5G技术关键所在：解读三种频率毫米波的故事

毫米波：三种频率的故事

为了服务客户，全球各地的电信业者已在频谱上投资了数十亿美元。设定频谱拍卖底价更突显了频谱这种宝贵资源的市场价值与供不应求的特性。开启新的频谱让电信业者不仅能服务更多使用者，还能提供更高效能的移动宽带数据传输体验。与6GHz以下的频谱相比，毫米波的频谱不仅非常充裕，而且只要稍经授权就能使用，因此世界各地的业者都能运用毫米波。此外，现代芯片制造技术已经大幅降低了毫米波设备的成本，所以在价格方面，这些设备已可用于消费性电子产品。而采用毫米波所面临的挑战，主要在于这些频谱并未经过完整研究，仍有尚未解决的技术问题。

电信业者已开始研究毫米波技术，以便评估最适合移动应用的频率范围。国际电信联盟（ITU）与3GPP已共同规划进行5G标准的两阶段研究。第一阶段研究将着重于40GHz以下的频率，以因应较急迫的商业需求部份，完成时间订为2018年9月。第二阶段则预计从2018年开始，于2019年12月完成，目标是达成IMT 2020所列的KPI，并着重于高达100GHz的频率。

为了统一全球的毫米波频率标准，ITU在近期的世界无线电通信大会（WRC）结束后，公布了24GHz到86GHz之间的全球可用频率的建议列表：

24.25–27.5GHz ，31.8–33.4GHz ，37–40.5GHz ，40.5–42.5GHz ，45.5–50.2GHz ，50.4–52.6GHz ，66–76GHz ，81–86GHz

ITU提出建议不久后，美国联邦通信委员会（FCC）便于2015年10月21日发布了拟议规范公告（NPRM），针对28GHz、37GHz、39GHz与64~71GHz频带提出全新且灵活的服务规则。

图2：FCC针对移动用途拟议的频带

当ITU、3GPP与其他标准组织决定以2020年做为定义5G标准的期限时，手机电信业者正加紧脚步推出5G服务。美国的Verizon与AT&T致力于在2017年推出5G的初始版本。韩国规划在2018年奥运推出5G试行版，日本则预计在2020年的东京奥运展示5G技术。有了这些不同单位订定各自的目标，适用于5G的频率选项也逐渐浮上台面：28GHz、39GHz与73GHz。

这三种频带之所以能脱颖而出，有许多原因。首先，这三种频率不像60GHz必须承受约20dB/km的氧气吸收损耗，其氧气吸收率远低于此数值（如图3所示），因此较适合长距离通信。这些频率也能在多路径环境中顺利运作，并且能用于非可视距离（NLoS）通信。透过高定向天线搭配波束成形与波束追踪功能，毫米波便能提供稳定且高度安全的连结。

纽约大学理工学院（NYU Polytechnic School of Engineering）的Ted Rappaport博士与他的学生已开始着手研究28GHz、38GHz与73GHz的通道特性与潜在效能。他们藉由传播测量与研究，探讨这些频率潜在的服务中断情形，并且已发表多篇相关论文。透过这些频率的现有数据与研究，再结合全球可用的频谱，便能从这三种频率开始执行毫米波的原型制作。

图3：毫米波频率范围的大气吸收率（以dB/km为单位）

28GHz

如上所述，电信业者急切地想要取得未分配的大量毫米波频谱；他们将扮演影响毫米波频谱使用哪些频率的关键角色。三星（Samsung）在2015年2月自行执行信道测量，并发现28GHz频率可用于手机通信。这些测量结果验证了都市环境中预期会发生的路径损耗——NLoS链接中的路径损耗指数为3.53，三星进而宣称此数据指出毫米波通信链接可支持200公尺以上的距离。该研究还包含相位数组天线的运用。三星并开始执行特性化设计，让手机能够容纳精密的相位数组天线。在日本，NTT Docomo与诺基亚（Nokia）、三星、爱立信（Ericsson）、华为（Huawei）与富士通（Fujitsu）共同合作，针对28GHz（以及其他频率）顺利完成了现场测试。

2015年9月，Verizon宣布与三星等重要合作伙伴将于2016年在美国进行现场测试，比5G标准的拟议期限2020年还早了4年，使得Verizon成为5G市场的先进者。2015年11月，高通（Qualcomm）透过128支天线针对28GHz进行试验，在人口密集的都市环境中展现毫米波技术的效能，以及定向波束成形如何用于NLoS通信。而在FCC宣布28GHz频谱可用于移动通信后，进一步的实验与现场测试势必持续进行。Verizon也公布租用XO Communications的28GHz频谱协议，其中包含于2018年底买下频谱的购买选择权。

然而，请注意28GHz频带并不在ITU的全球可用频率列表上，因此仍无法确定此频带是否能成为5G毫米波应用的长期频率。但基于此频谱在美国、韩国与日本的可用性，以及美国电信业者早期现场测试的投入，28GHz无论是否成为国际标准，都可能直接成为美国的移动技术应用。韩国于2018年奥运展示5G技术的目标，也可能在标准组织确定5G标准之前，率先推动28GHz技术用于消费型产品上。另一方面，由于此频率不在国际移动通信（IMT）频谱列表上，也已引起FCC委员的注意。

美国FCC委员Jessica Rosenworcel于2016年2月在华盛顿的一场演讲中提到："当我们把眼光放远，就会发现有些地方是美国必须独自前往的。其中包含了28GHz频带……只不过，去年在日内瓦举办的世界无线电会议（WRC）上并没有把这个频带纳入讨论，也未将它列在5G频谱研究列表中。然而，由于这个频带可分配至全球的移动应用，所以我认为美国应该继续探索这个新频谱。南韩与日本都已经着手测试这个频带，我们现在也不能停下脚步。我们必须独自向前，并在年底前完成适用于28GHz频带的架构。"

委员Michael O’Rielly甚至在博客写了一长篇文章，藉此向FCC表达他对2015年WRC会议结果的不满："这让我开始思考WRC-15所发生的事、其带来的实际效果，及其后续对ITU这个角色的影响。这些惯例很可能会破坏WRC未来的价值，并且让ITU更可能沦为受制于政府与现有频谱用户控制的工具，从而阻碍了频谱效率与技术进展。"

现在仍无法得知28GHz是否广泛用于5G应用，但这一频率在现阶段绝对非常重要。