Source : http://www.ni.com/white-paper/53096/zht/
毫米波 (Millimeter Wave，簡稱 mmWave) 又稱為「極高頻」(Extremely High Frequency， EHF)，是指波長由 1 mm 到 10 mm 的電磁波，頻率範圍是 30 到 300 GHz。在無線電頻譜裡，毫米波位於微波和紅外波的範圍內，是一種「太赫茲波」(tera hertz wave)。毫米波的主要應用層面包括電子通訊、軍用通訊、科學研究、醫療，也是 5G 無線通訊發展中的關鍵因素。
無線裝置創造並消耗資料的同時，連接這些裝置的無線通訊基礎設施也必須隨之演進，才能滿足成長的需求。相較於 6GHz 以下的頻譜，毫米波 (Millimeter Wave) 的頻譜不僅非常充裕，而且只要稍微經過授權就能使用，因此世界各地的業者都能運用毫米波。
無線裝置數量與其消耗的資料量，每年都以等比級數增加 (年複合成長率為 53%[1])。無線裝置創造並消耗資料的同時，連接這些裝置的無線通訊基礎設施也必須隨之演進，才能滿足成長的需求。 3GPP[2] 所定義的三種高階 5G 使用案例 (圖 1)，其目標是隨時隨地提供可用的行動寬頻資料；然而，僅僅提升 4G 架構網路的頻譜效率，並不足以提供所需資料速率的步進函式。有鑑於此，研究人員正在研究像毫米波這類更高的頻率，希望得到可行的解決方案。早期在通道探測作業得到了正面的結果，使得世界各地的無線標準化組織皆重新調整研究重點，為要了解新一代 5G 無線系統如何整合並運用這些新的頻率與較高的頻寬。
各個使用案例都是針對未來的無線標準所設計，藉此讓這些標準針對新應用補足既有無線標準的不足之處，而各案例都需要一組不同的全新關鍵績效指標 (KPI)。 IMT 2020 使用案例所定義的增強型行動寬頻 (eMBB)，預期能達到 10 Gb/s 的尖峰資料速率，比 4G 快了 100 倍[3]。 Shannon Hartley 定理指出，容量為頻寬 (即頻譜) 與通道雜訊的函式，因此資料速率確實與可用的頻譜有關[4]。 由於 6 GHz 以下的頻譜已經分配完畢，所以 6 GHz 以上 (尤其是毫米波範圍內) 的頻譜，可說是因應 eMBB 使用案例的理想替代方案。
世界各地的電信業者為了服務客戶，已在頻譜上花費了數十億美元。 拍賣訂價凸顯出頻譜這類寶貴資源的市場價值，以及供不應求的特性。 開發新的頻譜讓電信業者不僅能服務更多使用者，還能提供更高效能的行動寬頻資料傳輸體驗。 相較於 6GHz 以下的頻譜，毫米波的頻譜不僅非常充裕，而且只要稍微經過授權就能使用，因此世界各地的業者都能運用毫米波。 此外，現代矽製造技術已大幅降低毫米波設備的成本，所以在價格方面，這些設備已可用於消費型電子產品。 而採用毫米波所面臨的挑戰，主要在於此頻譜仍未經過完整研究，有尚待解決的技術問題。
電信業者已開始研究毫米波技術，以便評估最適合行動應用的頻率範圍。 國際電信聯盟 (ITU) 與 3GPP，已共同規劃確立 5G 標準的兩階段研究。 第一階段研究將著重於 40 GHz 以下的頻率，以便迎合部分較急迫的部分商業需求，並將於 2018 年 9 月完成此階段研究。第二階段則預計從 2018 年開始，於 2019 年 12 月結束，目的是達成 IMT 2020 所列的 KPI，並且會著重研究高達 100 GHz 的頻率，同樣屬於毫米波的頻率範圍之內。
為了統一全球的毫米波頻率標準，ITU 在近期的世界無線電通訊大會 (WRC) 結束後，公佈了 24 GHz 到 86 GHz 之間的全球可用頻率建議清單[5]：
| 24.25-27.5GHz | 31.8-33.4GHz |
| 37-40.5GHz | 40.5-42.5GHz |
| 45.5-50.2GHz | 50.4-52.6GHz |
| 66-76GHz | 81-86GHz |
ITU 提出建議不久後，美國聯邦通信委員會 (FCC) 便於 2015 年 10 月 21 日發佈了擬議規範公告 (NPRM)，針對 28 GHz、37 GHz、39 GHz 與 64-71 GHz 頻帶，提出靈活的新服務規則[6]。
圖 2： 擬議為行動用途的 FCC 頻帶[6]
當 ITU、3GPP 與其他標準組織決定以 2020 年做為定義 5G 標準的期限時，手機電信業者正加緊腳步推出 5G 服務。 美國的 Verizon 與 AT&T 致力於在 2017 年推出 5G 的初始版本；韓國計劃在 2018 年奧運推出 5G 的測試版本；日本則打算在 2020 年東京奧運展示 5G 技術。透過各方所訂定的不同目標，適用於 5G 的毫米波頻率選項也逐漸浮上檯面： 28 GHz、39 GHz 與 72 GHz。
這三種頻帶能脫穎而出的原因有很多。 首先，不像 60 GHz 必須承受約 20 dB/km 的氧氣吸收損失[7]，這三種頻率的氧氣吸收率遠低於此數值 (如下圖所示)，因此較適合長距離通訊。 這些頻率也能在多路徑環境中順利運作，並且能用於非可視判讀 (NLoS) 通訊。 透過高定向天線搭配波束賦形與波束追蹤功能，毫米波便能提供穩定且高度安全的連結。 紐約大學理工學院 (NYU Polytechnic School of Engineering) 的 Ted Rappaport 博士與他的學生，已開始著手研究 28 GHz、38 GHz 與 73 GHz 的通道屬性與潛在效能。 他們藉由傳播量測與研究，探討這些頻率潛在的服務中斷情形，並且已發表多篇相關論文。 透過這些頻率的現有資料與研究，結合全球可用的頻譜，便能從這三種頻率開始執行毫米波的原型製作。
28GHz
如上所述，電信業者都急切想要取得未分配的大量毫米波頻譜；而毫米波頻譜會使用哪些頻率，這些業者將是深具影響力的關鍵要角。 在 2015 年 2 月，Samsung 執行了自己的通道量測，並發現 28 GHz 的頻率可用於手機通訊。 這些量測結果，驗證了都市環境中預期會發生的路徑損耗 (非可視判讀 (NLoS) 連結中的路徑損耗指數為 3.53)，Samsung 進而宣稱，此數據指出毫米波通訊連結可支援 200 公尺以上的距離[8]。 該研究還包含相位陣列天線的運用。 Samsung 也開始相關設計，以便讓手機能夠容納精密的陣列天線。 在日本，NTT Docomo 與 Nokia、Samsung、Ericsson、Huawei、Fujitsu 共同合作，針對 28 GHz (以及其他頻率) 順利完成了現場測試。
2015 年 9 月，Verizon 宣布他們與 Samsung 等重要合作夥伴，將於 2016 年在美國執行現場測試。這比訂定 5G 標準的擬議期限 2020 年還早了 4 年，使得 Verizon 成為 5G 市場的先行者。 2015 年 11 月，Qualcomm 透過 128 支天線針對 28 GHz 執行實驗，在人口密集的都市環境中，展現了毫米波技術的效能，以及定向波束賦形如何用於非可視判讀通訊。 而在 FCC 宣佈 28 GHz 頻譜可用於行動通訊後，進一步的實驗與現場測試，勢必會在美國持續進行。 Verizon 也公佈了租用 XO Communications 的 28 GHz 頻譜的協議，其中包含於 2018 年底買下頻譜的購買選擇權。
然而，請注意 28 GHz 頻帶並不在 ITU 的全球可用頻率清單上， 因此，仍無法確定此頻帶是否能成為 5G 毫米波應用的長期頻率。但基於此頻譜在美國、韓國與日本的可用性，以及美國電信業者在早期現場測試的投入，28 GHz 有可能在不符國際標準的情形下直接應用於美國的行動技術。 韓國於 2018 年奧運展示 5G 技術的目標，也可能在標準組織確定 5G 標準之前，便促使消費型產品運用 28 GHz 技術。 然而，此頻率不在國際行動通訊 (IMT) 頻譜清單上的事實，已經引起了 FCC 委員的注意。 2016 年 2 月在華盛頓的一場演講中，Jessica Rosenworcel 委員提到：
「當我們把眼光放遠，就會發現有些地方美國是必須獨自前往的。 這包含了 28GHz 頻帶…可惜的是，在去年於日內瓦舉辦的世界無線電會議上，這個頻帶並未納入討論，也沒有列在 5G 頻譜的研究清單上。然而，由於這個頻帶可分配至全球的行動應用，因此我認為美國應該繼續探索這個新頻譜。南韓與日本都已著手測試這個頻帶，我們現在也不能停下來。我們必須自己獨自前行，並在年底前完成適用於 28GHz 頻帶的框架」。
另一名委員 Michael O’Rielly 甚至在部落格寫了一篇長文章，藉此向 FCC 表達他對 2015 年世界無線電會議 (WRC) 結果的不滿：
「這讓我開始思考 WRC-15 所發生的事、其帶來的實際效果，以及其往後對 ITU 所扮演角色的影響。 這些做法很可能會破壞未來 WRC 的價值，並增加 ITU 淪為工具的風險，使其受到政府與現有頻譜用戶的控制，進而阻礙了頻譜效率與技術進展[9]」
現在仍不清楚 28 GHz 是否會廣泛用於 5G 毫米波應用，但能確定的是此頻率在現階段非常重要。
73GHz
在 28 GHz 相關研究展開的同時，E 頻帶也在近幾年引起了行動通訊領域的注意。 73 GHz 就是另一種備受矚目的毫米波頻率。Nokia 運用了紐約大學的 73 GHz 通道量測結果，開始研究此頻率。 在 2014 年的 NI Week 年會上，Nokia 透過 NI 原型製作硬體，展示了他們第一個 73 GHz 空中傳輸 (OTA) 技術。 這套系統隨著研究進行不斷演進，並持續透過公開示範來展示新的技術成就。 在 2015 年的行動世界會議 (MWC) 上，這套原型驗證系統已能藉由透鏡天線與光束追蹤技術，執行每秒超過 2 Gbps 的資料傳輸。 此系統的 MIMO 版本，則在布魯克林 5G 高峰會議上展出，可執行高達 10 Gbps 的資料傳輸；而在不到一年後的行動世界會議上，這套原型展示了雙向空中傳輸連結，傳輸速率超過 14 Gbps。
在 2016 年的行動世界會議上，Nokia 不是唯一進行 73 GHz 技術示範的廠商；Huewei 與 Deutsche Telekom 也一同展示了可於 73GHz 運作的原型。 這項示範採用多使用者 (MU) MIMO，展示了高頻譜效率，以及針對個別使用者超過 20 Gbps 傳輸率的潛力。
有些 73 GHz 的研究已開始進行，未來三年預計將有更多相關研究。 其中一項可用以區分 73 GHz 與 28 GHz、39 GHz 的特性，是可用連續頻寬。 73 GHz 中有 2 GHz 的連續頻寬可用於行動通訊，是擬議頻率頻譜中範圍最廣的。 相較之下，28 GHz 僅提供 850 MHz 的頻寬；而在美國，39 GHz 附近就有兩個頻帶提供 1.6 GHz 與 1.4 GHz 頻寬。 此外，如 Shannon 定理所述，更高的頻寬便代表更高的資料傳輸量；因此與其他上述頻率相比，73 GHz 具備了強大優勢，是毫米波中一種重要的頻率。
38GHz
雖然目前 38 GHz 在進行中的公開研究資料最少，但仍有機會成為 5G 標準的一部分。 ITU 已將 38 GHz 列於全球可用頻率清單， 而且根據紐約大學的研究，已有通道資料可證明其為可用的毫米波頻率。 然而，相較於 28 GHz 或 73 GHz，38 GHz 有更多現有用途，因此要將其納入 5G 標準，將是一項挑戰。 FCC 已針對可能的行動應用擬議頻譜，以便加速美國未來針對此頻帶的研究。
當 Verizon 著手 2016 年的 28 GHz 初期現場測試時，已擬定計畫要測試 39 GHz。 XO Communications 除了擁有 28 GHz 的授權外，也擁有大量的 39 GHz 授權。 39 GHz 有電信業者的大量投資，同時也名列 IMT 清單中，無疑是 2020 年 5G 標準的候選頻帶之一。
由於毫米波通道的基本屬性與目前的手機模型不同，而且未知事項較多，因此研究人員必須開發新的技術、演算法與通訊協定，才能充分發揮 mmWave 在 5G 領域的潛力。 建立毫米波原型 (mmWave prototype) 非常重要，尤其是在早期階段。 由於僅靠模擬是無法展示毫米波技術或概念的可行性，所以必須建立毫米波原型。毫米波原型能夠在多種情境下，透過 Real-Time 的空中傳輸方式執行通訊作業，可以藉此解開毫米波通道的秘密，並且促進毫米波技術的應用與推廣。
要建立完整的毫米波通訊原型時會面臨多個難題。 假設有一個可處理多重 GHz 訊號的基頻子系統。 目前多數的 LTE 實作皆使用 10 MHz 通道 (最高 20 MHz)，而且運算量隨著頻寬線性增加。換句話說，運算能力必須提升 100 倍以上才能滿足 5G 資料速率的需求。 此外，毫米波原型製作必須用到 FPGA，才能執行毫米波系統的實體層運算。
要針對毫米波應用建立原型製作的客制硬體是相當困難的任務。 由於毫米波頻率具備大量的連續頻寬，因此非常適用於通訊作業。 要找到具備 1 到 2 GHz 頻寬 (此為 5G 應用所需) 的現成硬體傳輸器或接收器，成本相當高昂；在某些頻率下，甚至無法找到符合這項條件的儀器。 就算真的找到了這種硬體，其設定並處理原始資料的能力也有限，甚至可能毫無處理能力。 因此，設計客制的 FPGA 處理機板，便成為深具吸引力的選擇。 設計 FPGA 機板硬體的時間或許不需要很久，但如果還要開發與其通訊的軟體介面，就算是最有經驗的工程師，也可能需要一年 (甚至更久) 才能完成， 這還只是毫米波原型驗證系統的一部分而已。
除了 FPGA 機板之外，mmWave 原型驗證系統需要運用最先進的 DAC 與 ADC 才能擷取 1 到 2 GHz 之間的頻寬。 目前市面上，有部分 RFIC 具備可於基頻與毫米波頻率之間轉換的晶片，但這些產品選擇有限，且大多僅能用於 60 GHz 頻帶。 IF 與 RF 階段可做為 RFIC 的替代方案， 工程師一旦有了基頻與 IF 解決方案，供應商便能針對毫米波無線電站，提供更多基頻 RFIC 以外的選擇，但是選擇依然不多。 開發毫米波無線電站，需要 RF 與微波設計的專業技術，這與開發 FPGA 機板所需的技術完全不同，因此團隊必須具備多種專業，才能開發出所有必要的硬體。 FPGA 是毫米波基頻原型驗證系統的核心元件，而要設計出能處理多重 GHz 通道的多重 FPGA 系統，將使系統更加複雜。 為了滿足服務供應商與通訊研究人員在系統複雜度與軟體的需求，NI 提供一組可設定的毫米波原型製作硬體，以及附有原始碼的毫米波實體層，其囊括毫米波系統基頻的基本特性，並為橫跨多個 FPGA 的資料遷移與處理作業提供抽象化功能，簡化工作的複雜度。 這些工具都是為了將新的毫米波原型整合到系統與產品內所設計，並對 5G 技術的開發有重大影響。
雖然還不清楚未來會如何應用 5G 技術，但能確定的是，毫米波勢必會名列其中。 為了滿足資料傳輸量的需求，使用 24 GHz 以上的大量連續頻寬將成必要；而研究人員也已透過原型製作，展示毫米波技術可達到 14 Gbps 以上的傳輸速率。 現在尚待解決的最大問題是，行動通訊要使用哪個毫米波頻帶。 ITU 或許能提供助力，為 5G 的行動應用設置一個頻率。 而開發成本的降低，以及只在手機上使用一組 (而非多個) 矽晶片的技術，是當前手機普及全球的關鍵原因，手機製造商與消費者也受惠於此。 然而，要重新分配現有頻率，所費不貲。 找到一個全球都同意使用的頻帶，是值得奮鬥的目標，但最終也可能無法達成。 由於時程緊迫，各地的服務供應商選擇忽視 ITU 的建議，並選擇那些雖然不是全球通用，但現在就能使用的頻譜。 這些服務供應商也發揮自身能力的優勢，透過現場測試製作雙向通訊連結的原型 (5G 開發的關鍵部分)，進而讓研究人員展示這項新技術，並用前所未有的速度將新技術標準化。
儘管仍有許多未知的部分，但有一件事是可以確定的：未來一定會佈署毫米波技術，而且會以很快的速度執行。 新一代的無線通訊即將登場，而全世界都在關注並觀察未來毫米波技術的應用方式。
