如何跨過5G的最後難關：毫米波技術與信號傳輸難題_風聞

5G商用即將來臨，但多數廠商仍在抱怨手上的產品和商務模式仍有許多尚待解決的困難。雖然並不是完全沒有進展，但很多問題可能到了5G產品實際上市時依然存在。

而其中最關鍵的問題就是如何實作5G的毫米波技術。眾所周知，毫米波是一種運作在明顯更高頻率的無線電運作方式。推然多數地區在布建5G的第一階段會使用6GHz以下的頻率，比如説中國會先在3.5GHz和4.8GHz頻段進行5G網絡布建，這個頻段的特性和既有的4G網絡相當類似，同樣可以沒有阻礙的進行長距離傳輸。

但真正的挑戰是毫米波，也就是30GHz左右的極高頻頻段範圍的信號和傳輸設計，關於信號的傳輸或者是MIMO天線設計的問題，已經有很多人討論過，也有了部份解決之道。但現在問題發生在毫米波天線與模塊的設計和製造方面，由於這些天線很多可能都會遷入到模塊之中，而不是外露的導線，這可能導致大量生產測試會有困難。

另外，天線設計的有效性主要取決於信號的覆蓋範圍，然而毫米波技術的短距離，遭遇城市的複雜信號信道，導致很難有效評估要多少基站才能在各種不同的環境中提供足夠的信號覆蓋。這些數字可能變化會很大，取決於城市中的地點、小區建物的結構，以及人員之間的干擾，畢竟使用了毫米波技術，即便是樹木，或者是壞天氣、人體本身，甚至氧氣濃度高一點，都會破壞毫米波信號的傳輸路徑。

而5G將與4G或3G一樣，在不同的地區會有不同的頻譜標準以及不同的波形設計，加上毫米波本身的信號特性，這將使得建構可以跨區域使用的5G設備將會格外困難。

毫米波其實並不是什麼新奇的技術，該技術幾十年來一直被使用在雷達等軍事應用之中，但作為軍事應用是一回事，畢竟雷達不需要考慮信號的完整性以及應用龐大終端數量在複雜環境中進行互聯的情境。但5G應用，尤其是手機終端，要讓這些設備能夠以不同的速度進行移動，同時又要保持連接，這會是困難至極的技術問題。

當5G接收端進行快速移動時(例如30mph)，6MHz及以下頻率的信道一致性可以毫秒計。而在毫米波範圍內，這一指標會下降到微秒級，也就是會造成嚴重的時延，這個問題並非不可能解決，但非常困難。

考慮到未來自動駕駛將會與智能城市以5G進行互連，這樣才能確保在最短的時延得到最完整的交通信息回饋與流通，自動優化整體交通狀況，但如果5G無法在持續移動的狀況下維持連接，並提供一致的信號質量，那麼所謂5G能帶給智能城市和自動駕駛的革命性進展，那也不過是幻想。

只是毫米波帶來的問題卻不小於其帶來的好處，基於6GHz以下頻段的5G網絡基站布建可能僅需略多於現有4G基站，亦或者持平，但毫米波基站的數量和布建密度必須遠大於4G基站，否則就無法得到足夠的覆蓋率，這樣就落入魚與熊掌的兩難陷阱之中。

業界曾估計，5G基地台之間的平均距離大概是250m~300m。但根據Conover報告指出，由於各種潛在障礙的綜合影響，大多數設備設計人員將目標定在150m~200m之間，從而達到充分的網絡覆蓋。

相比之下，即便在最密集的城市地區，4G基地台相隔也可能接近600m~800m(在更開闊的區域，它們可能相隔一到兩公里或更遠)。

這意味着，無線營運商將必須安裝比支持4G網絡更多的5G基地台。這會增加5G網絡部署的複雜度與成本。

另一個問題就是毫米波本身在數據通信的可靠性。波束成形(Beamforming)是一種經過驗證的維持連接的方式，該技術可以引導來自物體周圍的多個單元的信號，根據特定場景自動調整天線數組輻射模式的能力。然而終端設備接受和處理信號的程度非常倚賴天線數組的設計，然而實地測試是個漫長且缺乏效率的的過程，實際網絡布建可能又會與測試有所落差，造成最終消費者的體驗和理想狀況不同。但無論如何，在毫米波技術進到手機之前，他必須先在整體網絡環境先行到位。

5G天線模塊廠商表示，目前封裝和測試其實都已經可以支持無線天線測試，但目前進展並不是那麼樂觀。另一方面，不同地區不同運營商所使用的波形不同，更增加了相關設計的複雜性與測試難度，雖然目前正在定義新標準來解決問題，但面對業界對5G網絡的快速需求，恐怕緩不濟急。甚至可能網絡建設好了，終端出現了，相關標準才會完備。

另一方面，包含手機等5G終端的天線設計和測試問題的複雜性，恐怕會導致初代5G手機可能在信號傳輸方面表現不如預期，而這可能會像當年4G手機一樣，花費至少一兩代手機產品的時間才有可能比較完美的解決。

解決毫米波信號衰減問題的方法並不一致。 儘管如此，解決方案可能不僅僅是用small cell覆蓋建築物的牆壁。換個方向思考，對5G毫米波設備的技術達成方式可能會有更多不同的解法。

在行為方面，一種可能的解決方案是對上行鏈路和下行鏈路使用不同的技術。

如果移動設備必須在基站之間移動，真正的問題是上行鏈路，上行傳輸要使用波束成形很困難，因此運營商可以選擇將LTE用於上行鏈路，並將毫米波作為下行鏈路使用。

最重要的問題是基礎設施。大多數終端設備具有完全無線電功能，但對於基站，選擇是使用數字與仿真進行波束成形。 模擬電路的效率較低，這會在基站產生更多的熱量，也會消耗更多能源，這對數量龐大的Small cell小基站而言是不好的消息。

雖然5G標準允許同時使用仿真和數字，但二者的波束看起來相當不同。如果你使用數字波束，它會改變波形本身，為此必須額外對載波的相位進行調整。

回到前面提到的自動駕駛與智能城市等應用生態的配合，雖然移動中的汽車可能和城市基站的互聯會有很多問題，但汽車和汽車之間也有相對應的網絡標準正在形成之中，通過汽車之間的低時延網絡互聯，形成龐大的拓樸，可以彌補汽車和城市基站之間因移動造成的傳輸瓶頸。

因此，5G雖然是未來，但不一定只能用5G來解決問題，善用既有的網絡技術，配合即將到來的毫米波5G網絡，那麼5G網絡所宣稱的大帶寬、低時延、超多連接數等好處，才有可能讓消費大眾真正享受到。