LTE筆記: 5G NR mmWave (Qualcomm X50)
最近看到報導, Qualcomm 的 5GNR 毫米波通訊晶片和天線已經上市,
https://chinese.engadget.com/2018/07/23/qualcomm-5g-mmwave-antenna-rf-module/
一方面, 這是一個通訊應用的突破,
在 3GPP 和 Qualcomm 的強力推動下, 毫米波通訊似乎看到曙光,
另一方面, 也讓人懷疑這項技術能走多遠,
會不會像之前的 Relay 或 CoMP, 成為一個只在標準中的技術?
5G NR 的其中一個特點, 就是對多樣型態的無線技術支援,
當我們要提升傳輸頻寬, 其中一個可能性就是使用毫米波通訊.
然而, 毫米波通訊在通訊界提出已久, 但是實際的應用一直無法實現,
因此, Qualcomm 在他們的介紹文宣中,
宣稱毫米波通訊會是他們既CDMA以來, 下一個重要突破.
(Note: 本文的圖片皆來自於以下連結)
https://www.qualcomm.com/invention/5g/5g-nr/mmwave
https://www.qualcomm.com/media/documents/files/making-5g-mmwave-a-commercial-reality-in-your-smartphone.pdf
在5G NR中, 定義的毫米波通訊的頻帶在 24GHz 以上,
包括: 24.25-27.5 GHz, 27.5-29.5 GHz 的頻帶,
比起傳統學界所定義的 60GHz, 頻帶較低, 氧衰減也較不明顯,
但也不會是ISM頻寬, 因此, 不會和 802.11ad 衝突.
縱然是在一個相對單純的環境下,
毫米波通訊仍然有許多問題, 也因此 Qualcomm 才視之為另一個革命,
首先, 是毫米波的訊號衰減過快, 訊號覆蓋範圍一直是一個問題,
第二, 毫米波通訊對於障礙物, 角度十分敏感, 如何確保連續通訊也會是問題,
第三, 對於終端應用來說, 毫米波天線的設計會是全新的挑戰,
為了解釋以上挑戰與 Qualcomm 的回應,
我們先回顧一下毫米波通訊的特性,
不同於傳統 6GHz 以下的無線通訊, 毫米波以天線陣列取代單一天線,
並利用天線陣列的特性, 產生指向性的天線場型,
這種指向性的天線場型, 可以增強特定方向上的訊號強度,
換句話說, 當指向的方向錯誤時, 通訊效果較原本全向性天線來得差.
同時, 由於電磁波的特性, 頻率越低, 對障礙物的穿透性越強 (由於繞射和衰減),
因此, 毫米波在複雜環境中, 其多通道效益明顯, 而且變化劇烈.
以下為 Qualcomm 在毫米波通訊上的實驗數據:
多通道特性
天線的方向性:
阻礙物 (手握) 的影響:
考慮到以上特性, Qualcomm 在設計該通訊系統時,
首先, 運用天線陣列的特性, 產生指向性的天線場型, 增加覆蓋率,
基地台方面為 128~256 個天線單元, 使用者端則為 4~32 個天線單元,
考慮到指向性其實只增益單一方向的訊號強度,
Qualcomm 也發展了 3D 的波束指向與波束追蹤技術,
用以確保使用者隨時都在服務範圍內.
對於多通道效應的影響,
Qualcomm 的解決方案應該是以 coding 的方式解決,
在該文件中, 特別說明了其 LDPC code 與 OFDMA 的設計,
不過這邊我沒有深入研究, 故不多言.
最後對於阻礙物的影響,
Qualcomm 採取一個直接的解法, 增加天線模組的數量,
根據文件資料, 一個天線模組應有 4 個天線單元,
而一個 X50 通訊晶片能夠支援 2-4 個天線模組,
直接藉由天線模組位置上的差異性, 來解決此問題.
最後給予一些個人的意見:
在我的觀察中, 決定毫米波成敗的應該是波束指向與波束追蹤技術,
考慮到此技術的困難性, 毫米波通訊應該要從固定的裝置開始,
例如, 像是無線固網技術 (Wireless backhaul),
或者, 從近場通訊開始, 因為在此應用情境下, 衰減不明顯,
對於方向準確估計的要求並不強烈,
事實上, 以上兩個也是 802.11ad 目前較成熟的應用情境,
前者有 ignitenet 的實作: https://www.ignitenet.com/wireless-backhaul/
後者則像是 Intel 和 htc vive 的合作:
https://blog.vive.com/tw/2017/05/30/vive-intel-wireless-vr-wigig/
https://chinese.engadget.com/2018/07/23/qualcomm-5g-mmwave-antenna-rf-module/
一方面, 這是一個通訊應用的突破,
在 3GPP 和 Qualcomm 的強力推動下, 毫米波通訊似乎看到曙光,
另一方面, 也讓人懷疑這項技術能走多遠,
會不會像之前的 Relay 或 CoMP, 成為一個只在標準中的技術?
5G NR 的其中一個特點, 就是對多樣型態的無線技術支援,
當我們要提升傳輸頻寬, 其中一個可能性就是使用毫米波通訊.
然而, 毫米波通訊在通訊界提出已久, 但是實際的應用一直無法實現,
因此, Qualcomm 在他們的介紹文宣中,
宣稱毫米波通訊會是他們既CDMA以來, 下一個重要突破.
(Note: 本文的圖片皆來自於以下連結)
https://www.qualcomm.com/invention/5g/5g-nr/mmwave
https://www.qualcomm.com/media/documents/files/making-5g-mmwave-a-commercial-reality-in-your-smartphone.pdf
在5G NR中, 定義的毫米波通訊的頻帶在 24GHz 以上,
包括: 24.25-27.5 GHz, 27.5-29.5 GHz 的頻帶,
比起傳統學界所定義的 60GHz, 頻帶較低, 氧衰減也較不明顯,
但也不會是ISM頻寬, 因此, 不會和 802.11ad 衝突.
縱然是在一個相對單純的環境下,
毫米波通訊仍然有許多問題, 也因此 Qualcomm 才視之為另一個革命,
首先, 是毫米波的訊號衰減過快, 訊號覆蓋範圍一直是一個問題,
第二, 毫米波通訊對於障礙物, 角度十分敏感, 如何確保連續通訊也會是問題,
第三, 對於終端應用來說, 毫米波天線的設計會是全新的挑戰,
為了解釋以上挑戰與 Qualcomm 的回應,
我們先回顧一下毫米波通訊的特性,
不同於傳統 6GHz 以下的無線通訊, 毫米波以天線陣列取代單一天線,
並利用天線陣列的特性, 產生指向性的天線場型,
這種指向性的天線場型, 可以增強特定方向上的訊號強度,
換句話說, 當指向的方向錯誤時, 通訊效果較原本全向性天線來得差.
同時, 由於電磁波的特性, 頻率越低, 對障礙物的穿透性越強 (由於繞射和衰減),
因此, 毫米波在複雜環境中, 其多通道效益明顯, 而且變化劇烈.
以下為 Qualcomm 在毫米波通訊上的實驗數據:
多通道特性
考慮到以上特性, Qualcomm 在設計該通訊系統時,
首先, 運用天線陣列的特性, 產生指向性的天線場型, 增加覆蓋率,
基地台方面為 128~256 個天線單元, 使用者端則為 4~32 個天線單元,
考慮到指向性其實只增益單一方向的訊號強度,
Qualcomm 也發展了 3D 的波束指向與波束追蹤技術,
用以確保使用者隨時都在服務範圍內.
對於多通道效應的影響,
Qualcomm 的解決方案應該是以 coding 的方式解決,
在該文件中, 特別說明了其 LDPC code 與 OFDMA 的設計,
不過這邊我沒有深入研究, 故不多言.
最後對於阻礙物的影響,
Qualcomm 採取一個直接的解法, 增加天線模組的數量,
根據文件資料, 一個天線模組應有 4 個天線單元,
而一個 X50 通訊晶片能夠支援 2-4 個天線模組,
直接藉由天線模組位置上的差異性, 來解決此問題.
最後給予一些個人的意見:
在我的觀察中, 決定毫米波成敗的應該是波束指向與波束追蹤技術,
考慮到此技術的困難性, 毫米波通訊應該要從固定的裝置開始,
例如, 像是無線固網技術 (Wireless backhaul),
或者, 從近場通訊開始, 因為在此應用情境下, 衰減不明顯,
對於方向準確估計的要求並不強烈,
事實上, 以上兩個也是 802.11ad 目前較成熟的應用情境,
前者有 ignitenet 的實作: https://www.ignitenet.com/wireless-backhaul/
後者則像是 Intel 和 htc vive 的合作:
https://blog.vive.com/tw/2017/05/30/vive-intel-wireless-vr-wigig/
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