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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10 GHz 系統下擁有100 MHz 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 35 MHz 的頻寬是由 若干個10 MHz 或 15 MHz 的頻寬 組成。載波頻率最低為700 MHz, 最高到1800 MHz。 以載波 700 MHz,一個通道10 MHz 的狀況分 析,比例頻寬最寬為1∕70。如果將 頻率提升到28 GHz 之下,在 1∕70 的比例頻寬下,則有 400 MHz 的頻 寬。目前5G的毫米波頻率有28、39 甚至 60 GHz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】