小型基地臺(tái)將走紅5G通訊世代。5G通訊網(wǎng)絡(luò)將一改過(guò)去高度仰賴(lài)大型基地臺(tái)的布建架構(gòu)，而大量使用小型基站，讓電信營(yíng)運(yùn)商能以最具成本效益的方式彈性組網(wǎng)，從而提高網(wǎng)絡(luò)密度與覆蓋范圍，達(dá)到比4G技術(shù)更高的傳輸率和網(wǎng)絡(luò)容量。

超高分辨率視訊串流、云端服務(wù)和休閑娛樂(lè)服務(wù)的興起，以及愈來(lái)愈多元的無(wú)線裝置，包括智能型手機(jī)、平板計(jì)算機(jī)和機(jī)器間相互通訊的可編程環(huán)境，預(yù)估未來(lái)20年的數(shù)據(jù)傳輸量將成長(zhǎng)一萬(wàn)倍。

為滿足這些需求，電信解決方案供貨商諾基亞網(wǎng)絡(luò)(Nokia Networks)認(rèn)為，5G將是一個(gè)可擴(kuò)充又彈性的服務(wù)系統(tǒng)，可在關(guān)鍵性的時(shí)機(jī)和地點(diǎn)，提供接近零延遲(Zero Latency)的Gigabit體驗(yàn)。此外，5G因具備更高的峰值數(shù)據(jù)速度，提升「每個(gè)地方」的數(shù)據(jù)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(yàn)質(zhì)量。

在5G行動(dòng)通訊時(shí)代下，預(yù)估使用案例和相關(guān)應(yīng)用的種類(lèi)將更為廣泛，包括視訊串流、擴(kuò)增實(shí)境(Augmented Reality)、不同的數(shù)據(jù)分享方式，以及各式各樣的機(jī)器類(lèi)型應(yīng)用，如車(chē)輛安全、各種傳感器和實(shí)時(shí)控制等。未來(lái)，5G在2020年導(dǎo)入、2030年充分運(yùn)作后，還必須能彈性支持我們尚未了解、尚不知道的全新應(yīng)用。 除了使用6GHz以下更多傳統(tǒng)的無(wú)線接取頻段，5G也將運(yùn)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，使用這些頻譜須采用一種以上新的無(wú)線接取技術(shù)。目前雖然有業(yè)者考慮將長(zhǎng)程演進(jìn)計(jì)劃(LTE)空中接口(Air-Interface)延伸到6GHz以上的頻率，但事實(shí)上，我們可以針對(duì)特定的挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單和更有效率的空中接口。

對(duì)終端使用者來(lái)說(shuō)，5G應(yīng)該是通暢而無(wú)感覺(jué)的，且5G應(yīng)是個(gè)單一系統(tǒng)，能保證一致的使用者體驗(yàn)；而行動(dòng)網(wǎng)絡(luò)營(yíng)運(yùn)商則期望能輕松、直接地部署和維運(yùn)5G網(wǎng)絡(luò)，因此在技術(shù)上，5G系統(tǒng)必須能緊密整合原來(lái)的系統(tǒng)，如LTE及其藉由單一無(wú)線接取網(wǎng)絡(luò)(Radio Access Network, RAN)解決方案而演進(jìn)的技術(shù)，這種方式不但能簡(jiǎn)化從2G到5G的管理工作，也讓營(yíng)運(yùn)商能循序漸進(jìn)導(dǎo)入5G。

網(wǎng)絡(luò)和部署的彈性、空中接口的新設(shè)計(jì)，有助于抑制功耗的成長(zhǎng)。無(wú)線鏈路兩端裝置的每位傳輸功耗必須大幅減少，例如，未連接裝置和未滿載運(yùn)作的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功耗。

全方位的彈性設(shè)計(jì)，與現(xiàn)有技術(shù)極度緊密整合的途徑，都是供貨商主要的優(yōu)先考慮事項(xiàng)。

全方位彈性設(shè)計(jì)　提升十倍使用者體驗(yàn)

實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)容量增加一萬(wàn)倍，以及使用者體驗(yàn)提升十倍(即使在不利的網(wǎng)絡(luò)條件下也能達(dá)到100Mbit/s)的主要途徑如下：
?小基站(Small Cell)大規(guī)模高密度化(Densification)
?更多頻譜
?更高的頻譜效率

全新網(wǎng)絡(luò)思維的高密度化設(shè)計(jì)

在3G和4G的網(wǎng)絡(luò)部署，高密度化已是明顯的趨勢(shì)，但5G能讓我們從全新網(wǎng)絡(luò)(Clean Slate)的方式設(shè)計(jì)一套彈性的系統(tǒng)，并優(yōu)化基地臺(tái)之間距離200公尺以下的小基站。目前的LTE網(wǎng)絡(luò)，其小基站設(shè)計(jì)是以僵硬、大范圍覆蓋(Wide Area)的大型基地臺(tái)(Macro Cell)為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，而Clean Slate的全新網(wǎng)絡(luò)途徑，可提高小基站規(guī)模的優(yōu)化和調(diào)適能力。不過(guò)，值得注意的是，除了優(yōu)化小基站的超密度網(wǎng)絡(luò)(Ultra Dense Network)環(huán)境外，5G也支持大范圍覆蓋的大型基地臺(tái)部署，這一點(diǎn)更加突顯了系統(tǒng)設(shè)計(jì)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于行動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)的頻段都在6GHz以下，主要原因是低頻有利于大范圍覆蓋的特性。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(yōu)越新技術(shù)，但釋放新頻段的需求也愈來(lái)愈高。這些從6G-100GHz的頻段有助于滿足5G時(shí)代的高容量和數(shù)據(jù)速率需求。

6G-100GHz頻段，根據(jù)不同無(wú)線電波傳播特性和不同頻率范圍中的載波帶寬，可大致分為兩大部分，厘米波(Centimeter Wave)和毫米波(Millimeter Wave)。

厘米波頻率因比較接近現(xiàn)在使用中的頻率范圍，自然會(huì)是首先釋放給無(wú)線接取的對(duì)象，但我們還須進(jìn)一步研究才能完全了解這些頻段的無(wú)線電波傳播特性。在某些方面，厘米波的行為類(lèi)似傳統(tǒng)的無(wú)線通信頻段(如反射和路徑損耗指數(shù))，但在某些效應(yīng)上是不同的，如總路徑損耗(Overall Path Loss)和繞射(Diffraction)，尤其在更高的厘米波頻段更是如此。厘米波可能提供的連續(xù)帶寬大約是100M-500MHz，大于先進(jìn)長(zhǎng)程演進(jìn)計(jì)劃(LTE-Advanced)設(shè)計(jì)使用的帶寬范圍，而針對(duì)2GHz優(yōu)化的LTE空中接口設(shè)計(jì)，并不適合厘米波頻率。

頻譜的另一端則是從30GHz開(kāi)始的毫米波。在某些方面，毫米波的無(wú)線電波傳播和射頻工程特性不同于6GHz以下的頻譜范圍，如更高程度的繞射、樹(shù)葉與建筑物穿透損耗；不過(guò)，最近的測(cè)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(shù)也是類(lèi)似的。

我們必須對(duì)這些頻段進(jìn)行更多實(shí)驗(yàn)研究才能了解這些毫米波的實(shí)際效能，研究結(jié)果將讓我們使用更多載波帶寬，如1G-2GHz帶寬，即使在厘米波和毫米波(波長(zhǎng)1厘米)之間有一個(gè)定義良好的30GHz波段，無(wú)線電波傳播的變動(dòng)會(huì)更加平緩，也不會(huì)有突然的轉(zhuǎn)換點(diǎn)(Transition Point)在無(wú)線電波傳播特性中出現(xiàn)。

更高的頻譜效率

頻譜效率是指數(shù)據(jù)傳輸期間的頻譜使用效率，也就是系統(tǒng)空中傳播數(shù)據(jù)時(shí)每秒每赫茲(Hz)有多少位(Bit)。而一般用以專(zhuān)門(mén)提升頻譜效率的重要技術(shù)組件是大規(guī)模多重輸入/輸出(MIMO)技術(shù)。

在厘米波和毫米波頻段的5G系統(tǒng)空中接口設(shè)計(jì)中，整合大規(guī)模的天線數(shù)組，與目前4G系統(tǒng)所采用的MIMO解決方案有很大的不同。首先，在厘米波和毫米波中有更多具備噪聲限制(Noise-Limited)特性的高帶寬系統(tǒng)，可使用毋須積極減低其他基地臺(tái)干擾的簡(jiǎn)單方案；第二，3GHz及其以下頻段的4G系統(tǒng)有帶寬和干擾性的限制，因此這些系統(tǒng)在使用MIMO技術(shù)時(shí)，一直以提高頻譜效率、克服前述限制為重點(diǎn)。

毫米波的高帶寬系統(tǒng)可能不會(huì)有帶寬和干擾性的限制，但可能會(huì)有路徑損耗的限制，因此，初期采用MIMO技術(shù)的重點(diǎn)是透過(guò)波束成型(Beamforming)提供功率增益(Power Gain)。由于毫米波系統(tǒng)須克服路徑損耗限制，因此4G系統(tǒng)的高效能關(guān)鍵技術(shù)空間多任務(wù)(Spatial Multiplexing)，不會(huì)是毫米波發(fā)展初期的重點(diǎn)；不過(guò)，因?yàn)閹捄透蓴_性限制的關(guān)系，厘米波系統(tǒng)應(yīng)會(huì)在4G系統(tǒng)和毫米波系統(tǒng)之間運(yùn)作，也就是說(shuō)，厘米波系統(tǒng)可能同時(shí)采納4G和毫米波系統(tǒng)所使用的MIMO及波束成型技術(shù)組件。

此外，大規(guī)模MIMO是改善鏈路頻譜效率的優(yōu)秀技術(shù)，而提高無(wú)線電資源的利用率則可增加系統(tǒng)頻譜效率?？垢蓴_(Interference Rejection)技術(shù)是用以提升系統(tǒng)頻譜效率的途徑之一，其方法是舍棄基地臺(tái)間干擾協(xié)調(diào)機(jī)制(例如試圖使用LTE中干擾最低的無(wú)線電區(qū)段)，接納干擾且稍后在接收器里抑制該干擾?？垢蓴_整合方案已廣為人知并應(yīng)用在LTE中，5G則有機(jī)會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)能優(yōu)化該整合技術(shù)的系統(tǒng)，另一個(gè)優(yōu)化頻譜利用率的技術(shù)是動(dòng)態(tài)分時(shí)雙工(TDD)技術(shù)，它能對(duì)上鏈和下鏈之間的頻譜做優(yōu)化分配。

短訊框期間/動(dòng)態(tài)TDD　降低無(wú)線電接口延遲

4G/LTE的延遲表現(xiàn)優(yōu)于3G，但仍然不如有線因特網(wǎng)的成效。降低無(wú)線電接口延遲的方法之一，就是采用具備短訊框期間(Short Frame Duration)和可調(diào)整訊框結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)TDD，動(dòng)態(tài)TDD涵蓋網(wǎng)絡(luò)中不同的基地臺(tái)，并根據(jù)基地臺(tái)的流量負(fù)載，使用不同的上鏈到下鏈TDD分割(Split)。若是預(yù)期在6GHz以上頻段的5G超密度網(wǎng)絡(luò)，動(dòng)態(tài)TDD會(huì)是主要的運(yùn)作模式。而動(dòng)態(tài)TDD之所以適用于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(shí)，TDD收發(fā)器的建置也比分頻多任務(wù)(FDD)收發(fā)器更容易更便宜。

在調(diào)整下行(DL)/上行(UL)分配會(huì)有部分限制的情況下，LTE-Advanced已經(jīng)導(dǎo)入動(dòng)態(tài)TDD，不過(guò)，TDD LTE-A的實(shí)體訊框結(jié)構(gòu)會(huì)限制其空中接口延遲，在一個(gè)10毫秒(ms)的無(wú)線訊框中可以有高達(dá)兩個(gè)上鏈/下鏈交換點(diǎn)，這等于是對(duì)空中接口延遲設(shè)定硬限制(Hard Limit)，顯然，這將無(wú)法達(dá)到5G無(wú)線電層的延遲目標(biāo)。LTE-A的演進(jìn)版本受限于其漸進(jìn)式的技術(shù)演進(jìn)，無(wú)法大幅降低延遲，例如基于向后兼容的問(wèn)題，無(wú)法改變參數(shù)(Numerology)和訊框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)縮減延遲，因此，我們需要新的5G空中接口以取得所需要的物理層(Physical Layer)延遲。

一個(gè)好的訊框架構(gòu)應(yīng)該不能有任何交換點(diǎn)限制，使任何時(shí)槽(Slot)都可以是上鏈或下鏈，而且還提供直接的裝置對(duì)裝置鏈路或自我后置回路(Self-Backhauling)功能。圖1說(shuō)明提供這種彈性的訊框結(jié)構(gòu)。

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圖1　彈性TDD的時(shí)槽結(jié)構(gòu)

一個(gè)5G彈性TDD傳送時(shí)間間隔(Transmission Time Interval, TTI)的訊框長(zhǎng)度應(yīng)該會(huì)大幅縮短，約是LTE的十分之一，由于達(dá)到1毫秒的總延遲目標(biāo)，因此能滿足汽車(chē)安全、觸控式因特網(wǎng)(Tactile Internet)或?qū)崟r(shí)控制等新使用案例的需求。

空中接口/系統(tǒng)架構(gòu)翻新　5G網(wǎng)絡(luò)節(jié)能效率再推升

針對(duì)5G所開(kāi)發(fā)的空中接口和系統(tǒng)解決方案，其使用的裝置不但必須非常節(jié)能，也必須具備數(shù)年免充電的運(yùn)作能力，以支持低成本、大范圍覆蓋的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用。設(shè)計(jì)5G無(wú)線電系統(tǒng)時(shí)必須考慮這些需求，而動(dòng)態(tài)TDD技術(shù)能為5G系統(tǒng)帶來(lái)這方面的幫助，尤其是它能提升休眠周期的效率，進(jìn)而優(yōu)化5G裝置的電池耗用。

除了提升裝置的節(jié)能效率，5G也將會(huì)是第一個(gè)針對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施能源效率而設(shè)計(jì)的無(wú)線電系統(tǒng)，這在降低環(huán)境影響方面特別重要。另外，5G系統(tǒng)也提供經(jīng)濟(jì)規(guī)模上的效益，毋須大幅減少每位傳輸(Per Bit Delivered)所需的能源，就能傳送愈來(lái)愈龐大的空中流量，而且，在超密度網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，每個(gè)基地臺(tái)的消耗功率，會(huì)比現(xiàn)在大范圍覆蓋的大型基地臺(tái)減少許多。

由于超密度網(wǎng)絡(luò)中小基站使用的傳輸功率(Transmit Power)更低，因此每個(gè)基地臺(tái)的功耗自然低于大范圍覆蓋的基地臺(tái)，例如現(xiàn)代超威型基地臺(tái)(Pico Cell)僅耗用幾瓦或數(shù)十瓦功率，而大型基地臺(tái)則耗用數(shù)百瓦，當(dāng)然，它也能為更廣大的地理區(qū)域、上百到上千倍的用戶提供服務(wù)。

未來(lái)超密度網(wǎng)絡(luò)上，5G在任何指定時(shí)間所須支持的平均用戶人數(shù)會(huì)更少，但未來(lái)的用戶將使用多種傳輸需求不同的服務(wù)和應(yīng)用程序，使得網(wǎng)絡(luò)必須靈活適應(yīng)每個(gè)基地臺(tái)的傳輸條件。小基站或提供6GHz以上頻段的網(wǎng)絡(luò)要達(dá)成這個(gè)調(diào)適目標(biāo)，必須具備以下特性，傳輸時(shí)間間隔更短且具備低消耗(Low-Overhead)訊框架構(gòu)的動(dòng)態(tài)TDD技術(shù)、含相位數(shù)組(Phased Array)的大規(guī)模MIMO/波束成型技術(shù)、以及直接的裝置對(duì)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范圍覆蓋層(Wide Area Layer)，或在數(shù)個(gè)小基站頻率層環(huán)境中，執(zhí)行小基站層之間的整合及與大范圍覆蓋層的整合。試想一個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，包括一個(gè)使用數(shù)10MHz帶寬、頻率在6GHz以下的大范圍覆蓋層，厘米波頻率為100M-200MHz帶寬的微蜂巢容量層，以及毫米波頻率為1G-2GHz帶寬的室內(nèi)容量層，這種網(wǎng)絡(luò)最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方式，是依照可覆蓋范圍和所須使用的服務(wù)，一次鏈接一個(gè)網(wǎng)絡(luò)層；但在某些情況，如需要超可靠性、始終不變的延遲特性時(shí)，單純的一次鏈接一個(gè)網(wǎng)絡(luò)層已無(wú)法滿足需求，此時(shí)必須緊密整合各個(gè)網(wǎng)絡(luò)層才能提升系統(tǒng)的效能。

底層的大范圍覆蓋層可做為協(xié)調(diào)(Coordination)層，只要將裝置的鏈接向下導(dǎo)引，協(xié)調(diào)小基站內(nèi)不同基地臺(tái)的排程，就能充分利用資源，此外，大范圍覆蓋層也可做為訊號(hào)鏈接(Signaling Connection)層，負(fù)責(zé)維持控制層面的鏈接，并將用戶層面交遞給小基站。由于這種架構(gòu)的裝置在大區(qū)域里有固定的錨點(diǎn)(Anchor Point)，行動(dòng)事件(Mobility Event)的次數(shù)也大幅減少，因此能提升架構(gòu)的行動(dòng)性和可靠性(圖2)。

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圖2　多層式5G網(wǎng)絡(luò)示意圖

高密度小基站系統(tǒng)設(shè)計(jì) 將成5G網(wǎng)絡(luò)要件

5G將會(huì)是一個(gè)包含不同技術(shù)、超快速、超彈性的通訊網(wǎng)絡(luò)，對(duì)終端使用者來(lái)說(shuō)它是無(wú)感覺(jué)的，但對(duì)營(yíng)運(yùn)商來(lái)說(shuō)是一個(gè)容易管理的網(wǎng)絡(luò)。此外，5G必須解決未來(lái)大量增加的數(shù)據(jù)流量，也必須滿足新世代裝置的容量、數(shù)據(jù)速率和延遲性要求。

為達(dá)到5G的容量和數(shù)據(jù)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(huì)是5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵要件，且部署這些小基站的頻率范圍也很廣，其頻段范圍可從2G-100GHz，因此小基站的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要有彈性。厘米波和毫米波層都支持一套共同的特性如動(dòng)態(tài)TDD、大規(guī)模MIMO/波束成型技術(shù)、裝置對(duì)裝置通訊、低消耗且訊框規(guī)模更小的訊框結(jié)構(gòu)，各網(wǎng)絡(luò)層之間的差異處則顯現(xiàn)在所使用的中帶寬或高帶寬、MIMO/波束成型技術(shù)的實(shí)施體系(Scheme)、以及協(xié)調(diào)和降低干擾的方案。

同時(shí)，為支持各式各樣的服務(wù)和需求，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也必須是彈性的。例如，為支持車(chē)輛對(duì)車(chē)輛通訊，網(wǎng)絡(luò)必須支持超高可靠性的關(guān)鍵通訊功能，對(duì)于低成本的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，如濕度傳感器傳回的濕度報(bào)告，就只需要低可靠性的通訊；而高數(shù)據(jù)速率的機(jī)器對(duì)機(jī)器應(yīng)用，可由厘米波或毫米波系統(tǒng)支持，但低成本的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用只需要低功率的大范圍覆蓋網(wǎng)絡(luò)。因此研究人員選擇5G的技術(shù)組件時(shí)，必須仔細(xì)考慮能源效率，以及基礎(chǔ)設(shè)施的成本和終端使用者的設(shè)備。

最后一項(xiàng)挑戰(zhàn)則是將各式各樣支持5G使用案例的解決方案，以及多種網(wǎng)絡(luò)層，藉由統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作控制功能，整合成統(tǒng)一且一致的使用者體驗(yàn)，不同的5G網(wǎng)絡(luò)層，將與其他既有無(wú)線技術(shù)及其演進(jìn)技術(shù)，整合成一個(gè)系統(tǒng)，所有這些無(wú)線存取層將互相緊密合作，確保使用者享有最好的服務(wù)體驗(yàn)(圖3)。

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圖3　5G的服務(wù)體驗(yàn)與解決方案