方案大幅提升

检视目前3GPP R14版,已可支持最高32组连接埠的Massive MIMO,在3GPP R15版本(5G NR),Massive MIMO连接埠数量已直接自32埠起算,光是预期Massive MIMO能带来的效益将是数倍于旧有无线通讯方案,但另一个关注角度也是在MIMO设计相关方案的复杂度与验证难度也将与现行方案高出数倍。

5G NR另一个通讯集成技术难点不仅在多天线多通道带来的实作挑战,实际上在波束成型(Beamforming)实作时也会产生更多衍生的技术难点,其实做价值也会直接左右新一代天线的实用性。

在5G NR通讯方案中,可以采行不同的波束成型或通道方案,同时让多排程用户在相同的环境范围内进行传输作业,这也是优于前代通讯方案使用效率更为优异的关键,但实质的状况中,除传输架构的支持外,其实建构的通道状态与质量也会影响通道内用户排程与传输质量。

实时分析信道质量 维持最佳化传输效果

一般通道内的传输状态Channel State Information会将通道质量指标Channel Quality Indication(CQI)、预先编码矩阵指标Precoding Matrix Indicators(PMI)、CSI-RS资源指示(CRI)与相关如SLI、RI与L1-RSRP等状态,透过通道质量指标传回到系统分析与调整信道状态。

而透过通道质量指标掌控通道状态,搭配支持多天线技术方案,达到更复杂与高效率的通道使用条件,即便运行机制与复杂度高,但能带来通道质量与传输效能飞越性地成长,甚至优化整个信道的最大延迟问题显著减少,改善旧有技术的通讯延迟问题。

高带宽零组件 成为5G NR落地关键

5G NR通讯方案除天线与信道质量掌握难度大幅提升外,其实面对5G网络商转与实地测试,高带宽应用下其实毫米波无线电应用的实作也是一大技术挑战,在实作应用中,传输系统必须能以将位元数据转换成毫米波讯号,经由传输路径发射与接收后,将无线讯号中的位元格式重新原封不动取回,整个过程的难度会较旧有技术的门槛高更多,为了达到此目的,因此才有更高阶的调变/解调技术方案释出,如目前64QAM高阶调变方案,甚或未来更进阶的256 QAM方案,来满足新一代5G NR通讯方案的调变需求。

5G NR的另一挑战是带宽,在系统中5G毫米波无线电元件,势必需要面对处理高达1GHz讯号带宽,未来也可能有更高带宽的处理需求,完全看应用服务实际频谱需要配置的情境状态决定,若部署的频段不同,技术难度就有天差地别的差异。即便是如此,新一代的资料转换器的多以能支持高频率环境下运行需求,以一组高效能16位元DAC来看,支持10 GSPS以上的取样率已能应付设计需求。

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