顏立心
台大電信工程學研究所於5月10日上午假台大博理館201會議室舉行「5G & Beyond技術成果發表會」，邀請華碩執行長沈振來先生、科技部工程司徐碩鴻司長、經濟部新世代通訊技術推進辦公室張麗鳳技術長、電機資訊學院陳銘憲院長以及台灣電磁產學聯盟召集人吳瑞北教授等貴賓出席，並由電信所吳宗霖所長介紹台大電信所在5G的深耕技術及人才培育成果，後續由周錫增教授、毛紹綱教授、林坤佑教授及張時中教授發表台大各研究團隊在5G通訊領域的豐碩研究成果。下午於博理館101演講廳舉行學術講座，邀請電機系王暉教授、張時中教授、周錫增教授、蘇炫榮教授及毛紹綱教授分享5G通訊最新的研究成果與發展並由吳宗霖所長主持座談和與會者密切互動。
未來台大將持續加強產學聯結，結合現有研究成果投入5G通訊前瞻技術研發，強化技術專利布局，突破技術瓶頸，以提升台灣電信產業的國際競爭力。
發表會緣起
近年來無線與寬頻通訊技術發展日新月異，各式通訊產品與服務已融入生活與工作中。自2008年國際電信聯盟無線電通訊部門（ITU-R）發表IMT-Advanced規範定義4G通訊標準以來已屆10年，在現今日趨龐大的使用者需求下，4G通訊標準已逐漸不敷使用。在新世代通訊系統發展的驅使下，國際電信聯盟於2015年發布了5G通訊系統的時間表，並規劃於2020年正式訂定5G通訊規範IMT-2020。第三代合作夥伴計畫（3GPP）自2017年以來陸續發表5G通訊的相關定義與規格，並在2017年底發表Release 15規範，將5G通訊使用的頻段正式定義在Sub-6GHz（450 MHz ~ 6 GHz）和毫米波（24.25 GHz ~ 52.6 GHz）兩個頻段，美國聯邦通信委員會（FCC）已確定於2018年11月開始進行28 GHz頻段的營運執照競標。在定義5G通訊的使用頻段後，也正式宣告5G通訊時代即將來臨。
除了標準規範的訂定，世界各大電信業者與通訊設備龍頭廠商也在近幾年內發表許多嶄新的5G通訊研發成果。美國電信業巨擘Verizon即與三星合作開發5G小基站系統，並在今年於美國加州進行第一階段的商業試營運。日本的兩大電信業者KDDI及NTT DoCoMo也分別投入5G通訊應用技術的開發，前者和三星合作的開發計畫已成功進行4K高畫質影像直播試驗，並使用在球場中的即時轉播。後者則致力於基地台的開發，且於2017年5月在日本東京完成測試，並在測試中成功進行10公里遠的高畫質影片傳播。
在5G通訊時代拉開序幕的同時，台灣必定不能缺席，身為台灣最頂尖的大學，台大在5G通訊的研究上也傾注了巨大的研究能量。在過去幾年中，台大進行的「科技部深耕工業基礎技術計畫」以及「科技部前瞻通訊網路技術開發與應用計畫」皆在5G通訊領域的研究與技術開發上投注了大量的資源，並取得相當優異的研究成果。同時，台大在頂尖技術人才的培育上也有長遠的計畫，除了透過與教育部合作的「產學合作培育博士級研發人才計畫」以及「行動寬頻尖端技術人才培育計畫」培養博士級的高端研究人員，近年來更成功推動「台大電信所卓越菁英培育專案」，鼓勵優秀學生攻讀博士，替人才培育注入新的能量。
在此5G通訊發展的關鍵期，台大非常幸運的在各個研究計畫都有豐碩的成果，「5G & Beyond 技術成果發表會」也應運而生。在此次成果發表會中，台大發表了多個研究計畫的成果，包括由吳宗霖所長主持的「5G/B5G 38GHz毫米波射頻收發系統」、周錫增教授主持的「5G/B5G Sub-6GHz頻段Massive MIMO驗證實驗平台」、毛紹綱教授主持的「5G/B5G Sub-6GHz RF Front End」、林坤佑教授主持的「5G/B5G 60GHz波束成型射頻前端系統」以及張時中教授主持的「VISSA：新世代頻譜分享接取概念展示平台」皆進行實體展示，提供與會來賓對5G通訊技術最直接的體驗。在下午則舉行一系列的學術講座，由台大資深教授分享5G通訊的最新研究發展，包含王暉教授主講：「台大電波組射頻積體電路技術發展之回顧與前瞻」、張時中教授主講：「5G與物聯網世代之頻譜與無線網路分享接取」、周錫增教授主講：「應用於5G/B5G毫米波通訊系統之天線技術」、蘇炫榮教授主講：「毫米波大規模多用戶多天線系統之混和波束成型及射頻鏈路分配」及毛紹綱教授主講：「智慧電波在無線通訊系統之應用」等多場精采豐富的學術演講。希望透過本次技術成果發表及學術分享，以達到深化台灣產官學各界的多方合作關係，並且為未來5G通訊世代的研究發展注入一股新能量。
技術成果發表
- 5G/B5G 38GHz 毫米波射頻收發系統
在無線通訊的發展中，基站技術總是不可或缺的一環。透過毫米波頻段的使用，5G世代的基站將可達到20 Gbps的數據傳輸速率，相當於4G世代的100倍。但是毫米波頻段的缺點必須被克服，例如比起Sub-6GHz頻段高出相當多的空氣損耗與較差的繞射能力。因此從4G LTE世代開始發展的小基站技術在5G通訊世代將扮演更重要的角色，小基站可作為大基站與用戶端之間的中繼橋梁，並配合陣列天線與波束成型技術，可以有效的彌補毫米波頻段較大的損耗。
本次台大發表之毫米波射頻收發系統即以小基站為目標進行設計，此系統的操作頻率為38 GHz，目前系統具備4路電路結構，最大頻寬可達800 MHz，可於使用64-QAM調變訊號的情況下達到2.8 Gbps的數據傳輸速率及70公尺的訊號傳輸距離，並且透過基頻設備的整合，可進行高畫質影片的傳輸，以模擬用戶端進行高畫質影像通訊或直播的情境。未來透過擴大系統規模、開發波束追蹤技術以及晶片化整合系統架構，在未來三年內台大的目標是將此系統的功能提升到符合小基站使用情境的20 Gbps數據傳輸速率和1公里傳輸距離，以達成商業使用的標準。
- 5G/B5G Sub-6GHz 頻段 Massive MIMO 驗證實驗平台
量測以及驗證技術在未來5G通訊發展中將會相當重要，Massive MIMO等空間多工技術將會有蓬勃的應用，此方面的技術將會是達成超高數據傳輸速率的關鍵。但同時此方面的驗證技術以及驗證平台設計目前仍相對貧乏，且國內的產學研各單位的技術研發亦需要驗證平台進行實驗驗證技術，並使其技術研發區塊化。因此台大在此研究計畫中即是以開發毫米波Massive MIMO驗證實驗平台做為目標，並透過整合MIMO與智慧型天線組成技術區塊，同時與產業技術發展達成同步。
本實驗平台在開發時依產業應用實務情境採模組化方式建構，並且透過整合智慧型天線系統與MIMO平台實現Massive MIMO運作機制。目前本實驗平台具備16埠，每一埠分別具備一組八天線單元組成之智慧型天線系統，透過此天線系統可進行波束切換、重置及掃描等操作，並可透過將此16組陣列天線進行動態分配形成多元的MIMO應用。另外，智慧型天線操作係由雲端運算完成，並可整合網路管理的核心軟體操作。目前實驗平台的操作頻段設計在LTE高頻的頻段，即包含於5G通訊的Sub-6GHz頻段中，系統可使用從QPSK至最高64-QAM之調變訊號，最高可達到164 Mbps的數據傳輸速率。台大的下階段將以擴展此系統規模至1024埠、提升操作頻段至毫米波頻段及開發相關演算法為主要目標。
- 5G/B5G Sub-6GHz RF Front End
通訊系統的技術中，晶片的研究與設計絕對是最重要且最具價值的一環，在射頻電路設計中，功率放大器則是不可或缺的重要元件，尤其在進入5G通訊時代之後，為了彌補更高的空氣損耗以及傳輸線損耗，功率放大器不論在質或者量都會有所增加，以本次發表的「5G/B5G 38GHz 毫米波射頻收發系統」為例，此系統的4路電路結構中就含有10個功率放大器，如何將數量龐大的功率放大器進行有效的整合將成為5G時代射頻電路晶片設計的關鍵技術。
本計畫發表的成果可由下到上分成三大階段：「射頻功率電晶體之非線性模型」、「具高效率封包追蹤電路之多頻多模BiCMOS功率放大器」以及「適用於載波聚合之寬頻高線性度封包追蹤射頻前端電路」。多頻多模BiCMOS功率放大器即是根據非線性模型設計，在經過實驗驗證此放大器效能後，整合了包含Dual-Power-Mode PA、SPDT Switch（Single Pole Double Throw Switch）及ETBS（Envelope Tracking Biasing Supply）等其他電路元件完成射頻前端電路。此電路系統在設計之1.95 GHz頻段可具備80 MHz頻寬，最高可使用64-QAM調變訊號，並且配合基頻儀器可進行高速訊號傳輸與高畫質影片傳輸。
- 5G/B5G 60GHz 波束成型射頻前端系統
在未來毫米波頻段的使用上，除了常見的28 GHz頻段和本次發表之38 GHz 頻段，60 GHz以上的頻段也相當有發展潛力。60 GHz頻段目前主要應用在點對點高速傳輸方面，但由於可乘載更高的頻寬，配合天線陣列以及波束成型等技術，未來在短距離超高速訊號傳輸的應用上也相當適合。
本次台大發表之射頻前端電路系統即以上述情境設計在60 GHz頻段，系統包含CMOS波束成型晶片以及寬邊/端射兩組天線陣列，並以高頻電路板封裝技術整合。寬邊天線陣列由2乘2貼片天線組成，涵蓋範圍是電路板上方及下方各60度至90度；端射天線則是由1乘4偶極天線組成，涵蓋範圍是電路板側邊的正負60度，兩組天線分別透過巴特勒矩陣由波束成型晶片控制，波束成型晶片使用的則是台積電40奈米CMOS製程。此系統具有低面積、低成本、低功耗的優點且可支援雙向操作。目前的實驗驗證結果顯示，天線的波束成型功能已相當完備，且最高可使用至64-QAM 調變訊號，未來目標將著重於加長傳輸距離，並進一步開發波束追蹤等功能。
- VISSA : 新世代頻譜分享接取概念展示平台
在未來5G時代裡，高速率和低功耗將是兩大設計目標，若能提升頻譜資源的使用效率將有助於達成此兩大目標，頻譜的分享接取概念則可作為相當有效的途徑。
本研究計畫的合作單位有財團法人電信技術中心及工業技術研究院，並由台大與中山大學的研究團隊分別負責兩大使用情境下的技術開發。情境一由中山大學團隊開發，其目的為呈現Incumbent通知LSA資料庫收回頻段使用權，LSA資料庫同步MNO 2之LSA控制器，並由EPC執行清空共享頻段同時切換重啟至其他空間共享頻段。情境二則是由台大與工研院團隊合作，分別呈現由感測器感知Incumbent使用並通知LSA資料庫收回頻段使用權，LSA資料庫同步MNO 1之LSA控制器，並由EPC執行清空共享頻段同時切換重啟至其他空間共享頻段，以及透過Athena SON管理頻譜共享接取展示MNO 1清空共享頻段。
學術講座
- 台大電波組射頻積體電路技術發展之回顧與前瞻
台大電波組在射頻積體電路的研究有相當悠久的歷史，本次講座王暉教授分享了不同材料之積體電路特性以及設計上的重點，包括GaAs-Based MMW MMICs、Si-Based MMW SiGe（BiCMOS）RFICs以及Si-Based MMW CMOS RFICs等。
王教授由應用面的角度出發，透過分析不同毫米波頻段下最適合的應用情境，說明各種電路設計上的考量重點以及關鍵技術，本次介紹的積體電路設計皆使用低溫陶瓷共燒製程（LTCC）製作，涵蓋的頻段從28 GHz到100 GHz以上，在未來5G通訊的應用上具有相當高的價值。未來在5G通訊的應用上，Phased Array天線將會是不可缺少的部分，由於縮小化以及降低傳輸線損耗等原因，將Phased Array與積體電路晶片進行系統整合以及共設計將會是關鍵技術，因此將整個射頻積體電路系統包含晶片以及天線等元件以SoC或SiP等技術進行整合將會是台大電波組未來著重的研究方向。
- 5G與物聯網世代之頻譜與無線網路分享接取
本場講座由張時中教授主講在5G通訊時代頻譜使用上的發展趨勢以及台大研究團隊目前在頻譜分享上的研究成果。張教授以數位匯流垂直整合應用的角度出發，針對數位匯流下的無線接取需求討論頻譜的使用機制。
長久以來全世界的頻譜平均使用率都呈現偏低的狀況，以UHF頻帶為例，僅有約20%的頻譜是被頻繁使用的，更有55%無人使用。若能以動態的模式進行頻譜接取，將可大幅提升頻譜的使用效率。美國的FCC已提出三層式頻譜分享接取授權架構，並討論未來可能使用SAS架構的頻段以及CBSD和SAS的互動關係。目前技術發展重點聚焦於頻譜分享接取的架構建設以及在異質網路上的頻譜分享授權演算法開法，台大研究團隊則透過架設實驗平台驗證使用情境，並將目標放在提升運算效率等挑戰上。
- 應用於5G/B5G毫米波通訊系統之天線技術
天線是無線通訊中最重要也不可缺少的元件，在未來5G通訊的時代，天線設計及量測驗證都將會是重要的課題。在本場講座中，周錫增教授由毫米波的應用技術挑戰切入主題，配合系統面的技術應用情境，帶出天線設計的研究現況與未來在5G時代的發展趨勢。
在無線通訊領域中，基站與終端設備在規模及各種限制條件皆不盡相同，但彼此收發的關係卻也有如針與線般緊密，因此兩者在天線設計上雖有不同的方向，但也需要彼此配合。基站端天線相當注重涵蓋率的問題，因此Dynamic Beam-Switching Approach、Multi-Beam Approach以及Non-Regular Multi-Beam Approach等波束掃描技術為重要關鍵。基站端由於規模龐大，常使用如反射陣列天線等多波束天線系統，如此複雜且龐大的天線系統除了設計上的技術需要克服，校正演算法、量測技術及量測驗證平台也相當重要。周教授開發之Compact Range量測環境與本次發表之Massive MIMO實驗驗證平台在未來5G天線的開發上可提供相當寶貴的助益。
- 毫米波大規模多用戶多天線系統之混和波束成型及射頻鏈路分配
IMT針對未來5G通訊世代的應用情境做過分類，其中Enhanced Mobile Broadband（eMBB）即是與基站或用戶端設備相關的一種，其目標為大幅提升數據傳輸速率至20 Gbps的水平。為了達成此目標並克服毫米波頻段較大的空氣損耗，Massive MIMO架構及波束成型技術將會被廣泛的應用。蘇炫榮教授在本場講座中分享了應用於多天線系統之波束成型以及鏈路分配的架構。
在類比Precoder的設計中加入降低干擾的架構有利於提升系統的整體表現，且以軟體的角度彌補硬體上造成的負面影響也有其必要。設計上的重點則是在複雜度與效能上達成平衡，並維持射頻鏈路數目上的使用彈性讓設計者可以加入額外的射頻鏈路改善系統效能。本次發表之Precoder設計即具有以上優點，透過去除遞迴架構將複雜度降低，並且對干擾以及硬體變異有相當好的穩定性，同時也能透過加入Quantized Phase Shifter等額外射頻鏈路改善系統效能。
- 智慧電波在無線通訊系統之應用
智慧電波應用在5G通訊時代裡可結合物聯網架構產生相當多的新穎技術，在IMT提出的Massive Machine Type Communication（mMTC）應用情境下，未來在每平方公里的範圍內將有100萬個連上網路的設備，智慧電波技術與相關的應用設計將會有極大的發展空間。
本次講座中，毛紹綱教授分享了多種關於智慧電波、物聯網及車聯網的應用設計，例如自動駕駛載具，可應用於購物中心進行自動結帳等功能，配合RFID天線追蹤選取之商品及價格，利用藍芽與消費者的手機連線檢查購買清單，並使用Wifi與雲端運算中心連線進行庫存管理以及消費模式分析，在未來物聯網的應用上，此類的設計將會是相當重要的指標性應用。
結語
本次的成果發表會及學術講座最後在熱烈的綜合討論中畫下完美的句點。本次活動受到各界的熱情迴響，上午的成果發表會總計有130位來賓，下午的學術講座更有近200位來自產學各界的來賓參與，也代表台灣在5G世代的無線通訊技術發展絕對會佔有重要的一席之地，這次的成果發表會將扮演拋磚引玉的角色，期待未來每年都能看到台灣在無線通訊技術的發展上百尺竿頭、更進一步。