NO.59 | 2019.09.30
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5G NR導入Massive MIMO之效益_檢測暨網通技術組 陳耀坤工程師

  過去無線通訊射頻設備的射頻(RF)特性檢測,可使用傳導(Conducted)方式量測,只需從設備天線端口將天線卸下後,裝上RF傳輸線就可與頻譜分析儀等儀器設備作直接連接測試,FR1的部份仍尚可使用此方法進行測試,但在FR2的範圍,因為其天線型態幾乎是確定會選用巨量天線(Massive MIMO),此類天線型態無法將天線逐一牽引出端口作傳導方式量測,故在量測上需使用OTA(Over The Air)方式量測,OTA量測方法增加了許多測試成本與困難度。OTA測試方法的研究當然也是3GPP探討的重要議題之一,但本文探討重點將先著重於為什麼5G NR(New Radio)會選用Massive MIMO作為其傳輸型態呢?

  5G NR頻段範圍,分成兩大部份,FR1與FR2,FR1過去常稱為Sub 6GHz,但3GPP於今年已將FR1範圍從原本6GHz修正至7125MHz,FR2的部分至目前(2019Q2)為止維持不變,仍然為24250MHz–52600MHz,此FR2的頻率範圍即為毫米波 (mmWave)頻段,如下表1所示。
 

 表1:Definition of Frequency Ranges
(資料來源:3GPP , “TS 38.104 V16.0.0(2019-06) 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group  Radio Access Network; NR; Base Station (BS) radio transmission and reception”)
                                                     
  假設在理想狀況下,傳送端向接收端發射訊號,接收端收到的訊號功率為Prx,如下式表示,Ptx為傳送端發射的功率, R為傳送與接收端的距離,λ為訊號的波長,Gtx與Grx分別為傳送端與接收端的天線增益。根據電磁波特性頻率越高波長就越短,從式子中可以看出接收功率將會依波長縮減的平方快速減少,目前國內4G最高頻率為2600MHz,FR2最低頻率在24250MHz,其波長相差約10倍,平方後差100倍,訊號能量在等傳送距離下減少了100倍,將會嚴重造成訊號品質不好,甚至斷訊,或是使傳送距離過短,若要提高接收功率,有幾個面向可以改善:
 

圖1:Prx方程式
(資料來源:ShareTechnote , http://www.sharetechnote.com/
  1. 增加傳送端輸出功率,即提升Ptx。
  2. 縮減接收端與傳送端間距離,即減少R。
  3. 增加波長,即增加降低頻率。
  4. 增加傳送端的天線增益,即增加Gtx。
  5. 增加接收端的天線增益,即增加Grx。
  根據以上5點,可以如何提高接收功率呢?傳送端功率不可能不斷的提升;減少距離也非大家樂見,因為減少傳送距離表示需要更密集的基地臺,將提高建置成本;頻率部分也不可能降低,需要更大的傳輸頻寬以滿足5G需求則必須在毫米波上傳送;因此,唯一可以解決的只有增加天線增益,而增加天線增益的方法非選用Massive MIMO不可。

  因為毫米波段的原因,天線尺寸變的非常小,接收能量區域也因而受限,故須採用Massive MIMO;Massive MIMO有波束成形(beamforming)的特性,波束成形技術利用對每一個天線元件的相對幅度與相位的調整,可將最大的功率波束  (beam)指向給特定的目標,且越大的天線陣列,其波束寬度可以越窄,即能量可以越集中,以達到提高傳送與接收端天線增益之目的。另外因為Massive MIMO天線數增加,本身就具備增加傳輸容量(Capacity)、提高頻譜效率的優點,進而可提高傳輸效率及可靠性,亦符合5G NR高傳輸容量的要求。

參考文獻:
  1. 3GPP,“TS 38.104 V16.0.0(2019-06) 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio  Access Network; NR; Base Station (BS) radio transmission and reception”
  2. ShareTechnote , http://www.sharetechnote.com/