Altair Feko-什麼是5G?為什麼會有那麼多新天線?

5G的定義是什麼? 為什麼新一代的天線有那麼多種?

5G在媒體的大規模炒作下，成為當代的重要議題，也使我們了解到5G是更快的、更多元的通訊方式。然而對於很多產品設計師而言，對於5G這個詞的定義並沒有很真正的了解。

正如我們所知，5G與傳統的行動通訊的關聯度很低。與之前的4G技術不同，沒有標準的5G網路。這不僅僅是先前技術的進步，還是一整套用於不同應用的新網路。

這樣講可能使得整個話題更混亂，但是5G標準的前景很好。最高速度高達20 GB / s，最小化了訊號傳送時間（延遲），可以達到在區域內同時使用多台行動設備，瞬間體驗優質的無線技術，且更可能推向新的應用。對於一般人來說，除了體驗更快的影片速度和更逼真的遊戲之外，什麼都不會改變，但是在此期間，未知的使用案例正在開發中。

那麼，什麼是5G？設計師和工程師需要知道什麼才能利用這項技術？

5G 標準化流程

5G 是涵蓋各種網路、技術和應用的總稱。它是行動通信的標準。5G是國際電信聯盟（ITU）創造的“第五代行動通訊系統”。為此，標準化組織第三代合作夥伴計劃（3GPP）在通過國際行動通訊（IMT-2020）計劃後推進5G的實施。同時，包括電氣和電子工程師協會（IEEE）和國際電信聯盟（ITU）在內的其他標準化機構也在製定5G規範。在2019年末，標準化流程最終確定，現在我們看到越來越多的應用程序商業化。

不同的應用程式需要不同的天線

新的通訊標準解決了許多應用，並且要考慮5G行動通訊的中每種應用的頻率使用範圍。一般來說，5G行動網路可以在不同的頻率下運行，因此需要不同的天線來使用不同的頻段。

5G頻率的覆蓋範圍和應用

從5G頻率的覆蓋範圍圖中，可以清楚的分析出以下資訊：

覆蓋範圍：2 GHz 以下（例如 700 MHz）適合室內和以及大範圍的區域，由於此波長的傳播距離較遠，且相對於短波長更容易穿過物體。

C 波段：2–6 GHz 結合了覆蓋範圍、容量和所謂的"超級數據庫"，很多的應用都使用在此頻段。大於 6 GHz（例如，24-29 GHz 和 37–43 GHz）的頻率提供較高的頻寬，然而高頻率需要直線傳播，就是說連樹上的葉子也會阻斷訊號的傳播。

由於各種頻率用於不同應用的傳輸訊號，因此需要不同的天線及天線概念。因此，頻率的變化是天線更多元的原因之一。另一個原因則是，新無線電（NR）的特色是需要直線傳播（Line of Sight）。

5G NR與4G的工作原理不同

隨著對頻寬的需求持續增加，聯邦通信機構（例如美國的FCC）正在重新分配空閒以及非授權頻譜的頻段。透過重新構圖，已分配的 5G 頻率已獲得運營的許可。因此，網路運營商可以自由決定他們要使用哪種行動通訊技術。

在2020 年底和 2025 年底UMTS頻率在2 GHz頻段分別到期後，這些頻率將從 2021 年以及2026 年開始分配給 5G，總計60 MHz。

全球的WiMax 技術皆未使用 3.5 GHz 的頻段。因此，將來2022年，3.6 GHz 頻段將提供300 MHz的頻寬，頻率範圍在 3.7 至 3.8 GHz 之間。

NR 使用的 mmWave（毫米波），範圍從24 GHz至 52.6 GHz。未來還可能增加 64 到 86 GHz的頻段。

但由於無線電訊號的物理特性，大多數用於 5G（3.5 GHz、26 GHz 及以上）的頻率僅適用於短距離傳播。但是，這些頻率範圍具有低頻率做不到的功能。這些低功率基地台稱為毫微微蜂巢式基地台（femtocells），可使用於資料傳送率極高的行動無線熱點。但由於傳送距離短，以及衰減快，因此需要更多的基地台做服務。將來有可能路燈的功能不只是照明街道，上面還有可能建置微型基地台提供行動裝置上網功能。

城市中的4G網路天線與5G的指向性天線比較圖

天線看起來不再像天線

5G 高頻有很多特性。其中一個是5G可以支援大量的快速數據。5G可以做到準確度高的方向性，可以與緊鄰其他無線訊號同時使用，而且不會造成干擾。反之，4G基地台全向性地發送訊號，不但可能會浪費多餘的能量與功率，更可能干擾到其他設備，影響其他設備的傳送。

由於5G NR頻率較高且使用波長的較短，因此天線可以比4G天線小得多，卻仍可提供精確的方向控制。天線的大小相較於4G小，一個基地台可以容納的指向性天線也更多，以一公尺內的服務設備來說，就可以服務比4G多1000多個設備，也代表5G網路可以以高精度和低延遲將資料更快速發送給更多用戶。

然而，有些超高頻的傳輸，因為衰減快，因此要求天線與接收訊號的設備要進行直線的傳輸。另一方面，其中一些較高頻率的訊號很容易被濕度，雨水和其他物體吸收，所以訊號也傳不遠。

設置在基地台上的5G天線

由於上述的原因，當離開基地台太遠，原本速度很快很穩定的5G網路連線，有可能會降到只有4G的速度。要解決這個問題的方法就是，將基地台建置在正確的地方，像是建置在特定房間使整個建築物壟罩在小型網路中，或是建置更多基地台使整個城市成為大型網路。

隨著5G的擴展，可能會有許多中繼站將無線電波到盡可能傳得越遠，使更多的區域可以被5G服務。

另外一個5G的進步是，相對4G而言，5G網路可以解讀請求的數據類型，因此能夠在不使用時切換到低功耗模式，當需要使用（例如傳送高畫質影像）時再切換到高功率模式。

波束成形的助力

波束成形是一種主動式天線的技術，利用波束成形控制器控制每一根天線的輻射訊號的相位，可以同時為多個獨立的行動裝置選擇不同的頻寬。

使用較高的頻率使得需要更多的天線進行協助，頻率越高，電波的傳播能力就越差。多天線系統和波束成形可以使訊號傳得更遠。波束成形可以在空間上調整發送和接收無線電訊號。若是可用的偶極子（天線元件）越多，波束成形的效果就越好。

大規模多輸入多輸出（MIMO）– 5G行動無線電傳輸技術

5G採用的技術與GSM、UMTS和4G / LTE的前幾代行動通訊不同，5G不用進行底層的技術更改。除了現有的LTE技術外，還添加了其他系統和基礎架構，例如，實現更高的數據傳輸量和更低的延遲。關鍵的5G NR基礎設施是主動式天線陣列，支援多用戶MIMO技術。這些天線模組使用波束成形用於接收特定的設備訊號。

在網路環境中模擬5G大規模MIMO陣列天線。波束成形天線方向圖與實際安裝重疊。

具有高方向性的極小天線陣列可以提供一個行動裝置高速率的傳輸。在最新的3D MIMO和大規模MIMO設備中，一個終端設備中包含多個發送器和多個接收器單元。

5G通道和網路部署–模擬需要天線的數量

Altair Feko可以模擬行動裝置和基地台天線方向圖，然後將其進一步用於5G無線電網路覆蓋範圍進行進階的系統分析，並統計城市，農村和室內場景的通道訊息量。

5G在工廠間。5G基地台天線方向圖模擬，可進一步用於5G無線電網路覆蓋範圍的高級系統分析中。

具有WinProp建模功能的Altair Feko ™已廣泛用於4G / LTE網路規劃。但是，由於環境參數的改變，模擬的結果也會有所改變。會影響結果的參數包含毫米波中的大氣吸收和降雨帶來的路徑損耗、對牆壁的穿透力以及表面粗糙度。

除了能夠計算角度和延遲之外，WinProp還提供了一個平台，可以在考慮波束成形的同時分析和比較不同MIMO配置的性能。

5G行動通訊的應用與展望

5G的建立關係著整個未來技術應用的革新，必須滿足不同的頻寬需求。許多人期望5G會引發現代工業革命。對5G移動技術的期望很大，並且可以假定5G將為未來的應用奠定基礎，例如：

• 數位家庭
• 工業4.0
• 物聯網
• 電子衛生保健和行動醫療保健
• 手機電視/ 5G廣播
• 即時通訊（觸覺通訊）
• 自動駕駛

但是，這些應用大多仍需要開發和實現。在此之前，我們期待無跳針的視頻和即時的在線體驗。

想了解更多 Altair Feko ™ 天線分析與 WinProp 5G 網路規劃，歡迎聯絡我們申請試用或產品展示。

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