第三代合作夥伴計畫（3GPP）將在2022年邁入5G Release 16並正式運營，包括美國、中國、韓國、日本等國，都相繼推出5G的相關服務。隨著5G演進發展至5G-Advanced，行動通訊的應用不再只侷限於手機通訊上，還將伴隨著許多新型的技術應用，如網路切片（Network Slicing）、非公共網路（Non-public Networks；NPN）、工業物聯網（IIoT）、蜂巢式車聯網（C-V2X）與NR Sidelink等。這些新的技術預計將帶動萬物智聯的可能性，並往前邁進一大步。

高頻信號挑戰

圖一 : 波束成形天線陣列對於5G的實現將扮演重要角色，因為手機可以在毫米波頻率下容納更多的天線元件。

全球5G發展正在加速，而台灣在這波行動科技的浪潮中處於領先位置。台灣愛立信總經理藍尚立表示，自2021年推出5G商用網路以來，官方數據指出台灣整體的5G用戶已經超過270萬，滲透率也超過11%。台灣的5G普及率，相較於其他更早推出5G的國家進展更快，這顯示台灣的5G發展速度居於全球前段。這或許可以歸功於電信營運商與政府部門對於高品質5G網路的重視，而透過各種第三方的行動網路表現調查，也發現台灣的5G網路品質，從速度到使用者體驗，在區域評比中皆有不錯的表現。

根據愛立信行動趨勢報告指出，過去約70～80％的行動數據流量是在室內產生的，這包含在建築內的系統所通過流量。現在，透過技術手段，可以更加準確地估計室內流量占室外基地台流量的比重。

在市區，大部分行動流量產生於室內。由於訊號穿過牆壁和窗戶時會減弱，對室外基地台提供通訊服務困難很大。特別是5G通訊更具挑戰性，因為5G使用的是超高頻段。無線訊號在發送者和接收者之間的空間中傳播，其功率強度會減弱，這叫做路徑損耗。造成路徑損耗的因素很多，包括自由空間損耗、穿透損耗、反射、折射和各種其他形式的訊號衰減。

愛立信認為，5G系統可以在各種載波頻率上運行，從低頻段1GHz以下的波段，到毫米波頻譜中的39GHz波段。較低頻率具有良好的覆蓋特性，而高頻段因為可分配的頻寬更大，傳遞的資訊容量更大。但是訊號衰減也會增加。頻率對路徑損耗的影響，可以透過測量視距內兩個相隔500公尺天線之間的訊號強度來查知。在極端情況下，與800MHz上的訊號相比，39GHz訊號的自由空間損耗量約為34dB（約99.96%）。

高頻段的另一個挑戰，是訊號穿透建築物的衰減。就訊號傳播而言，建築物可大致分為兩種類型。一類是有著類金屬層玻璃窗、鋁箔襯背牆壁板材、隔熱空心牆和厚鋼筋混凝土的現代節能建築；另一種是沒有這種材料的傳統建築。

800MHz訊號穿透節能建築，其損耗約是穿透傳統材料建築的50倍。39GHz訊號穿透節能建築的損耗，約是穿透傳統材料建築的240倍。為了補償與毫米波頻率相關的損耗，營運商可以使用一系列的解決方案，包括先進的天線系統、波束成形和室內系統。考慮到建築物穿透損耗很高，如果室內流量需求較大，那麼採用建築物內通訊解決方案就會更經濟。另一方面，為了更好地服務室外流量，營運商可能需要密集的大型基地台。也因此，對室內通訊量比重的精準預估，可以為網路投資決策提供更堅實的基礎。

覆蓋率的實現

5G到2020年底已經覆蓋了10億多人，到2020年底，全球5G人口覆蓋率約為15%，相當於超過10億人。5G網路的擴展持續加速，到目前為止，全球已有160多個5G商用網路問世。5G覆蓋率的擴展，可分為以下三大類頻段的建置：

●6GHz以下新頻段

●毫米波頻段

●現有的LTE頻段

從營運商已經採用的5G建置方式來看，各國之間存有很大的差異。在美國，上述三種類型都有採用，因此5G覆蓋了極大部分人口。在歐洲，包括德國和西班牙等國家，採用在現有頻段進行部署的方式，來獲得更高的覆蓋率。許多市場都提供了低於6GHz的頻段（通常稱為中頻段）的新頻段，實現了網路覆蓋、容量和速度的良好平衡。以中國為例，營運商就在中頻段部署了大量基地台。

營運商不斷尋求替代方案，透過使用新一代技術來增加覆蓋和容量。其中一種選擇是中止或關閉一項前世代網路技術（例如2G或3G），通常發生在適合使用4G或5G技術的中低頻段。另一個停止支援前世代網路的驅動因素，是可以降低網路複雜性和營運成本。然而，這需要考慮到幾個因素，例如終端裝置機組的能力和物聯網安裝基地等。

此外，還要考慮監管要求。中低頻段的覆蓋和容量增加，可以在不中止前世代網路的條件下實現（或逐步推進前世代網路中止），例如透過頻譜的共用。此外，如果前世代技術被關閉，相應的頻段將用於較新的3GPP技術上，並且不會對網路覆蓋率產生負面影響。

波束成形對5G的重要性

圖二 : 波束成形相位陣列示意圖（source：analog.com）

5G需要提供更多的容量和靈活性，同時也需要降低系統的營運費用。有幾種新技術可以同時達成容量以及能源效率的要求，除了虛擬化與大規模MIMO之外，毫米波波束成形也是非常重要的解決方法。

羅德史瓦茲指出，目前的行動網路正面臨許多挑戰。對行動高分辨率多媒體應用的需求不斷增加，使這些網路更加接近實際的極限。5G網路主要在於透過增加頻寬來提供更高的數據速率，進而到減輕基礎設施負擔的目的。考慮到傳統上用於行動通信的可用頻率不足，使得毫米波段成為一種合適的選擇。這些頻率的大頻寬有助於提供滿足5G需求的數據速率。

然而，在這些毫米波段的應用環境，要比目前使用的頻率複雜得多。較高的傳播損耗，根據環境的不同而會出現很大差異，需要新的網路基礎設施和新的硬體概念。也因此，波束成形天線陣列對於5G的實現將扮演重要角色，因為手機可以在毫米波頻率下容納更多的天線元件。除了更高的指令增益之外，這些天線類型還提供了複雜的波束成形功能。這允許透過直接瞄準用戶組來提高訊號干擾比（SIR），以增加蜂巢式網路的容量。此外，窄小的發射波束同時還能降低無線電環境中的干擾量，因此得以在農村等偏遠地區的接收器端維持足夠的信號功率。

結語

波束成形一般是用簡單的CW信號以及複雜的調製波形來運作。目前波束成形技術已被廣泛接受，將在下一代網路中發揮重要作用。許多5G主題仍然是正在進行的研究課題，但業界普遍採用的方向，包括小波束成形陣列和大波束成形陣列，後者部分只能透過毫米波波段中的較短波長來實現。目前市場上相關的廠商也都將持續優化5G測試解決方案，以滿足5G無線通信的技術和其他相關技術。