專欄文章

第五代行動通訊系統最大不同點在於導入波束成型技術，欲透過提高天線增益來彌補高頻段傳播損耗，特別毫米波訊號衰減大且易受到建物與人體阻擋而中斷通訊，因此，對於毫米波的應用場域，需先行了解毫米波傳播行為。

第五代行動通訊系統之新無線電(NR)技術可分成低於6GHz頻段(FR1)與介於24-52GHz頻段(FR2)兩大類。不過目前全球6GHz以下頻譜使用已接近飽和，無法找到大量可使用的乾淨頻譜，而毫米波頻段則具大頻寬與頻譜連續性等優勢，目前已有可行的商業模式陸續被探討與導入。毫米波頻段之電波穿透與繞射衰減會比微波頻段更為嚴重，所以視線(Line of Sight, LOS)直接波與反射波以及非視線(Non-Line of Sight, NLOS)反射波應為主要的電波傳播機制。毫米波於大氣中之傳輸衰減特性如圖一所示，若以一般居住所在地離海平面幾百公尺估算，毫米波於大氣衰減在28/38GHz頻段每公里僅約0.1dB，相當適合應用於遠距離無線通訊，也進而驗證5G毫米波通訊頻段選擇考量。

圖一、毫米波於大氣中之傳播衰減特性

對於室外場域(如:郊區)之電波傳播特性可利用大尺度(Large-scale)路徑衰減模型作解析，即訊號經過較長的距離所產生的訊號變化，其變化量可用統計方式來描述，此模型通常用來作為鏈路估算或涵蓋分析使用。文獻中提及使用Close-in (CI) free space reference distance(d0=1)計算路徑損耗，其公式如下(1)所示，其中PL(d0)為參考距離d0=1m之自由空間傳播路徑損耗，可參考如下(2)公式。

實際上接收端的平均功率大小會隨著距離增加而呈現指數遞減，而路徑所造成的平均功率衰減會與距離n次方成正比。公式(1)中的n值表示為路徑散逸指數(Path Loss Exponent)，為藉由最小均方誤差方法擬合量測曲線所獲得，此數值會因應不同傳播環境之統計量測結果進行修正。一般來說，空曠地區較無遮擋環境，即在自由空間下所設定的PLE值為2。X_σ為平均值為0高斯隨機變數，其標準差σ(in dB)為某個特定範圍值，此項為遮蔽效應(Shadow Effect)所造成之訊號衰減。表一為針對不同毫米波頻率，使用全向性CI path loss model於LOS與NLOS傳播之PLE與σ數值表現，其中針對不同TX與RX應用情境，包括收發端選用天線場型寬窄形式與高度架設等，進行相關數據之歸納。從表中可以發現，LOS傳播環境之PLE值約為2，NLOS的σ值較大，表示所測到的訊號衰減值較為分散。

表一、全向性CI path loss model於不同條件下之PLE與σ值(包括LOS與NLOS)

參考資料

[1] K. Chang, RF and Microwave Wireless Systems, John Wiley, 2000.

[2] GEORGE R. MACCARTNEY, JR., THEODORE S. RAPPAPORT, MATHEW K. SAMIMI, AND SHU SUN, “Millimeter-Wave Omnidirectional Path Loss Data for Small Cell 5G Channel Modeling”, IEEE Access, 2015.

[3] Peize Zhang, Jing Li, Haiming Wang, and Wei Hong, “Measurement-Based Propagation Characteristics at 28 GHz and 39 GHz in Suburban Environment”, IEEE AP-S/URSI, 2019.