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2017-10-01無線行動通訊—過去的發展以及未來的挑戰
430 期
Author 作者
蔡作敏／中正大學電機系教授
摘要
第五代行動通訊在第四代行動通訊實行之後沒多久就開始進行討論了。而本文會從行動通訊的技術演進開始談起。再談到第五代行動通訊最大特點——波束合成技術。討論中也包含了波束合成技術的原理以及實現的挑戰。
行動通訊技術回顧
近年來，國內的通信業相繼提供第四代行動通訊（也就是大家所熟知的4G通訊） 服務。然而，沒有過多久，大家應該會發現到最近已經開始有在討論第五代行動通訊（5G）的議題了。當然啦，這些行動通訊帶來的好處多多，而且大幅的影響每一個人每一天的生活。像我大學的時候，還要排隊打公用電話，最多就是有call機，宿網也時常斷線；而現在，每個人都可以透過小小的手機來達成高速上網，想看什麼就看什麼，實在很方便呀！在這些成果的背後，也是有無數工程師的努力才可以使技術不斷進步。而本文就是針對行動通訊的議題，做一個簡短的回顧後，再來看看目前第五代行動通訊的特色以及所帶來的挑戰。
行動通訊的基礎，就是需要無線通訊的技術。想到無線通訊，就可以想到一般計程車司機在相互交談的無線電對講機。若這個時候，有些業者在某些地方裝基站，使用者在這個區域內要做無線通訊時就可以對外部聯絡，或對內部交談。這就是第零代無線通訊的概念。那個時候可以使用無線通訊只能小地區的使用。你大概可以想像就有點像是一些有很優良的無線功能的室話機。
這樣子很侷限的使用當然無法滿足使用者。於是就有人想，如果我在一個大地區均勻的裝置基地台，讓基地台可以服務的範圍整整涵蓋整個地區。這樣子使用者在這個地方的任何位置，不就可以順暢無比了嗎？於是，可以想像在一個地區中，畫出好多像蜂巢一樣的格子，每個格子中間是一個基地台，在這個格子中的使用者，就跟這個格子中的基地台通訊。然後基地台再將這個訊號傳輸至遠方。於是自 此行動通訊就進入了蜂巢式網路（Celluar network）的時代。也就是第一代行動通訊的基礎。
然而，這第一代行動通訊是類比的調變，聲音有可能在無線傳輸之下被雜訊干擾，因此，提出了先將聲音轉成數位再傳輸的技術。由於數位化的訊號可以再透過數位訊號處理的方式再去除雜訊，因此通訊品質就更好了，並且因為傳輸數位化，開始也可以傳一些簡訊、短郵件之類的，這種數位化傳輸的技術，就是第二代行動 通訊，一直在現在都有在用的GSM系統， 就是一種第二代行動通訊的例子。
不過，人類是永遠不會滿足的，能傳一些基本的簡訊之後，接著就進一步想要上網，想要做一些平時用電腦可以在網路上做到的事情。於是，基於這一種需求，電信業者首先先購買比較寬的無線頻寬，再配以較高階的數位訊號傳輸的技術，形成了第三代行動通訊的系統。在第三代行動通訊之下，通訊的速度在比較理想的狀 態有達到2Mbps。這個速度快不快呢？給 一個參考的資訊，如果使用一般常看到的 802.11b的無線網卡來做WiFi的上網，最理想的速度約為11Mbps。所以，一般來說，在 第三代行動通訊的環境之下，我們還是會希 望到一個有WiFi上網的空間。而此時，行動 通訊的網路其實還是卡卡慢慢的。
然而，隨著科技不斷的在進步、更寬的頻寬規畫之下，再加上更好的頻寬利用技術，也就是在有限的頻寬範圍內，做到更高資料量傳輸的技術。於是，4G通訊開始啟用，此時的通訊速度就非常的快速，最少有10Mbps。而在一般的情況下可達100 Mbps，理想的情況下更可以到1Gbps，這樣的速度有時候已經比WiFi上網還快，甚至可以跟一般電腦上網的速度差不多快了。於是行動通訊就變成非常的自由。例如，即時視訊就非常的簡單，或者根本就不需電話的服務，全部都丟給網路去傳，品質還是一樣的好。不過，由於現在臺灣 所佈4G的基地台還未像3G一樣普遍，所以要享受4G網路的朋友，還是要到特定的地點才有辦法有這樣子的體驗。
第五代行動通訊簡介
好了，這麼快速的網路，人類還哪裡 不滿足呢？原因在這裡舉2個例子，第一個是因為人類的多媒體技術也越來越好，於是會有大量的視訊在網路上傳來傳去，且視訊的品質又越來越高，而高品質的視訊就代表著非常高的資料量。第二個原因在於人類是群聚的動物，在有些場合人非常的多，如果這麼多人同時傳輸高品質的視訊，那麼一定會造成傳輸塞車的問題。於是第五代行動通訊就是針對這種「很多人在一起，傳的資料又非常多」的情況下而定的。例如韓國預計在冬季奧運的期間推出第五代行動通訊。而第五代的速度有多快呢？大概是在數十萬人的用量下，每個人可以有超過 10Mbps的傳輸速度；或是幾百人的情況下，每個人都有超過 1Gbps的傳輸速度（大家一起用力傳資料吧！）。但是，回顧之前4G的系統，已經將數位訊號傳輸做得非常的好了，要再達到更快的傳輸速度，應如何改善呢？
想要再提升速度，最直覺辦法是使用 更高的頻帶。在4G的通訊系統之前，因為電磁波在低頻的傳輸損耗較低，以致一個基地台可以涵蓋的範圍可以比較廣，進而比較容易佈點，所以普遍使用較低的頻率（約< 3GHz）。然而，在3GHz以下，到處都是已用的頻道，所以頻寬的取得非常的不容易。舉例來說，在2013年的第四代行動通訊頻譜的標售中，最高的頻段為35 MHz，而金額就高達 390.75 億元。
所以，若要把頻寬弄得更寬一點，在低於3GHz的頻率中實在有很大的困難。這個時候，所謂的毫米波通訊變成一種解決方案了。毫米波泛指波長是公分等級的電磁波，頻率約30GHz 以上，毫米波的頻率比 一般的商用頻帶都高很多很多，因此在那個地方的頻寬相對的就寬很多了。舉個例子，目前很熱門的28GHz頻段，規畫使用的頻率範圍為27.5GHz ~28.35GHz，這個頻寬為 850 MHz，足足比4G的頻寬還多了 24倍以上，所以使用毫米波通訊的傳輸速度就不是問題了。
然而，這個時候另一個問題就跑出來了。因為剛才提到，電磁波頻率越低的損耗越低，而頻率越高的損耗，也就越高了。前面我們解決了速度的問題，此時卻跑出了損耗的問題。因此，就必須使用高頻率電磁波的另一個重要特性——「高指向性」來克服損耗的問題。回溯到高中物理的印象，高頻的波擁有較多「走直線」的特性，而低頻的波擁有較多「繞射」的特性。可以由圖一觀察出來。圖一是把一個波經由一個孔徑傳輸出去，若波長比孔徑大小來得長謂之低頻波，則由孔徑傳輸出去的波就像一個點波源一樣，進行能量分散、無方向性、廣播形式的傳播。反之，若波長比孔徑來得小得多，則為高頻波，這個時候波就會比較趨向往同一個方向傳播，這種往同一方向傳播的行為我們稱之為窄波束或高指向性。因此，就能量守恆的觀點，雖然高頻的訊號衰減較大，但是我們可以透過能量集中的方式，把要傳輸訊號的能量集中在某一個角度內傳輸。這樣子，能量的使用反而比低頻波的無向性傳播還來得有效率。如此也可以有效的克服高頻波的衰減問題了。
由於高頻波使用指向性的傳輸方式，行動通訊若使用高頻波，就和低頻波的廣播形式會有很大的不同，由圖二表示。若使用廣播型的行動通訊的話，基地台發射的訊號，每個使用者都會接收到。然後，每個使用者再根據行動通訊的協定來判斷這個訊號是否要收下來使用，當使用人數眾多的時候，很多的時候使用者其實是在濾除不要的、其他使用者的訊號，對通訊頻寬的利用性而言就不是很有效率。然而若 使用圖二（b）的窄波束通訊。使用者1和基地台是直接以窄波束對傳。而使用者2和基地台，也可以透過窄波束和阻擋物的反射對傳。重點在於，使用者1和使用者2之間是使用不同的波束。因此，這兩者理論上可以使用相同的頻率、相同的時間， 而不互相干擾。若使用毫米波通訊的話，除了俱有寬頻寬的好處之外，也同時俱有 窄波束通訊也是另一個大大增加系統使用者容量的好處。
至於這一種可以掃描角度指向性天線， 要如何設計呢？最簡單的方式，使用一個高指向性的天線，再加裝馬達控制轉角。圖三就一個高指向性天線加裝在機械式轉台的例子。然而這種機械結構調整速度不夠快，而且實際在使用的時候，使用者就可能看得到基地台上的天線不斷忙碌的指來指去。應該不是個很好的體驗，因此電子控制型的高指向性掃描角度的指向性天線就變成很重要的關鍵了。
要實現可以掃描角度的電子控制型的指向性天線，需要用到相位陣列（Phased array），或稱波束合成（Beam forming） 的技術，相位陣列的原理可由圖四說明。 圖四中，有4個天線，每個天線前加裝一個相移器，當相移器做適當的調整時，每一個天線所發射出的電磁波就會有不同的相位差。如果以巨觀的的觀點看這整體的波，我們可以想像這些不同相位的電磁波，正合成一個往某一個傳輸方向的電磁波。例如圖四中，若把波谷連在一起，就可以很容易的感覺到這個電磁波傳輸方向是微往下的方向。
於是，改變天線的傳輸方向，就不再需要笨重的馬達，而只要輕巧反應快的相移器即可。此外，這種電子控制的方式還可以一次發射多組波束，能真正的符合第五代行動通訊的需求了。
而實際在製作第五代行動通訊的相位陣列系統，其實還是有很多的挑戰。以技術來說，因為以往的通訊產業大部分都專注在3GHz以下的商用頻帶，比較少有產業專 注在毫米波的技術。而毫米波的技術，包括天線設計、IC設計、系統組裝（把IC和 天線組成一個可以使用的模組）、毫米波量測等，都與以往3GHz以下的技術有很 大的不同。舉例來說，3GHz的波長約為 10cm，而28GHz的波長約為1cm。同樣精細度的製作水準，以相位的概念，在3GHz和在28GHz可以高達10倍的差距。因此設計的製程、設計的方法，都需要有不一樣的方式設計。而毫米波的系統以往是使用在軍事雷達方向較多。軍事雷達的規格較高，使用的情況和商用情況有所不同。因此，這樣子的技術加以修改，也是令人期待的一種方式。相較於3GHz以下的微波系統設計，毫米波陣列系統需要的精度高，且因為陣列的原因，會需要將多組天線或傳輸元件整合在一起（目前的需求至少為64個單元），相反的3 GHz以下的通訊只需要一組天線或傳輸元件。所以成本以及設計方面，都是很大的挑戰。
結論
隨著人類技術的進步，無線通訊的品質也越來越好。從一開始的通話，到現在的高速上網。都是一連串技術的突破才可以享有的成果。雖然由於第五代行動通訊所需的波束合成技術，是挑戰性很高。然而第五代行動通訊的大容量高速度，更是有擋不住的魅力。這樣子的動力，吸引著工程師、科學家們不斷往前、突破。