5G技术关键所在：解读三种频率毫米波的故事

毫米波原型制作

由于毫米波信道的基本属性与目前的手机模式不同，而且未知事项较多，因此研究人员必须开发新的技术、算法与通信协议，才能充份发挥毫米波在5G领域的潜力。建立毫米波原型非常重要，尤其是在早期阶段。毫米波原型的建立可证实技术或概念的可行性，这是仅靠模拟而无法实现的。毫米波原型能够在多种情境下，透过实时的空中传输方式执行通信作业，藉此解开毫米波通道的秘密，并促进技术的应用与推广。

要建立完整的毫米波通信原型时会面临多个难题。假设有一个可处理多重GHz信号的基频子系统。目前大多数的LTE建置通常都使用10MHz通道（最高20MHz），而且运算负载随着带宽而呈直线增加。换句话说，运算能力必须提高100倍以上，才能满足5G数据速率的需求。此外，为了执行毫米波系统的物理层运算，原型制作的过程中必须用到FPGA。

针对毫米波应用打造具有原型制作功能的客制硬件是相当困难的任务。毫米波频率由于具备大量的连续带宽，因此非常适用于通信作业。要为5G应用需求找到具有1~2GHz带宽的现成硬件传输器或接收器，需要很高的成本，在某些频率甚至不可能找到符合此条件的仪器。就算真的有这种硬件，其配置与并处理原始数据的能力也有限，甚至可能完全无法处理。因此，设计客制的FPGA处理机板便成了具吸引力的方案。 设计FPGA机板硬件的时间或许不需要很久，但如果还要开发与其通信的软件接口，就算是最有经验的工程师也可能需要一年甚至更久的时间才能完成，而且这只是原型制作系统的一部份而已。

除了FPGA机板之外，毫米波原型制作系统需要运用最先进的数字模拟转换器（DAC）与模拟数字转换器（ADC）才能撷取1~2GHz之间的带宽。目前市面上有些RFIC具备可以转换于基频与毫米波频率间的芯片，但这些产品选择有限，而且大多仅能用于60GHz频带。IF与RF阶段可做为RFIC的替代方案，工程师一旦有了基频与IF解决方案，供货商便能针对毫米波无线头端提供更多基频RFIC以外的选择，但仍然十分有限。开发毫米波无线头端需要RF与微波设计的专业技术，这与开发FPGA板所需的技术是完全不同的，因此团队必须具备多种专业才能开发所有的必要硬件。

FPGA是毫米波基频原型制作系统的核心组件，而且要设计可处理多重GHz信道的多重FPGA系统，将导致系统更加复杂。为了解决电信业者与通信研究人员面临的系统复杂度与软件难题，NI提供一系列可配置的毫米波原型制作硬件，以及毫米波物理层原始码，不仅能够解释毫米波系统基频的基本特性，并且能简化多个FPGA的数据迁移与处理作业，进而简化整体作业。这些工具都有助于将新的原型转为系统与产品，对于5G技术的开发至关重要。

结论

目前还不清楚5G技术未来将如何实现，但可确定毫米波会是其中一种技术。为了满足数据传输量的需求，必须运用24GHz以上的大量连续带宽，而且研究人员已透过原型制作展示毫米波技术可达到14Gbps以上的传输速率。如今最大的问题就是移动通信要使用哪一种毫米波频带。ITU或许能为移动应用的5G技术设定一个频率。如果手机只需使用一组（而非多组）芯片，就能实现涵盖全球的通信范围，即可为手机制造商降低开发成本，并为消费者降低使用成本。然而，要重新分配现有频率的成本很高。

要找到一个全球都同意使用的频带将会是个远大的目标，但最终可能无法达成。由于时程紧迫，各地的电信业者选择略过ITU的建议，直接选择那些无法普及全球、但立即可用的频谱。他们也利用原型制作的能力，透过现场测试制作双向通信链接的原型（5G开发的关键部份），进而让研究人员能展示这项新技术，并以更快的速度标准化。

尽管仍有许多未知的问题，但可以确定的是：未来一定会部署毫米波技术，而且以极快的速度进行部署。新一代的无线通信技术即将登场，而全世界都在关注这项技术的实现方式。