2019年4月29日

新世代5G傳輸技術— 大規模MIMO 系統與波束合成技術

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。

(Photo by picjumbo.com from Pexels)
「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(T_1~T_n)及組接收機(R_1~R_n)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:
圖一:多組發射機(T_1~T_m)以及多組接收機(R_1~R_n)的訊號路徑圖。

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。
圖二:擁有MIMO功能的Wi-Fi 無線基地台照片圖。(作者提供)
圖三:多使用者多輸入輸出系統訊號傳輸圖。

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。圖三是一個多使用者MIMO系統,在此一個基地台有多組發射天線,但有多個使用者;有些使用者有多組天線,有些使用者只有單個天線。而基地台的每一個天線都可以和每一個使用者進行訊號傳輸,且每個基地台和使用者之間都會各有一個傳輸矩陣,於是,基地台就要辛苦的把這些矩陣分別計算出來。當使用者眾多的時候,基地台就必須提供非常多組輸出通道,才能讓每個使用者可以享有高速通訊的好處。所以,5G的基地台就需要配置多組發射天線,目前最少需 64個天線,亦有到 256 個甚至更多的設計。 ......【更多內容請閱讀科學月刊第593期】