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2019-05-01新世代5G傳輸技術—大規模MIMO系統與波束合成技術
593 期
Author 作者
蔡作敏／交通大學電信所副教授，專長為微波毫米波晶片及系統設計，參與數項5G研究開發計畫。喜歡和學生在一起做研究。
「第五代行動通訊（5th generation mobile networks, 5G）」，具有同時多使用者服務、高速資料傳輸及低時間延遲的特點。未來將大幅影響人們對行動通訊的使用方式。舉例來說，因為多使用者且高速資料的服務能力，更多的使用者可同時傳輸大量的資訊，因此需要高速傳輸的多媒體或虛擬實境，成為未來普遍的技術；每一個感測器都可以輕易連上網路系統，並回傳大量資訊，對於智慧城市、智慧家庭的需求有非常大的突破。另外，由於低時間延遲的特性，也可以讓使用者有更快速反應時間，因此使用者擁有遠距操作與互動的能力，舉例而言，醫生有機會透過網路操作基礎檢測儀器等。因此，使用者不需再購買高性能的電腦，只要一個可以上網的裝置，就可以使用雲端快速伺服器所提供的各種服務。
這一切固然十分美好，然而，要如何實現呢？簡單來說，需要突破第四代行動通訊（The fourth generation of mobile phone mobile communication technology standards, 4G）的系統特性。這種突破，存在一些物理上的限制，而最基本的限制，即電磁波傳播頻寬是有限的。使用者所產生的訊號到無線訊號傳輸，需要經過編碼、調變、解調變及解編碼的過程。其中調變是將訊號轉換到無線訊號的關鍵。大量的訊號傳輸，就是要在固定的時間內，可以傳輸越多的資訊。可想而知，在這種情況下，訊號的變化速度就會越快。因為訊號變化速度快，影響調變的頻寬就會越寬。所以，在有限的頻寬之下，要達到更快的速度就成不可能的任務。因此，有2個解決方案，首先是毫米波頻段的使用，另外則是大規模多輸入輸出（Massive MIMO）的技術。
毫米波頻段的使用
以實際無線通訊系統的研發過程來看，電路的設計及製造難度與比例頻寬有關。假設載波為1吉赫（GHz） 的系統下擁有10兆赫（MHz）的頻寬和載波為10GHz 系統下擁有100MHz 的頻寬的難度是類似的。因為兩者頻寬和載波的比例，稱作比例寬頻，都是 1∕100，頻寬和載波的比例稱為比例頻寬。在此思考概念下，越高頻的系統，就會擁有越寬的頻寬。以現行通訊系統的頻率來說，在2013年的4G頻譜的標售中，最寬的頻段為 35 MHz。這 35MHz 的頻寬是由若干個10MHz 或15MHz 的頻寬組成。載波頻率最低為700MHz，最高到1800 MHz。以載波 700MHz，一個通道10MHz 的狀況分析，比例頻寬最寬為1∕70。如果將頻率提升到28GHz之下，在 1∕70的比例頻寬下，則有400MHz的頻寬。目前5G的毫米波頻率有28、39 甚至60GHz的選擇。但可以確定的是，隨著毫米波的使用，訊號的頻寬一定會有大幅度的提升，進而加快傳輸速度。
大規模多輸入輸出的技術
MIMO技術的想法很直接，雖然頻寬有限，但是如果同時發送多組訊號，對方收到這些訊號時有機會解算回來，便可能在同一個頻寬內擁有更多傳輸容量。舉一個例子，在設計多組發射機（T1~Tn）及組接收機（R1~Rn） 時，由於每個發射機發射的訊號都可以被每一個接收機收到，因此這整組訊號，共有n×m種可能（圖一）。
假設發射機獨立發射已知的測試訊號給接收機後，接收機可以收到一個類似矩陣形式的電磁波通道特性：
因此，雖然每一個接收機收到的訊號都是所有發射機訊號的相加結果。但是有了這個矩陣之後，理論上只要做 到反矩陣的運算（假設 n=m），就可以把每一個獨立發射機所發射的訊號還原回來：
然而，在現實運用場景中，還有許多因素考量，如矩陣可逆性等，但基本精神都是要把這多對多的通道行為還原回來。
這項技術在無線網路 Wi-Fi 系統中是很常見的手法。圖二是一個基本的Wi-Fi基地台，其有3組天線，Wi-Fi基地台發送3組獨立訊號的天線，因此，具有MIMO功能的系統，會比只有單一收發系統擁有較佳的通訊品質。然而，在5G中，為了要滿足同時多人高速上網的特點，就需要使用多使用者MIMO系統（Multi-User MIMO）的架構。......【更多內容請閱讀科學月勘第593期】