除了備受矚目的太赫茲(THz)頻段外,7~15GHz也是6G技術將使用的通訊頻段,且對6G技術而言,這個名為「新興中高頻」的頻段,可能是比太赫茲更重要的頻段。
行動通訊的迭代發展過程中,新頻譜資源的需求、整備與分配,一直是新世代行動通訊提供更高流量、更快速傳輸表現之新服務的重要關鍵。隨著ITU-R發布凝聚國際共識的「2030年及其後IMT未來發展的框架和總體目標建議書」,初步擘劃出6G世代的發展願景與技術特性指標,可發現6G將需要更多頻譜資源以及更彈性的使用方式,方能真正實現未來6G網路各種情境應用。
產學研各界不僅關注於發展能取得更大頻寬的Sub-THz/THz頻段,挖掘新應用可能性,也更實事求是的思考6G世代的「新中高頻頻段」,也就是7GHz至24GHz的適用性。同時,也期望更有效的利用頻譜資源,透過更高效、更具創造性的頻譜共享方式,實現更彈性化的應用服務。
7~15GHz頻段是6G邁向現實的關鍵
有了5G發展低頻、中頻與毫米波甚至專頻等經驗,各方對於6G頻譜資源需求與後續整備的態度更為謹慎。雖然初期探索6G階段對於Sub THz、THz頻段所具備的潛力寄予厚望,但不可否認的是,若要使用更高頻段頻譜,面臨的技術挑戰以及商用可行性愈值得謹慎以待。
此外,GSMA在2023年2月發表的「2023頻譜政策趨勢」報告中,也特別提及6G引起新的頻譜資源需求考量。該報告指出,未來的行動通訊技術需要額外的容量和頻率範圍,而且不局限於極高頻段,從低頻段到極高頻段都有其需求。新頻段對於實現下世代通訊服務而言至為關鍵,其中最受矚目的新頻段範圍便是7~24GHz,尤其是7~15GHz。
因此,產學研各方在持續思考6G頻譜資源需求過程中,逐漸將目光聚焦在釐米波(cmWave),也就是7~15 GHz,甚至將此頻段視為6G的新黃金頻段,因為這段頻譜能為6G帶來更好的覆蓋範圍(包含更有可能穿透建物和其他結構的遮蔽物,從而實現室內覆蓋)與傳輸容量。雖然根據物理定律,7~15GHz訊號的傳輸距離仍短於4G、5G的中低頻頻段訊號,但其傳輸容量優勢將有利於滿足6G世代所擘劃的全息通訊與大規模數位雙生等新應用的發展。
且7-15 GHz頻段範圍中,也存在特性差異,愈接近7GHz頻段,就可以透過大規模MIMO(Massive MIMO)、大型陣列天線,部署在與5G中頻相接近的網路中,且由於大規模空間重複使用,從而實現更高的傳輸容量,甚至可望減少新站點的數量、成本和功耗。因此,各業者已開始思考如何利用既有5G基地台,實現6G世代所需傳輸表現。
天線規模暴增數倍 頻譜分配仍有挑戰
為了更好的利用7~15 GHz頻段,系統設備端針對天線元件與收發器設計也將有相應的新研發方向。在諾基亞(Nokia)現階段的試驗模擬中,可觀察到該頻段能提供與目前5G中頻相近的覆蓋率,並更有機會在維持既有基地台大小的前提下,提供高傳輸容量表現並支援廣域覆蓋。其6G天線設計仍可允許更多的天線元件與收發器。
例如,在5G基地台現階段設計中,支援3.5GHz頻段的基地台,其天線元件數量最高達192個,可提供24dBi高增益指向性操作;而6G基地台的天線設計,在諾基亞的研究中發現,若使用6~7GHz頻段,並將天線元件數增加到576個,此配置下可達到30dBi高增益指向性操作;支援8GHz頻段的基地台天線元件最多可達1,024個,高增益指向性操作則為32dBi。這也驗證了更多天線元件和收發器的設計也可改善、優化波束成形。而面向6G所需的波束成形也將需要高階的演算法進行處理。
無獨有偶,易利信(Ericsson)亦針對7~15GHz頻段所需天線設計有相關研究。與諾基亞的研究異曲同工的是,為了補償增加的全向路徑損耗,在天線尺寸沒有大改變的情況下,天線元件數量將顯著增加。而透過大規模基地台陣列天線的部署,不但可改善通訊,也可用於優化定位服務,甚至利於未來整合感測與通訊服務的發展。
最後,要讓6G技術使用7~15 GHz頻段,最主要的挑戰仍在監管方面。此頻段若要分配給6G使用,或將與各國充斥著諸多民用或政府的既有特殊用途的既有頻段需求重疊,例如軍事、雷達、無線電天文學、海事無線電導航、衛星與UWB等。這勢必需要監管機關的介入,針對相關頻譜可用性和許可方案進行協議。
有利全息通訊/數位雙生新應用 7~15GHz頻段成6G新焦點(1)