專欄文章

本文聚焦於5G毫米波通訊實際的規格計算，了解波束成形系統是如何利用相位陣列來達到增加傳輸距離的原理。

       本文將聚焦於5G毫米波通訊實際的規格計算。波束成形系統是如何利用相位陣列來達到增加傳輸距離的原理呢？如圖一所示，當N個發射機的天線輸出功率在接收端調整至角度為時，發射信號的輸出電壓會建設性相加，功率增加N²倍，因此在發射端的鏈路預算因陣列而額外獲得的增益為

圖一、相位陣列示意圖。

同理，N個接收機在調整各自的相移器使得接收信號聚焦於一點後，亦因信號的建設性相加而獲得額外的增益，然而在接收端我們在乎的是訊號雜訊比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)的改善，因此除了接收信號的強度，我們尚須考量N個接收機的雜訊交互之間的貢獻。假設每一個接收機的雜訊指標(Noise Figure，NF)都相同，且彼此之間的雜訊互不關聯，故N個接收機的雜訊功率僅為相加的關係惡化了，因此接收端的鏈路預算音陣列而獲得的額外增益可表示成

       參考文獻[1]的所提供的鏈路預算範例，假設基地台採用256路陣列，可允許發射機的等效全向輻射功率(Equivalent Isotropically Radiated Power，EIRP)小於60 dBmi；而用戶端由於手持裝置尺寸的限制，最多只能使用到4路陣列。圖二(a)顯示5G NR下行(down-link)傳輸700公尺、256-QAM 400 MHz信號的鏈路預算，其損耗表如左，首先d公尺的自由空間路徑損耗(Free-Space Path Loss，FSPL)為

圖二(a)

其中f是系統操作頻率，在28 GHz之下對應到700公尺的損耗為117 dB。而接收頻寬BW亦影響了頻譜內的雜訊，其頻寬與接收之熱雜訊的對應公式為

其中k是波茲曼常數。因此400 MHz使得雜訊功率往上提升了86 dB。考量了個別接收機之NF在28 GHz實作約為6 dB，256 QAM調變信號對應10^-3位元錯誤率(Bit Error Rate，BER)的最低SNR為31.4 dB，可得到要滿足此鏈路預算的所有損耗，至少需要得到66.4 dBm的等效輸入功率。

      回到右方的增益表，由於發射端為256路陣列，可得到 的陣列增益，而在接收端的陣列增益為 。而在28 GHz的陣列天線，最常用的為平板(Patch)天線，增益約莫為4 dBi，假設每個天線單元饋線損耗約為1 dB，可得到單一天線總增益約為3 dBi。在發射機EIRP為59 dBmi的情況下，可回推此時發射端每個PA所需的輸出功率約為6.4 dBm。

      類似的上行鏈路預算如圖二(b)所示，由於下行與上行的傳輸資料量不同，上行僅需滿足16-QAM 200 MHz的信號即可，因此SNR變為21 dB，BW變為83 dB。推算每個PA所需的輸出功率約為11 dBm。實際上系統操作還須保留一些空間，因此PA輸出功率要比估算值再大一些。

圖二(b)

      此外，實際設計需要考量的不理想效應造成的損耗還有很多，像是不同傳輸頻率對空氣的吸收率、傳輸路徑中水氣對信號的影響、天線接收的極化誤差、實際可抵達的角度誤差、人體接近天線所造成的額外損耗、陣列所造成的符碼干擾(Intersymbol Interference，ISI )等等，在文獻[2]中有更詳細的描述。

參考資料

[1]      J. Pang et al.,“A 28-GHz CMOS phased-array transceiver based on LO phase-shifting architecture with gain invariant phase tuning for 5G new radio,”IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 54, no. 5, pp. 1228–1242, May 2019.

[2]      S. Shakib, H.-C. Park, J. Dunworth, V. Aparin, and K. Entesari,“A highly efficient and            linear power amplifier for 28-GHz 5G phased array radios in 28-nm CMOS,”IEEE J.             Solid-State Circuits, vol. 51, no. 12, pp. 3020–3036, Dec. 2016.