毫米波 5G 沒被淘汰

當 5G 的定義標準首次發佈時，最引人注目的一個事實是，它將採用毫米波頻率，一個沒有無線電信業者或只有幾家願冒險涉足的頻譜區。其計劃在電磁頻譜中使用的頻率比目前用於 4G 的頻率至少高一個數量級，甚至可能高達 100 GHz。媒體和其他感興趣的人發現這個事實後，驚覺這顯然是一項異常艱鉅的任務。

事實上，最近有文章聲稱 5G 的「毫米波已被淘汰」，因為這些頻率上可實現的短距離傳輸需要大量的小型基地台，據估計，無線電信業者可能需為此付出 650 億美元的成本。

究竟，唱衰者是對的，還是毫米波頻率會成為 5G 的救星？本文嘗試回答這個問題，但首先我們需要了解為什麼這會成為一個爭議性的議題。

僧多粥少

從有廣播的早期開始，美國聯邦政府便根據當時可用的技術為 AM 和 FM 廣播、電視廣播、公共安全和許多其他服務分配了頻率。一開始的技術只有在較低頻率下才可行，於是開始進行分配。隨著技術進步，能在更高的頻率下運作系統，因此 FCC 開始分配該頻率範圍的服務，根據所需的覆蓋範圍進行分配。結果造成頻譜分配表如此擁擠，得用放大鏡才能看清楚。

當行動網路技術出現時，從傳播的角度來看，最可行的頻率是從大約 600 MHz 開始，然後延伸到大約 3 GHz 的頻率，也就是目前電信業者的作業頻率。然而，自 4G 開始，允許使用串流視訊並因此需要更多頻寬的資料服務出現後，無線產業面臨到一個問題：開放給電信業者購買的可用低頻頻譜非常少，有些電信業者卻能「取得」比其他電信業者更多的低頻頻譜。例如，T-Mobile 獲得大量頻譜，AT&T 和 Verizon 卻只能使用他們所分配到的毫米波。從那時起，FCC 便一直積極尋找在該地區釋放更多頻譜的方法，以及將現有服務「重新分配」到其他頻率等方法。

現在，5G 讓這個問題愈加嚴重，因為雖然 4G 的最新迭代達到約 70 Mb/s 或再高一點的資料傳輸速率，但 5G 承諾超過 1 Gb/s 的速度，需要的頻寬更高，使得此商品在較低的頻率下根本不可行。使用非常高的頻率，正是為了解決此一困境，最初使用 24 GHz、28 GHz，未來則使用少有服務使用的更高可用頻寬。缺點是，由於這些波長的傳播只有幾百英尺，且幾乎任何東西都能讓訊號衰減，因此需要更先進的技術來運用這些頻率，其中有些技術甚至在 5G 標準發佈時還沒有完全開發出來。再加上其他因素，使部分人有理由相信，無線電信業者若要部署足夠多的毫米波基礎設施，會使公司陷入經濟危機。因此，他們認為這是不可行的。

然而，如同先前的許多技術，毫米波運作所需的技術已在開發中，並已證明確實有可能提供如此的覆蓋範圍，儘管需要付出一定的代價。真正需要的是新的網路設計，其中的「智慧型」中繼器、先進軟體和演算法、數位波束成形和其他技術，允許讓毫米波訊號滲透到射頻受限的環境中，且不能增加太多數量的小型基地台。

亦即，不是用亂槍打鳥的方式四處放置小型基地台，而是使用覆蓋範圍更大的「智慧型」聯網中繼器，便能涵蓋室內外幾乎任何地方，並可能將資本支出和總擁有成本降低 50% 左右。他們實現了這一目標，雖然 4G 和前幾代行動通訊技術主要透過增加更多基地台的方法來擴大容量和覆蓋範圍，但中繼器的方法卻能減少使用的小型基地台並提升效能，甚至將訊號傳送到射頻能量受限的地方。

這些中繼器體積夠小，幾乎可放在任何地方，從路燈到辦公室大樓的天花板，以及整個體育場和其他大型場所都能設置。這當然需要一系列的技術做搭配，包括客製化的晶片組、網狀網路、具有數百個元件的大規模 MIMO 天線，以及可對流量模式的變化和傳播條件的變化立即做出反應的演算法。

因此，即使在毫米波技術部署的這個相對較早的階段，也已經有一種解決方案可以實現這些頻率的運作。未來很可能導入其他方法，使用此模型或類似的方法讓毫米波 5G 作業變得可行，同時產生所需的覆蓋量，將成本降低到可接受的程度。

也就是說，毫米波技術將繼續在 5G 中發揮關鍵作用，其中一個更基本的原因是：沒有其他方法可以實現第五代行動通訊所要達成的目標。即使頻譜在較低頻率下可用，頻寬也很快就會不夠每秒數 GB 的資料傳輸速率使用。此外，可以在這些頻率下建構的天線陣列相對較小，且能將天線元件同相組合，以視需要將訊號引導到非常特定的區域，從而在極窄的波束寬度上提供高增益。

同樣需記得，用提供 5G 效能所需速度一樣的速度來開發接收器、放大器、天線和其他技術，是非常新的做法。已經有數百篇研究論文提出先進的技術，後續還有許多將發表。

因此，儘管在這些波長下運作實屬艱難，但產業仍未輕言放棄，且不僅僅是因為他們已投入了大量資金。這是因為 5G 勢在必行，而毫米波頻率提供了唯一實際可行的解決方案。

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