發佈日期:2015-12-30

發展5G,「頻」步青雲

作者:鄭凱仁

前瞻研究第三代合作夥伴計劃(3G Partnership Project,3GPP)長期演進技術(Long Term Evolution,LTE)License Assisted Access (LAA)

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無線通訊系統中無線電頻譜(radio spectrum)問題包含使用效率不佳與頻譜不足,隨著市場的蓬勃發展,通訊系統不斷進步,越來越凸顯頻譜的問題。因為頻譜是有限的,好比將各類的無線通訊服務比喻為車輛,各電信業者不斷推陳出新各式車款(如3D Video、擴增實境),但是可以行駛的道路(如無線電頻譜)狹窄、崎嶇不平,無法滿足用路人需求。因此,在發展下世代通訊系統的同時,有效的解決頻譜的相關問題,將是刻不容緩。在這篇報告中,將針對頻譜問題做進一步的探討。

首先,無線通訊可以使用的頻譜範圍不是無限大的,主要原因是受限於無線電頻譜的物理特性。無線通訊訊號是藉由無線電波方式傳遞;簡單而言,就是以波在空氣中傳遞,會因為漫反射(Diffraction)、反射(Reflection)、散射(Scattering)與空氣溫度、濕度、壓力或行進中障礙物特性等因素,造成波在其頻率(frequency)、振幅(amplitude)、波長(wavelength)或相位(phase)等方面不同的表現,造成所謂的衰減(path loss)。而頻率越高,衰減越嚴重。因此,一般認為頻段在3kHz到30GHz之間是屬於無線通訊應用的sweet spot,即便訊號在這些頻段仍會衰減,但解決這問題的技術相對容易與成本低。因為這個原因,許多的無線通訊應用頻段操作在此頻段範圍中,故此頻段相當擁擠,並存在嚴重干擾問題。

表一 美國授權使用頻段

美國授權頻段與應用
AM Radio 535-1605 KHz
FM Radio 88-108 MHz
Broadcast TV (Channels 2-6) 54-88 MHz
Broadcast TV (Channels 7-13) 174-216 MHz
Broadcast TV (UHF) MHz470-806 MHz
3G Broadband Wireless 746-764 MHz, 776-794 MHz
3G Broadband Wireless 1.7-1.85 GHz, 2.5-2.69 GHz
1G and 2G Digital Cellular Phones806-902 MHz
Personal Communications Service (2G Cell Phones)1.85-1.99 GHz
Wireless Communications 2.305-2.32 GHz, 2.345-2.36 GHz
Satellite Digital Radio2.32-2.325 GHz
Multichannel Multipoint Distribution Service (MMDS) 2.15-2.68 GHz
Digital Broadcast Satellite (Satellite TV) 12.2-12.7 GHz
Local Multipoint Distribution Service (LMDS) 27.5-29.5 GHz, 31-31.3 GHz
Fixed Wireless Services 38.6-40 GHz

政府控制頻譜資源是各國長久以來管理頻譜的主要方式,依據國際規範及國內產業需求等因素,將頻譜透過分配限制使用目的,再以執照的方式指定給特定使用者;例如美國Federal Communications Commission (FCC) 決定商業與軍用頻段與應用,參考表一是美國頻率與其相對應的應用。無線電頻譜就如同陽光、空氣、水等自然資源,是屬於公共財,一般而言,不具排它性,即不會排擠他人使用。但隨著人類人口的巨增,相對造成可用的資源不足,例如水資源變成需經過分配或是購買才能獲得。

無線電頻譜也是如此,在無線通訊市場發展初期無線電頻譜使用絕對沒有不足的問題,但隨著無線通訊市場的成長,應用服務與用戶的增加,造成可以使用的sweet spot頻段日漸減少,主要原因是隨意使用無線電頻譜會造成嚴重訊號干擾,因此需要透過分配限制使用達到系統間的平衡。若與高速公路做為比喻,頻譜就像是平直的四線道高速公路,為保持交通的順暢,政府規定內車道為超車車道,外車道供速度較慢的車輛行駛,當有緊急事故時,可使用路肩。如頻譜,不同的目的使用不同的頻段。但是,當連續假日收假時,人潮湧現超出高速公路可以容納的範圍,便造成壅塞。因此,為解決壅塞問題,政府便要求用路人以替代道路取代高速公路,用路人可以選擇不同替代道路但是路面品質可能較差(物理特性),行駛較為顛簸。這類似毫米波的概念,利用不同於sweet spot的高頻段傳輸,也代表彌補訊號衰減的技術成本較高。

政府管理頻譜最主要的目的便是要獲得最大經濟及社會利益,但是隨著技術的快速發展,僵化的頻譜管理將會造成下世代通訊系統發展的阻礙,因此配合快速發展的通訊市場,有彈性的頻譜管理,才能達到最大的經濟效益,在制度上仍有許多可以討論並檢討的地方,不過在接下來的內容,本報告將針對解決下世代通訊系統頻譜效率與不足的技術進行討論。

圖ㄧ IMT系統5G願景與需求

歐盟的ITU (International Telecommunication Union)組織致力於建立全球性的通訊系統規格如IMT (International Mobile Telecommunications)系統。ITU的IMT-2020的規格制訂便是希望符合下世代5G通訊系統的需求,見圖一。因此,ITU認為IMT-2020的規格須具備極可靠及低延遲通訊能力,才能實現未來市場需求應用。ITU-R M.2290報告中預測IMT系統在未來市場頻譜需求將持續增加,(低密度用戶情況約需1340MHz,高密度用戶情況約需1960MHz)。TU-R M.2079中的報告便針對5GHz以下的頻譜,提供各國目前使用的狀況,如圖二;希望在目前擁擠的5G以下頻段,找出可供IMT-2020系統使用頻段。

圖二 可用於IMT系統的頻譜

然而,在6GHz-100GHz之間屬於非授權頻段,因為有較寬的頻寬,所以在此頻段可以達到理想的高傳輸率(bit rate),這個頻段在近年已受到許多矚目。因此,預計ITU的下世代通訊系統IMT-2020頻段將會包含6GHz以上與以下的頻段。6GHz以下的頻段相當擁擠並破碎,如何整合這些頻段是一大挑戰;另外,大於6GHz頻段還在研究其可行性,並期望在WRC-19中討論,訂定相關規範(見圖 三)。美國FCC也建議為增加更多的頻寬,下世代5G系統頻段必須跨越不同頻段包含低、中、高頻段提升系統throughput。FCC認為以下頻段可作為下世代通訊的毫米波的頻段(見表 二),並著手研究其可行性。

表二 美國FCC毫米波建議頻段

美國FCC毫米波建議頻段
美國FCC毫米波建議頻段
24 GHz Bands: 24.25-24.45 GHz and 25.05-25.25 GHz
LMDS(Local Multi-Point Distribution Services) Band: 27.5-28.35 GHz, 29.1-29.25 GHz, and 31-31.3 GHz
39 GHz Band: 38.6-40 GHz
37/42 GHz Bands: 37.0-38.6 GHz and 42.0-42.5 GHz
60 GHz Bands: 57-64 GHz and 64-71 GHz (extension)
70/80 GHz Bands: 71-76 GHz, 81-86 GHz, 92-95 GHz

圖三 ITU決定IMT-2020頻段的進程

以上介紹藉由頻譜管理與頻譜釋出方式舒緩頻譜使用效率不佳與頻譜不足的問題。在技術方面在表三列出相關的優化頻譜技術。增加頻譜效益是希望在有限的頻寬中提升資料量,如LTE的正交頻分複用技術(OFDM)搭配智慧天線與Massive Multi-input Multi-output (MIMO)便可以創造百倍傳輸量;頻譜無法達到100%的利用有許多原因,其中頻譜破碎(spectral fragmentation)是造成頻譜使用率下降的原因之一,故Cognitive Radio、Spectrum Sharing或Carrier Aggregation便是想藉由頻譜管理機制增加頻譜使用率。TV white space因為電視數位化,原本的使用目的已不存在,釋出未使用的授權頻段可以額外增加可用頻譜。

表三 頻譜優化技術

分類可行的技術
頻譜效率Interference Management and Traffic Adaptation (IMTA)
MIMO/Massive MIMO/ Smart Antenna
New Multiple Access
頻譜探勘New Carrier Type (NCT)
Carrier Aggregation
TV white space
Visible Light Communication (VLC)
Cognitive Radio (CR)
Spectrum Sharing
Licensed-Assisted Access (LAA)
網路架構優化與設定Small cell deployment (relay/backhaul)
Efficient Machine Type Communication (MTC)
Direct Communication (D2D)
Self Organization Network (SON)
Heterogeneous Network (HetNet)
Software Defined Network (SDN)

授權頻帶輔助存取技術(LTE Licensed-Assisted Access,LAA)是3GPP 第13版重點技術之一。此LAA的技術與LTE之前推廣LTE-U(Unlicensed)技術類似,即LTE系統操作在非授權頻段如5GHz以上頻段,以3GPP技術報告內容來看LAA技術內涵是使用授權頻段及未授權頻段來進行載波聚合,但是既然已經有LTE-U為什麼還要提出LAA技術呢?簡單而言,此頻段也是Wi-Fi操作頻段,兩個系統操作在同一個頻段會造成嚴重的干擾問題,因此LAA技術更偏重於發展LTE與Wi-Fi在非授權頻段共存的機制,故3GPP提到LAA技術研發的前提是有效(Effective)和公平(fair)與Wi-Fi共存。

3GPP對於LAA需求中提到,授權頻段可以提供高品質與高效率的通訊服務,但由於市場的趨勢,許多營運商同時佈建Wi-Fi與3GPP LTE系統,因此提供授權與非授權協作的機制,系統效益上變得更為重要。3GPP LAA概念提到LAA技術將授權頻段作為提供控制訊號的Primary Cell(PCell);同時將非授權頻段作為傳遞資料的Secondary Cell(SCell),以此搭配方式提升傳輸速率。然而發展LAA仍有許多挑戰必須面對,如非授權頻段的選擇(考慮各國間政策因素)、裝置選擇接取Wi-Fi或LTE系統的機制(fairness Metric)、非授權頻段避免干擾授權頻段、LAA 使用情境與機制的建立。

觀察專利技術與LTE-U與Wi-Fi供存相關的專利分布。首先,在專利權人的分布(見圖 四)以Qualcomm佔相關專利總數約四成,其次是Apple與Intel。LAA技術最早於2013年是由Qualcomm在3GPP會議中提出。在2015年二月Qualcomm與Ericsson與三家電信公司Verizon, T-Mobile與SK Telecom合作測試LAA技術,宣稱峰值速率可以達到450Mbps。Qualcomm預期在MWC 2015會議上展示異質網路環境實現LAA傳輸技術。Intel的專利技術如US20150223075與US 20150195849,在LTE-A的協定中加入其所謂的co-existence muting gap或是muting gap,即LTE系統在這段時間不傳送資料,Wi-Fi系統可以在這空檔傳送資料,系統間達到最佳同步以期望減少不同系統間的干擾。

圖 四 專利權人分布

技術分類(CPC) 的分布來觀察,Network Planning中的頻譜的分配H04W16/14 Spectrum Sharing Arrangements Between Different Networks為主要分類,至於資源分配的方法是藉由收集環境不同參考訊息包含訊務流量、通道品質等作為判斷的依據(H04 W72/00:Local Resource Management,H04 W24/00:Supervisory, Monitoring Or Testing Arrangements)。為達到有效的協作,管理機制與通訊協定為主要改善的方向。

圖 五 CPC分類分布

管理頻譜的許多特性與管理土地非常相似,當制定頻譜資源的短期政策目標和長期規劃藍圖時,必需先從釐清用戶需求與統整頻譜資源開始做起,並進一步思考我國未來無線通訊環境與市場發展,才能提供發展下世代通訊系統的基石。頻譜資源有效利用是當前最大共識,但「有效利用」除了政府有效率的管理與分配之外;也需要更具彈性頻譜共享機制,就如同LAA技術實現LTE未授權頻譜與授權頻譜共存,提供流暢的使用者體驗,支援更大範圍與容量,以及增加電信商行動寬頻容量。以LAA融合兩系統的優勢,表現更優於LTE或Wi-Fi獨立應用,更重要的是當LAA技術更為成熟時,將可融合更高頻段毫米波應用。

參考文獻

  1. A. Goldsmith, Wireless communications. Cambridge university press, 2005.
  2. ITU-R M.2290, “Future spectrum requirements estimate for terrestrial IMT.” 2013.
  3. ITU-R M.2079, “Technical and operational information for identifying Spectrum for the terrestrial component of future development of IMT-2000 and IMT-Advanced,” 2006.
  4. J. F. Monserrat, G. Mange, V. Braun, H. Tullberg, G. Zimmermann, and Ö. Bulakci, “METIS research advances towards the 5G mobile and wireless system definition,” EURASIP J. Wirel. Commun. Netw., vol. 2015, no. 1, pp. 1–16, 2015.
  5. 4G Americas, “5G Spectrum Recommendations.” 2015.
  6. 3GPP TR 36.889, “Study on Licensed-Assisted Access to Unlicensed Spectrum.”2015.