然而,請注意28GHz頻帶并不在ITU的全球可用頻率列表上,因此仍無法確定此頻帶是否能成為5G毫米波應用的長期頻率。但基于此頻譜在美國、韓國與日本的可用性,以及美國電信業者早期現場測試的投入,28GHz無論是否成為國際標準,都可能直接成為美國的移動技術應用。韓國于2018年奧運展示5G技術的目標,也可能在標準組織確定5G標準之前,率先推動28GHz技術用于消費型產品上。另一方面,由于此頻率不在國際移動通訊(IMT)頻譜列表上,也已引起FCC委員的注意。
美國FCC委員Jessica Rosenworcel于2016年2月在華盛頓的一場演講中提到:“當我們把眼光放遠,就會發現有些地方是美國必須獨自前往的。其中包含了28GHz頻帶……只不過,去年在日內瓦舉辦的世界無線電會議(WRC)上并沒有把這個頻帶納入討論,也未將它列在5G頻譜研究列表中。然而,由于這個頻帶可分配至全球的移動應用,所以我認為美國應該繼續探索這個新頻譜。南韓與日本都已經著手測試這個頻帶,我們現在也不能停下腳步。我們必須獨自向前,并在年底前完成適用于28GHz頻帶的架構。”
委員Michael O’Rielly甚至在部落格寫了一長篇文章,藉此向FCC表達他對2015年WRC會議結果的不滿:“這讓我開始思考WRC-15所發生的事、其帶來的實際效果,及其后續對ITU這個角色的影響。這些慣例很可能會破壞WRC未來的價值,并且讓ITU更可能淪為受制于政府與現有頻譜用戶控制的工具,從而阻礙了頻譜效率與技術進展。”
現在仍無法得知28GHz是否廣泛用于5G應用,但這一頻率在現階段絕對非常重要。
73GHz
在28GHz相關研究展開的同時,E波段(E-band)頻率在近幾年也引起了移動通訊領域的注意。Nokia采用美國紐約大學(NYU)的73GHz通道量測結果,開始此一頻率的研究。在2014年的NI Week,Nokia透過NI原型制作硬件,展示其首款73GHz空中傳輸(OTA)成果。這套系統隨著研究的進行不斷演進,并且持續透過公開示范來展示新的技術成就。
在2015年的世界移動通訊大會(MWC)上,這套原型制作系統已能藉由透鏡天線與光束追蹤技術執行超過2Gbps的數據傳輸。該系統的多輸入多輸出(MIMO)版本也在2015年的布魯克林5G高峰會議(Brooklyn 5G Summit)上展出,可以執行高達10Gbps的數據傳輸,并在不到一年后的MWC 2016上,這套原型即展示了傳輸速率超過14Gbps的雙向空中傳輸鏈路。
Nokia并不是唯一在MWC 2016上展示73GHz成果的廠商。華為與德國電信(Deutsche Telekom)也共同展示了可作業于73GHz的原型。這一展示采用多用戶(MU) MIMO,展現了高頻譜效率以及針對個別使用者實現超過20Gbps傳輸率的潛力。
有些73GHz的研究已開始進行,未來三年預計將有更多相關研究。區分73GHz與28GHz、39GHz的其中一項特性是可用的連續帶寬。73GHz中有2GHz的連續帶寬可用于移動通訊,這是擬議頻率頻譜中范圍最廣的。相較之下,28GHz僅提供850MHz的帶寬,而在美國,39GHz附近就有兩個頻帶提供1.6GHz與1.4GHz帶寬。此外,如Shannon定律所述,更高的帶寬便代表更高的數據傳輸量,因此,73GHz與其他上述頻率相較便具備了強大優勢。
39GHz
雖然目前進行中的38GHz公開研究最少,但仍有機會成為5G標準的一部份。ITU已將其列為全球可用頻率之一,而且根據紐約大學的研究,現有信道數據能證明其為可用頻率。然而,該頻段較28GHz或73GHz有更多現有應用,因此是39GHz納入5G標準的一項挑戰。FCC已針對可能的移動應用擬議頻譜,以加速美國未來針對此頻帶的研究。
當Verizon著手2016年的28GHz初次現場測試時,即已擬定計劃要測試39GHz。而XO Communications除了擁有28GHz的授權外,也可提供大量的39GHz授權。39GHz由于擁有電信業者的大量投資,同時列于IMT選項中,無疑也將成為2020年5G標準的候選頻譜之一。
毫米波原型制作
由于毫米波信道的基本屬性與目前的手機模式不同,而且未知事項較多,因此研究人員必須開發新的技術、算法與通訊協議,才能充份發揮毫米波在5G領域的潛力。建立毫米波原型非常重要,尤其是在早期階段。毫米波原型的建立可證實技術或概念的可行性,這是僅靠模擬而無法實現的。毫米波原型能夠在多種情境下,透過實時的空中傳輸方式執行通訊作業,藉此解開毫米波通道的秘密,并促進技術的應用與推廣。
要建立完整的毫米波通訊原型時會面臨多個難題。假設有一個可處理多重GHz訊號的基頻子系統。目前大多數的LTE建置通常都使用10MHz通道(最高20MHz),而且運算負載隨著帶寬而呈直線增加。換句話說,運算能力必須提高100倍以上,才能滿足5G數據速率的需求。此外,為了執行毫米波系統的物理層運算,原型制作的過程中必須用到FPGA。
針對毫米波應用打造具有原型制作功能的客制硬件是相當困難的任務。毫米波頻率由于具備大量的連續帶寬,因此非常適用于通訊作業。要為5G應用需求找到具有1~2GHz帶寬的現成硬件傳輸器或接收器,需要很高的成本,在某些頻率甚至不可能找到符合此條件的儀器。就算真的有這種硬件,其配置與并處理原始數據的能力也有限,甚至可能完全無法處理。因此,設計客制的FPGA處理機板便成了具吸引力的方案。 設計FPGA機板硬件的時間或許不需要很久,但如果還要開發與其通訊的軟件接口,就算是最有經驗的工程師也可能需要一年甚至更久的時間才能完成,而且這只是原型制作系統的一部份而已。
除了FPGA機板之外,毫米波原型制作系統需要運用最先進的數字模擬轉換器(DAC)與模擬數字轉換器(ADC)才能擷取1~2GHz之間的帶寬。目前市面上有些RFIC具備可以轉換于基頻與毫米波頻率間的芯片,但這些產品選擇有限,而且大多僅能用于60GHz頻帶。IF與RF階段可做為RFIC的替代方案,工程師一旦有了基頻與IF解決方案,供貨商便能針對毫米波無線頭端提供更多基頻RFIC以外的選擇,但仍然十分有限。開發毫米波無線頭端需要RF與微波設計的專業技術,這與開發FPGA板所需的技術是完全不同的,因此團隊必須具備多種專業才能開發所有的必要硬件。
FPGA是毫米波基頻原型制作系統的核心組件,而且要設計可處理多重GHz信道的多重FPGA系統,將導致系統更加復雜。為了解決電信業者與通訊研究人員面臨的系統復雜度與軟件難題,NI提供一系列可配置的毫米波原型制作硬件,以及毫米波物理層原始碼,不僅能夠解釋毫米波系統基頻的基本特性,并且能簡化多個FPGA的數據遷移與處理作業,進而簡化整體作業。這些工具都有助于將新的原型轉為系統與產品,對于5G技術的開發至關重要。
結論
目前還不清楚5G技術未來將如何實現,但可確定毫米波會是其中一種技術。為了滿足數據傳輸量的需求,必須運用24GHz以上的大量連續帶寬,而且研究人員已透過原型制作展示毫米波技術可達到14Gbps以上的傳輸速率。如今最大的問題就是移動通訊要使用哪一種毫米波頻帶。ITU或許能為移動應用的5G技術設定一個頻率。如果手機只需使用一組(而非多組)芯片,就能實現涵蓋全球的通訊范圍,即可為手機制造商降低開發成本,并為消費者降低使用成本。然而,要重新分配現有頻率的成本很高。
要找到一個全球都同意使用的頻帶將會是個遠大的目標,但最終可能無法達成。由于時程緊迫,各地的電信業者選擇略過ITU的建議,直接選擇那些無法普及全球、但立即可用的頻譜。他們也利用原型制作的能力,透過現場測試制作雙向通信鏈接的原型(5G開發的關鍵部份),進而讓研究人員能展示這項新技術,并以更快的速度標準化。
盡管仍有許多未知的問題,但可以確定的是:未來一定會布署毫米波技術,而且以極快的速度進行布署。新一代的無線通信技術即將登場,而全世界都在關注這項技術的實現方式。