5G毫米波新空口技术简介

Drony

随着各种移动多媒体影音应用在手机平台越来越普及，手机用户对于频宽与传输速率的需求也越来越大。为满足METIS所勾勒2020年的使用情境，就最高峰值传输速率而言，必须是目前传输速率的10到100倍；移动数据容量则必须是2010年的1000倍。要达到METIS所定义的最高峰值传输速率与1000倍移动数据容量的需求，目前3GPP与全世界许多通信大厂正针对下世代第五代移动通信（5G）新波形、新调变技术、新编译码技术、新多工进接技术等重要无线接取技术积极提案与讨论。

预计在2017年底前完成各项新型无线接入技术标准的提案讨论，并预计在2018年年中完成phase-1涵盖至30或40 GHz毫米波频段；2019年年底完成phase-2涵盖至100 GHz毫米波频段之第五代移动通信标准的制定。

一、前言

随着各种移动多媒体影音应用在手机平台的普及，手机用户对于频宽的需求也越来越大。目前全世界许多国家，包括政府与通信大厂，都已针对下世代第五代移动通信的相关技术与标准积极投入。原本预计在2018年年中完成phase-1标准制定，2019年年底前完成phase-2标准的制定，并在2020年商用推广的时程也有往前提早的趋势。目前3GPP已针对第五代移动通信（5G）的标准进行“研究项目”阶段紧锣密鼓的讨论，预计在2017年底前可望完成“工作项目”的阶段，产出phase-0的标准。

为满足METIS所勾勒2020年的使用情境，就最高峰值传输速率而言，必须是目前传输速率的10 到100 倍；移动数据容量则必须是2010年的1000倍（如图1所示）。要达到METIS所定义的最高峰值传输速率与1000倍移动数据容量的需求，有如图2所示的几种主要技术：增加频宽、更先进的调变/编译码技术、更先进的多工进接技术或是使用巨量天线以实现多重输入与多重输出MIMO的技术，来提升频谱效率。

图1、METIS 5G Technical Objectives

图2、Spectral Efficiency Enhancement

其中，3GPP与全世界各主要通信大厂已针对使用毫米波频段来增加可用频宽，直接提升传输速率与数据容量达成共识，世界各主要通信大厂并且已经完成了几个主要毫米波通信频段的初步量测，并在2016年年初公布了有关毫米波通道模型的技术报告：TR38.900。ITU-R在2015年10月的WRC-15会议中并已公布了第五代移动通信（5G）毫米波的候选频段（如图3所示），涵盖从24.25 GHz到86 GHz的八个频段。美国FCC更抢先在2016年7月公布了27.5~28.35 GHz、37~38.6 GHz、38.6 GHz~ 40 GHz、64~71 GHz等四个将近11GHz频宽的毫米波频段（如图4所示），以加速美国通信厂商在第五代移动通信（5G）毫米波通信系统的开发与布建。

图3、ITU-R IMT Candidate Spectrum and U.S.A. FCC 5G mm-Wave Spectrum

图4、3GPP 5G Standardization Time Line

第三章则针对各个新编码候选技术进行详细的解说；第四章则是针对各个新多重接取候选技术进行详细的解说；第五章则是就毫米波在新无线接入技术标准的制定现况进行总结。

二、3GPP的5G毫米波新波形标准的制定现状

毫米波频段指的是波长小于1毫米的频段，也就是大于30 GHz以上的频段。目前许多大厂所力推的28 GHz，严格来说并不属于毫米波频段，不过由28 GHz很接近30 GHz，许多通信方面的特性很接近，因此也广义地被认知为毫米波频段。

第四代移动通信（4G）标准即已采用正交频分多工技术OFDM相关波形与QPSK/16-QAM/64-QAM等调变技术。多重接取技术方面，则是在下行部分采用正交频分多重接取技术OFDMA；在上行部分则是采用单载波频分多重接取技术SC-FDMA。正交频分多工技术OFDM相关波形最大的缺点是频外OOB频谱响应不够低，因此操作频带与频带之间必须留有间隔来降低频带间的干扰，也因此降低了频谱使用效率（如图5所示）。

图5、Frequency spectrum of an OFDM signal

此一状况在发射功率倒回不够多时，会遭遇功率放大器PA因为非线性特性所引致频谱再生效应，使得这部分对频谱效率的影响更是雪上加霜。

因为正交频分多工技术OFDM相关波形，在同时考虑频谱效率与实现复杂度这两方面的性能表现到目前为止仍是最佳的选择，因此3GPP与世界各通信大厂针对新的波形与新的调变技术目前已达成的共识仍是以正交频分多工技术OFDM为基本波形，再针对前文所提到的频外OOB频谱响应不够低的问题做变形与改善。

如图6所列即是目前有关第五代移动通信（5G）新波形的相关提案，从图六搭配上方的方块即可很容易看出都仍是以快速傅立叶转换/反向快速傅立叶变换（FFT/IFFT）为基础，只是在频域或时域再加上滤波器或是窗函数以针对频外OOB频谱响应作变形与改善。

图6、3GPP 5G New Waveform Candidates

表1有关各种OFDM-based第五代移动通信（5G）新波形的比较，主要还是从频谱效率与实现复杂度这两方面做考量。有些新波形像UFMC或是FBMC虽然在频外OOB频谱响应的性能表现很好但是实现复杂度很高。毕竟实现复杂度关系到未来手机芯片的实现成本也是一个标准在讨论与制订过程中必须考虑的重要因素之一。

表1、Comparison of OFDM-based 5G New Waveform Candidates

三、3GPP 5G毫米波新兴编码标准的制定现状

目前第四代移动通信（4G）标准所使用的编码技术是Turbo Code，目前在第五代移动通信（5G）标准所讨论的新编码技术有如表2所示的几种新编码技术与各自支持的国际通信大厂。

表2、List of 5G New Coding Candidates

有关第五代移动通信（5G）新编码技术的讨论，主要是考虑以下几个重要性能表现：错误更正性能、实现复杂度、编译码的时间、实现弹性。

目前仍是如第四代移动通信（4G）标准制定过程一样，以Turbo code与低密度奇偶检查码LDPC这两种编码技术的呼声最高，特别是到了第五代移动通信（5G）在峰值传输速率的要求高达10Gbps到20Gbps，对于平行处理在运算速度的优势更加重要，也使得低密度奇偶检查码LDPC的支持呼声很高，获得最多国际通信大厂的支持。

四、3GPP 5G毫米波新多重接入标准的制定现状

目前在第五代移动通信（5G）标准所讨论的新多重接取技术有如表3所示的几种新多重接取技术，及与现在在第四代移动通信（4G）标准中所使用多重接取技术，其优缺点的比较。

表3、Comparison of 5G New Multiple Access Technology Candidates

多重接取技术除了主要在比较其频谱效率：平均每赫兹（Hz）可以传几个位元（bit），实现复杂度与峰值相对于平均之功率比率PAPR也是很重要的考量因素。特别是峰值相对于平均之功率比率PAPR，原本在第四代移动通信（4G）标准所使用正交频分多重接取技术OFDMA最大的缺点就是有很大的峰值相对于平均之功率比率PAPR，在搭配高阶调变技术64-QAM时，需要在发射功率上从功率放大器的1dB功率增益压缩点倒回约10dB才能达到满意的解调变性能，这使得功率放大器的功率附加效率PAE变得很差。这个问题在毫米波高频频段更加严重。

以38GHz频段为例原本功率放大器在1dB功率增益压缩点的功率附加效率PAE约为18%，但倒回10dB之后功率附加效率PAE就只剩下2~3%，这意味着直流功率只有2~3%转换成传送信号功率，其余97%~98%的直流功率则是转换成热能散逸，造成很严重的散热问题。另一个使这个问题更加雪上加霜的因素则是，因为要克服毫米波在户外高频通信很大的路径损失与传输耗损，必须使用相位阵列天线，整合多个功率放大器与天线，以阵列增益来补偿路径损失传输耗损，个数甚至可能高达256个！

以工研院目前在38GHz的5G毫米波验证平台的设计，基站端射频前端的相位阵列天线是由64个天线单元所组成（如图7所示），根据热模拟的结果，将产生近600瓦的热（如图8所示），因而导致高达将近200度的高温（如图9所示）。这也是在第五代移动通信（5G）使用毫米波高频传输最急需克服的技术挑战议题之一。

图7、8x8 64-Antenna element Phased Antenna Array of ITRI 38GHz 5G mm-wave HW/SW Platform

图8、Heat Dissipation issue in ITRI 38GHz 5G mm-wave HW/SW Platform

图9、Heat Dissipation Simulation Result of ITRI 38GHz 5G mm-wave HW/SW Platform

另外，除了传统从时域作切分的时分多重进接技术TDMA、从频域作切分的频分多重进接技术FDMA与同时从时域和频域作切分的正交频分多重进接技术OFDMA，目前全世界各通信大厂也提出许多不同的多重进接技术，5G微信公众平台（ID：angmobile）了解到，陈组长进一步指出，例如，与正交频分多工技术OFDM需要各次载波维持正交特性有所不同的非正交多重存取技术，像日本NTT-DoCoMo提出的非正交多重存取技术NOMA、高通提出的资源扩展型多重进接RSMA技术、华为提出的稀疏分码多重进接SCMA，中兴提出的多用户分享进接技术MUSA等，仍持续就频谱效率、实现复杂度与峰值相对于平均之功率比率PAPR等重要因素作讨论与比较。

五、结论

随着各种移动影音多媒体应用在手机平台越来越普及，手机用户对于频宽与传输速率的需求也越来越大。为满足METIS所勾勒2020年的使用情境，就最高峰值传输速率而言，必须是目前传输速率的10到100倍；移动数据容量则必须是2010年的1000倍（如图1所示）。

要达到METIS所定义的最高峰值传输速率与1000倍移动数据容量的需求，目前3GPP与全世界许多通信大厂正针对下世代第五代移动通信（5G）新波形、新调变技术、新编译码技术、新多工进接技术等重要技术积极提案与讨论。

预计在2017年底前可望完成“工作项目”的阶段，完成各项新无线接取技术标准的提案讨论（如图4所示），产出phase-0的标准，并预计在2018年年中完成phase-1涵盖至30或40 GHz毫米波频段；2019年年底完成phase-2涵盖至100GHz毫米波频段之第五代移动通信标准的制定