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5G的未來得依靠小基站,大小基站共存成為關鍵
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在3GPP發佈的5G發展目標中,整體系統容量(Capacity)要比4G提升1,000倍。為達成這項目標,小型基地台(Small Cell)將是不可或缺的要素。因此,相較於以大型基地台為主的4G,5G網路架構將是大小共存的狀態,如何讓兩者共存於5G網路架構中,是目前業界正在努力克服的技術難題。

臺灣資通產業標準協會(TAICS)秘書長暨工研院資通所副所長周勝鄰指出,無論是大型基地台還是小型基地台,一個區域裡基地台越多,該行動網路的系統容量也就越大。一個大基站涵蓋的半徑,可以從500公尺~2公里,但容量卻是固定的,因此範圍布得越廣,單一使用者可以分享到的容量就越小,容易造成擁塞。如果能透過小型基地台組網,便可把不同用戶分散到這些基站去,進而讓容量增加。

未來5G小基站的觀念,會是在大型基地台底下,再布建好幾個小型基地台。周勝鄰舉例,以臺北市東區的面積來說,一座大型基地台的訊號涵蓋範圍已經足夠,但考慮到當地人潮擁擠、行動網路的流量也高,因此網路容量必須更大,才能滿足用戶需求。在SOGO等人潮聚集的地區再布建幾個小基地台,便可有效提高網路容量。

但如此一來,大小基地台必須能彼此協調,否則反而會互相幹擾。這對基地台規畫(Cell Planning)來說,是新的挑戰。目前大小基地台共存,仍存在訊號幹擾的問題。除此之外,小基站彼此如果布得太密,也會有幹擾的問題。

因此,增加小型基地台所能擴增的網路容量,還是有其極限。以目前的技術來看,利用小型基地台,最多可把網路容量增加2~5倍。

以中國移動為例,目前該公司是採用大小基地台異頻運作的方式來降低幹擾問題。因為頻率不同的關係,該方式能成功避免大小基地台相互幹擾。不過,此作法可能難以應用在臺灣,因臺灣電信商的數量較多,每家廠商的頻譜資源都很有限,單一電信業者很難有如此多的頻率可以使用。

為什麼需要5G小基站
5G通訊世代。5G通訊網路將一改過去高度仰賴大型基地台的布建架構,而大量使用小型基站,讓電信營運商能以最具成本效益的方式彈性組網,從而提高網路密度與覆蓋範圍,達到比4G技術更高的傳輸率和網路容量。

提升網路容量/傳輸率5G轉向高密度小基站組網超高解析度視訊串流、雲端服務和休閒娛樂服務的興起,以及愈來愈多元的無線裝置,包括智慧手機、平板電腦和機器間相互通訊的可程式設計環境,預估未來20年的資料傳輸量將成長一萬倍。

為滿足這些需求,電信解決方案供應商諾基亞網路(Nokia Networks)認為,5G將是一個可擴充又彈性的服務系統,可在關鍵性的時機和地點,提供接近零延遲(Zero Latency)的Gigabit體驗。此外,5G因具備更高的峰值資料速度,提升「每個地方」的資料速率,延遲降為十分之一,更能讓使用者享受到比4G至少高出十倍的體驗品質。

在5G行動通訊時代下,預估使用案例和相關應用的種類將更為廣泛,包括視訊串流、擴增實境(Augmented Reality)、不同的資料分享方式,以及各式各樣的機器類型應用,如車輛安全、各種感測器和即時控制等。未來,5G在2020年導入、2030年充分運作後,還必須能彈性支援我們尚未瞭解、尚不知道的全新應用。除了使用6GHz以下更多傳統的無線接取頻段,5G也將運用6G-100GHz之間的大量頻譜,這些頻段擁有不同的頻道特性,因此,使用這些頻譜須採用一種以上新的無線接取技術。目前雖然有業者考慮將長程演進計畫(LTE)空中介面(Air-Interface)延伸到6GHz以上的頻率,但事實上,我們可以針對特定的挑戰,設計更簡單和更有效率的空中介面。

對終端使用者來說,5G應該是通暢而無感覺的,且5G應是個單一系統,能保證一致的使用者體驗;而行動網路營運商則期望能輕鬆、直接地部署和維運5G網路,因此在技術上,5G系統必須能緊密整合原來的系統,如LTE及其藉由單一無線接取網路(Radio Access Network, RAN)解決方案而演進的技術,這種方式不但能簡化從2G到5G的管理工作,也讓營運商能循序漸進導入5G。

網路和部署的彈性、空中介面的新設計,有助於抑制功耗的成長。無線鏈路兩端裝置的每位元元傳輸功耗必須大幅減少,例如,未連接裝置和未滿載運作的網路節點的功耗。

全方位的彈性設計,與現有技術極度緊密整合的途徑,都是供應商主要的優先考量事項。

全方位彈性設計提升十倍使用者體驗
實現網路容量增加一萬倍,以及使用者體驗提升十倍(即使在不利的網路條件下也能達到100Mbit/s)的主要途徑如下:
小基站(Small Cell)大規模高密度化(Densification)
更多頻譜
更高的頻譜效率
全新網路思維的高密度化設計
在3G和4G的網路部署,高密度化已是明顯的趨勢,但5G能讓我們從全新網路(Clean Slate)的方式設計一套彈性的系統,並優化基地台之間距離200公尺以下的小基站。目前的LTE網路,其小基站設計是以僵硬、大範圍覆蓋(Wide Area)的大型基地台(Macro Cell)為設計基礎,而Clean Slate的全新網路途徑,可提高小基站規模的優化和調適能力。不過,值得注意的是,除了優化小基站的超密度網路(Ultra Dense Network)環境外,5G也支援大範圍覆蓋的大型基地台部署,這一點更加突顯了系統設計彈性的必要性。

釋放新頻段的需求日益高漲
到目前為止,已指配或討論中可用於行動通訊網路的頻段都在6GHz以下,主要原因是低頻有利於大範圍覆蓋的特性。雖然我們需要更多6GHz以下的頻譜,也有能提高已指派頻率利用率的優越新技術,但釋放新頻段的需求也愈來愈高。這些從6G-100GHz的頻段有助於滿足5G時代的高容量和資料速率需求。

6G-100GHz頻段,根據不同無線電波傳播特性和不同頻率範圍中的載波頻寬,可大致分為兩大部分,釐米波(Centimeter Wave)和毫米波(Millimeter Wave)。

釐米波頻率因比較接近現在使用中的頻率範圍,自然會是首先釋放給無線接取的物件,但我們還須進一步研究才能完全瞭解這些頻段的無線電波傳播特性。在某些方面,釐米波的行為類似傳統的無線通訊頻段(如反射和路徑損耗指數),但在某些效應上是不同的,如總路徑損耗(Overall Path Loss)和繞射(Diffraction),尤其在更高的釐米波頻段更是如此。釐米波可能提供的連續頻寬大約是100M-500MHz,大於先進長程演進計畫(LTE-Advanced)設計使用的頻寬範圍,而針對2GHz優化的LTE空中介面設計,並不適合釐米波頻率。

頻譜的另一端則是從30GHz開始的毫米波。在某些方面,毫米波的無線電波傳播和射頻工程特性不同於6GHz以下的頻譜範圍,如更高程度的繞射、樹葉與建築物穿透損耗;不過,最近的測量研究顯示,毫米波頻率和6GHz以下的頻率在其他特性上,如反射和路徑損耗指數也是類似的。

我們必須對這些頻段進行更多實驗研究才能瞭解這些毫米波的實際效能,研究結果將讓我們使用更多載波頻寬,如1G-2GHz頻寬,即使在釐米波和毫米波(波長1釐米)之間有一個定義良好的30GHz波段,無線電波傳播的變動會更加平緩,也不會有突然的轉換點(Transition Point)在無線電波傳播特性中出現。

更高的頻譜效率
頻譜效率是指資料傳輸期間的頻譜使用效率,也就是系統空中傳播資料時每秒每赫茲(Hz)有多少位元(Bit)。而一般用以專門提升頻譜效率的重要技術元件是大規模多重輸入/輸出(MIMO)技術。

在釐米波和毫米波頻段的5G系統空中介面設計中,整合大規模的天線陣列,與目前4G系統所採用的MIMO解決方案有很大的不同。首先,在釐米波和毫米波中有更多具備雜訊限制(Noise-Limited)特性的高頻寬系統,可使用毋須積極減低其他基地台幹擾的簡單方案;第二,3GHz及其以下頻段的4G系統有頻寬和幹擾性的限制,因此這些系統在使用MIMO技術時,一直以提高頻譜效率、克服前述限制為重點。

毫米波的高頻寬系統可能不會有頻寬和幹擾性的限制,但可能會有路徑損耗的限制,因此,初期採用MIMO技術的重點是透過波束成型(Beamforming)提供功率增益(Power Gain)。由於毫米波系統須克服路徑損耗限制,因此4G系統的高效能關鍵技術空間多工(Spatial Multiplexing),不會是毫米波發展初期的重點;不過,因為頻寬和幹擾性限制的關係,釐米波系統應會在4G系統和毫米波系統之間運作,也就是說,釐米波系統可能同時採納4G和毫米波系統所使用的MIMO及波束成型技術元件。

此外,大規模MIMO是改善鏈路頻譜效率的優秀技術,而提高無線電資源的利用率則可增加系統頻譜效率。抗幹擾(Interference Rejection)技術是用以提升系統頻譜效率的途徑之一,其方法是捨棄基地台間幹擾協調機制(例如試圖使用LTE中幹擾最低的無線電區段),接納幹擾且稍後在接收器裡抑制該幹擾。抗幹擾整合方案已廣為人知並應用在LTE中,5G則有機會設計一個能優化該整合技術的系統,另一個優化頻譜利用率的技術是動態分時雙工(TDD)技術,它能對上鏈和下鏈之間的頻譜做最佳化分配。

短訊框期間/動態TDD 降低無線電介面延遲
4G/LTE的延遲表現優於3G,但仍然不如有線網際網路的成效。降低無線電介面延遲的方法之一,就是採用具備短訊框期間(Short Frame Duration)和可調整訊框結構的動態TDD,動態TDD涵蓋網路中不同的基地台,並根據基地台的流量負載,使用不同的上鏈到下鏈TDD分割(Split)。若是預期在6GHz以上頻段的5G超密度網路,動態TDD會是主要的運作模式。而動態TDD之所以適用於5G小基站,是因它能將全部的頻譜分配指派給任何最需要的鏈路方向(Link Direction),同時,TDD收發器的建置也比分頻多工(FDD)收發器更容易更便宜。
在調整下行(DL)/上行(UL)分配會有部分限制的情況下,LTE-Advanced已經導入動態TDD,不過,TDD LTE-A的實體訊框結構會限制其空中介面延遲,在一個10毫秒(ms)的無線訊框中可以有高達兩個上鏈/下鏈交換點,這等於是對空中介面延遲設定硬限制(Hard Limit),顯然,這將無法達到5G無線電層的延遲目標。LTE-A的演進版本受限於其漸進式的技術演進,無法大幅降低延遲,例如基於向後相容的問題,無法改變參數(Numerology)和訊框結構設計來縮減延遲,因此,我們需要新的5G空中介面以取得所需要的實體層(Physical Layer)延遲。

一個好的訊框架構應該不能有任何交換點限制,使任何時槽(Slot)都可以是上鏈或下鏈,而且還提供直接的裝置對裝置鏈路或自我後置回路(Self-Backhauling)功能。圖1說明提供這種彈性的訊框結構。
 
彈性TDD的時槽結構
一個5G彈性TDD傳送時間間隔(Transmission Time Interval, TTI)的訊框長度應該會大幅縮短,約是LTE的十分之一,由於達到1毫秒的總延遲目標,因此能滿足汽車安全、觸控式網際網路(Tactile Internet)或即時控制等新使用案例的需求。

空中介面/系統架構翻新5G網路節能效率再推升
針對5G所開發的空中介面和系統解決方案,其使用的裝置不但必須非常節能,也必須具備數年免充電的運作能力,以支援低成本、大範圍覆蓋的物聯網(IoT)應用。設計5G無線電系統時必須考量這些需求,而動態TDD技術能為5G系統帶來這方面的助益,尤其是它能提升休眠週期的效率,進而優化5G裝置的電池耗用。

除了提升裝置的節能效率,5G也將會是第一個針對基礎設施能源效率而設計的無線電系統,這在降低環境影響方面特別重要。另外,5G系統也提供經濟規模上的效益,毋須大幅減少每位元傳輸(Per Bit Delivered)所需的能源,就能傳送愈來愈龐大的空中流量,而且,在超密度網路系統中,每個基地台的消耗功率,會比現在大範圍覆蓋的大型基地台減少許多。

由於超密度網路中小基站使用的傳輸功率(Transmit Power)更低,因此每個基地台的功耗自然低於大範圍覆蓋的基地台,例如現代超微型基地台(Pico Cell)僅耗用幾瓦或數十瓦功率,而大型基地台則耗用數百瓦,當然,它也能為更廣大的地理區域、上百到上千倍的使用者提供服務。

未來超密度網路上,5G在任何指定時間所須支援的平均用戶人數會更少,但未來的用戶將使用多種傳輸需求不同的服務和應用程式,使得網路必須靈活適應每個基地台的傳輸條件。小基站或提供6GHz以上頻段的網路要達成這個調適目標,必須具備以下特性,傳輸時間間隔更短且具備低消耗(Low-Overhead)訊框架構的動態TDD技術、含相位陣列(Phased Array)的大規模MIMO/波束成型技術、以及直接的裝置對裝置鏈路。

要提高資源利用的效率和能源效率,必須整合小基站頻率層和大範圍覆蓋層(Wide Area Layer),或在數個小基站頻率層環境中,執行小基站層之間的整合及與大範圍覆蓋層的整合。試想一個網路環境,包括一個使用數10MHz頻寬、頻率在6GHz以下的大範圍覆蓋層,釐米波頻率為100M-200MHz頻寬的微蜂巢容量層,以及毫米波頻率為1G-2GHz頻寬的室內容量層,這種網路最簡單的設計方式,是依照可覆蓋範圍和所須使用的服務,一次連結一個網路層;但在某些情況,如需要超可靠性、始終不變的延遲特性時,單純的一次連結一個網路層已無法滿足需求,此時必須緊密整合各個網路層才能提升系統的效能。

底層的大範圍覆蓋層可做為協調(Coordination)層,只要將裝置的連結向下導引,協調小基站內不同基地台的排程,就能充分利用資源,此外,大範圍覆蓋層也可做為訊號連結(Signaling Connection)層,負責維持控制層面的連結,並將使用者層面交遞給小基站。由於這種架構的裝置在大區域裡有固定的錨點(Anchor Point),行動事件(Mobility Event)的次數也大幅減少,因此能提升架構的行動性和可靠性。
 
多層式5G網路示意圖
高密度小基站系統設計將成5G網路要件 高密度小基站系統設計將成5G網路要件
5G將會是一個包含不同技術、超快速、超彈性的通訊網路,對終端使用者來說它是無感覺的,但對營運商來說是一個容易管理的網路。此外,5G必須解決未來大量增加的資料流量,也必須滿足新世代裝置的容量、資料速率和延遲性要求。

為達到5G的容量和資料速率要求,除了要有新的頻段,也需要大量的高密度小基站,超密度小基站將會是5G網路的關鍵要件,且部署這些小基站的頻率範圍也很廣,其頻段範圍可從2G-100GHz,因此小基站的系統設計要有彈性。釐米波和毫米波層都支援一套共同的特性如動態TDD、大規模MIMO/波束成型技術、裝置對裝置通訊、低消耗且訊框規模更小的訊框結構,各網路層之間的差異處則顯現在所使用的中頻寬或高頻寬、MIMO/波束成型技術的實施體系(Scheme)、以及協調和降低幹擾的方案。

同時,為支援各式各樣的服務和需求,系統的設計也必須是彈性的。例如,為支援車輛對車輛通訊,網路必須支援超高可靠性的關鍵通訊功能,對於低成本的物聯網應用,如濕度感測器傳回的濕度報告,就只需要低可靠性的通訊;而高資料速率的機器對機器應用,可由釐米波或毫米波系統支援,但低成本的物聯網應用只需要低功率的大範圍覆蓋網路。因此研究人員選擇5G的技術元件時,必須仔細考量能源效率,以及基礎設施的成本和終端使用者的設備。

最後一項挑戰則是將各式各樣支援5G使用案例的解決方案,以及多種網路層,藉由統一的網路運作控制功能,整合成統一且一致的使用者體驗,不同的5G網路層,將與其他既有無線技術及其演進技術,整合成一個系統,所有這些無線存取層將互相緊密合作,確保使用者享有最好的服務體驗。
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