5G毫米波通訊技術
5G毫米波通訊技術
毫米波簡述
毫米波為電磁波的一種，波長在1~10毫米，頻率介於30~300GHz間。因此被稱為「毫米波(mmWave)」。
從電磁波基本原理: 波長和頻率成反比關係，可得知。當波長短頻率高時，其物理特性: 穿透能量會降低，傳輸距離也會縮短。從此特性可知在毫米波的應用上，必須架設密集大量的小型基地台，以利訊號的傳導。且適用領域會偏向於室內傳輸，而不是室外連接。
毫米波現況
從4G通訊跨至5G通訊，毫米波帶來多項進步，最顯見的優點為以下三點。
- 高傳速: 和4G相比，5G因頻寬更廣，能提供更高的傳輸速度， 4G的每秒網速是 0.1Gbit/s， 5G的最高每秒網速是 10 Gbit/s，以網速來看 5G 比 4G 快了 100 倍，大幅縮短數據傳輸時間。
- 低延遲: 和4G相比，5G因頻率更高，其波長更短，能夠在更短時間內傳輸數據，4G的最低延遲時間為 30~70ms， 5G的最低延遲時間則低於 1ms，以平均延遲時間來看，縮短了將近 50 倍，大幅降低延遲傳輸資料時間。
- 廣連接: 和4G相比，5G引入了更高的頻譜頻率範圍，高頻譜波段具有更大的頻譜容量。4G 時，一個基地台只能連線大約100 台裝置，而到了5G時， 則能同時連接至上萬台裝置，5G大幅提升了基地台對裝置的連接台數。
依據3GPP定義，5G以6GHz頻段為界線，分成Sub-6與毫米波2個頻段。6GHz以下，也就是Sub-6，頻率範圍在450MHz至6GHz間，而毫米波頻段，則是24GHz至100GHz間。
但現今全球開通的5G訊號大多不是毫米波訊號，而是Sub-6G。原因為毫米波是近期5G技術突破後才開始採用的全新頻段， 且Sub-6的產業技術相對成熟， Sub-6的5G技術能在4G的技術基礎上進行延伸發展，意即Sub-6的基地台容易部署，又傳訊距離及覆蓋範圍又較毫米波來的長及廣，使許多國家將它設為5G的主要發展方向。
然而，Sub-6並不是沒有缺點， 目前Sub-6所涵蓋的頻段多數已被使用，因此能使用的空間變得相當有限，也有不少國家捨棄趨近飽和的Sub-6，進而轉向毫米波頻段發展5G。但因毫米波技術尚未成熟，且需要更高的成本去布建，因此在5G建設初期，仍以Sub-6為主要走向。
仍看好毫米波通訊技術的原因
既然毫米波的完整布建，就目前來看仍有一段距離才能完成，為何還看好毫米波技術發展?
由前述可知，毫米波具高傳速、低延遲、廣連接的特性。
故毫米波非常適合應用在需要快速且穩定的數據傳輸來實現即時反應的領域: 基地台、衛星通訊、自動駕駛、物聯網、智慧工廠、智慧醫療、軍事追蹤等。
毫米波的頻段目前可使用空間較大，故它能支援高速大容量的資料傳輸，也才能實現5G「高傳速、低延遲」的特性。且其能夠提供更高效、靈活且強大的連接性能，這使得在5G網絡中，更多的設備可以同時連接到同一個基站，從而實現更廣泛的連接，為未來大規模物聯網和智能化應用奠定基礎。
毫米波的缺點
但5G毫米波至今會難以普及的原因為其太容易受障礙物影響而產生衰減，甚至連空氣對毫米波的影響也很大，造成毫米波傳送距離短且穿透力有限。
雖然毫米波可以讓網速大幅提升，但毫米波的波長短、穿透力弱，其傳送距離約為200-300公尺，代表大約200公尺就要設一小型基地台，以利訊號傳輸。若要在所有地方都能擁有高速網速，就必須佈署大量基地台，其布建成本會相當可觀，故在短時間內是難以普及的。
克服毫米波缺陷的技術
雖毫米波有以上缺點，但毫米波的小型基地台若有控制波束的能力，以集中無線電能量避免能量四散及浪費訊號，此劣勢即能被克服，極大發揮毫米波的優點。
此關鍵技術為: 陣列天線波束成型技術+波束追蹤及相位控制技術。
陣列天線是由多個天線元件組成(圖一)，每個天線元件都有自己的輻射特性，它們可以獨立或合力運作，使波束成型對不同天線元件的信號施加不同的相位差。這意味著信號在到達每個天線元件時，相位將會有所不同。
波束的成型方向會依使用者裝置的方位，運用演算法達到自動追蹤並進行角度的切換，此過程並不需要手動去調整波束方向。
透過調整這些相位差，可以使特定方向上的信號能量進行加總，從而形成一個指向特定方向的波束。而波束成型技術還會考慮到波束的寬度，即波束在空間中的範圍。波束寬度越窄，波束聚焦的效果越好，但也意味著它對來自其他方向的信號反應較弱。
簡言之，陣列波束成型技術能靠天線搭載之晶片去動態調整訊號波束方向及流量，創造出具指向性且高能量又可靈活反應不同方向上的通信需求的波束。
在毫米波的小型基地台中，通過使用陣列天線波束成型技術，基站可以聚焦信號到特定的用戶或方向，提高傳輸速率和信號可靠性。對於5G的全球行動通訊系統覆蓋而言，陣列天線的波束成型技術是不可或缺的一環。(圖二)
詠業目前也正在研發陣列天線波束成型技術，預計2023年底會正式發表。
隨著越來越多毫米波相關實際應用技術被發表出來，毫米波的未來發展指日可待!
(圖二: 具指向性的波束)
