1. 校園熱點6G高階MIMO系統

       在中山大學校園內，我們建立了全球領先的6G中高頻高階MIMO系統，進行了一系列創新的6G實驗。16×8 MIMO於校園戶外熱點(中庭廣場)達成終端頻譜效率45 bps/Hz及16×12 MIMO於校園電資大樓室內開放空間達成終端頻譜效率60 bps/Hz的測試情境及實驗結果如圖1及圖2所示。以上二個頻譜效率遠超過現行5G中頻3.5 GHz頻段4×4 MIMO在相同情境下的終端頻譜效率，至少提高了4倍，這是我們團隊領先全球在6G中高頻高階MIMO的亮點成果。這些成果的關鍵技術包括： (a) 接收天線數量超過MIMO空間訊號流數量； (b) 高密度Rx MIMO天線的高增益和寬輻射束徑； (c) 高階MIMO基頻技術； (d) 中高頻高階MIMO測試平臺技術，皆為研究團隊領先國內外團隊技術。值得關注的是，預計在未來6G中高頻將實現至少400 MHz的載波頻寬，這將能在戶外熱點實現高達18 Gbps的傳輸速度，而在室內開放空間則可達到24 Gbps，即現行5G中頻100 MHz頻寬4×4 MIMO的16倍速度，能充分滿足未來6G行動裝置的需求。

圖1  16×8 MIMO於校園戶外熱點(中庭廣場)達成終端頻譜效率45 bps/Hz

圖2  16×12 MIMO於校園電資大樓公眾室內開放空間(包含直視角、非直視角及人群聚集情境)達成終端頻譜效率60 bps/Hz

 

       此外，考慮到中高頻頻帶的路徑衰減較高，對於支持多路徑環境的MIMO系統而言較為不利，我們團隊因此成功開發了全球首個主動式智慧反射表面(Reconfigurable Intelligent Surface, RIS)輔助MIMO-OFDM系統。我們驗證了這項技術同樣能對目前5G商用基地臺帶來顯著改善。圖3(a) 展示了使用主動式RIS技術，在校園環境中將5G的訊雜比從7.5 dB提升至15 dB，實現了100%的提升，這證明了主動式RIS在商業應用領域的實用性。此外，圖3(b) 展示結合工研院的O-RAN和主動式RIS技術，我們在通訊訊號較弱的區域部署RIS，成功達到超過100%的訊雜比提升。這一成果展示了RIS在輔助O-RAN系統整合方面的潛力。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

圖3 主動式 RIS 輔助校園內5G商用訊號及工研院O-RAN，訊雜比提升超過100%

 

2. 6G中高頻段MIMO雷達感測系統測試

       本項研究重要成果包括利用頻率估計方法(FEA)發展超解析演算法，搭配操作在免授權5.8 GHz頻段之分散式MIMO連續波雷達，對環境中的多位受測者同時進行定位與隔空生命徵象感測。所接收到的訊號中，會包含因為天線以及人體所造成的相位成分，透過FEA技術扣除人體生命徵象所造成的都卜勒相位後可由多組基頻訊號得到人體的定位資訊。如圖4所示，該MIMO雷達使用4T4R架構，在不佔用頻寬的前提下，定位精準度可達0.1公尺，感測生命徵象誤差為0.02 Hz，而相鄰最近的人體僅0.23公尺。

       此外，也首度結合高空間解析度之MIMO雷達與高感測靈敏度之原創性自我注入鎖定(SIL)雷達而成為4D成像雷達，能追蹤多人並辨識每人特定部位進行隔空生命徵象感測。如圖5所示，該雷達採用8T8R MIMO調頻連續波架構，操作於免授權6 GHz頻段，用於偵測多個移動目標以獲得各目標之成像、定位與速度等資訊時，達成角度解析度小於7度，定位誤差小於3%，速度靈敏度小於0.3 mm/s，透過自我注入鎖定技術將速度靈敏度改善幅度超過70%，並能成功感測人體的生命徵象，包括呼吸與心跳。

圖4 分散式MIMO連續波雷達用於多人定位與生命徵象感測

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

圖5  4D成像MIMO雷達用於追蹤多人並辨識每人特定部位進行生命徵象感測

 

       在關鍵零組件方面，所設計的反射式液晶移相器採用差分線的結構，而週期性加載的可變電容則藉由上下玻璃基板各自形成金屬圖形、中間夾著液晶來實現，以達成可控制的移相效果。此設計可選擇與現有的LCD產線相容的數值，大幅降低生產的困難；其次降低液晶層厚度使液晶的響應時間為毫秒級，與現有液晶顯示器水平相同，達成快速切換的效果。如圖6所示，此次所製作 3.5GHz 移相器損耗約4 dB，最大移相量為280°，頻寬約300 MHz，可滿足中頻高頻段的頻寬需求。

圖6 操作於3.5 GHz之反射式液晶移相器