5G發(fā)展小基站的重要性提升 大小基站共存成為關(guān)鍵

　　在3GPP發(fā)布的5G發(fā)展目標(biāo)中，整體系統(tǒng)容量(Capacity)要比4G提升1，000倍。為達成這項目標(biāo)，小型基地臺(Small Cell)將是不可或缺的要素。因此，相較于以大型基地臺為主的4G，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將是大小共存的狀態(tài)，如何讓兩者共存于5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，是目前業(yè)界正在努力克服的技術(shù)難題。

　　臺灣資通產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(TAICS)秘書長暨工研院資通所副所長周勝鄰指出，無論是大型基地臺還是小型基地臺，一個區(qū)域里基地臺越多，該行動網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)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，因此范圍布得越廣，單一用戶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臺組網(wǎng)，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，會是在大型基地臺底下，再布建好幾個小型基地臺。周勝鄰舉例，以臺北市東區(qū)的面積來說，一座大型基地臺的訊號涵蓋范圍已經(jīng)足夠，但考慮到當(dāng)?shù)厝顺睋頂D、行動網(wǎng)絡(luò)的流量也高，因此網(wǎng)絡(luò)容量必須更大，才能滿足用戶需求。在SOGO等人潮聚集的地區(qū)再布建幾個小基地臺，便可有效提高網(wǎng)絡(luò)容量。

　　但如此一來，大小基地臺必須能彼此協(xié)調(diào)，否則反而會互相干擾。這對基地臺規(guī)畫(Cell Planning)來說，是新的挑戰(zhàn)。目前大小基地臺共存，仍存在訊號干擾的問題。除此之外，小基站彼此如果布得太密，也會有干擾的問題。

　　因此，增加小型基地臺所能擴增的網(wǎng)絡(luò)容量，還是有其極限。以目前的技術(shù)來看，利用小型基地臺，最多可把網(wǎng)絡(luò)容量增加2～5倍。

　　以中國移動為例，目前該公司是采用大小基地臺異頻運作的方式來降低干擾問題。因為頻率不同的關(guān)系，該方式能成功避免大小基地臺相互干擾。不過，此作法可能難以應(yīng)用在臺灣，因臺灣電信商的數(shù)量較多，每家廠商的頻譜資源都很有限，單一電信業(yè)者很難有如此多的頻率可以使用。

　　為什么需要5G小基站

　　5G通訊世代。5G通訊網(wǎng)絡(luò)將一改過去高度仰賴大型基地臺的布建架構(gòu)，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(wǎng)，從而提高網(wǎng)絡(luò)密度與覆蓋范圍，達到比4G技術(shù)更高的傳輸率和網(wǎng)絡(luò)容量。

　　提升網(wǎng)絡(luò)容量/傳輸率5G轉(zhuǎn)向高密度小基站組網(wǎng)超高解析度視訊串流、云端服務(wù)和休閑娛樂服務(wù)的興起，以及愈來愈多元的無線裝置，包括智能手機、平板電腦和機器間相互通訊的可編程環(huán)境，預(yù)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(yīng)商諾基亞網(wǎng)絡(luò)(Nokia Networks)認為，5G將是一個可擴充又彈性的服務(wù)系統(tǒng)，可在關(guān)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(zhì)。

　　在5G行動通訊時代下，預(yù)估使用案例和相關(guān)應(yīng)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(yīng)用，如車輛安全、各種感測器和即時控制等。未來，5G在2020年導(dǎo)入、2030年充分運作后，還必須能彈性支援我們尚未了解、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，使用這些頻譜須采用一種以上新的無線接取技術(shù)。目前雖然有業(yè)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(zhàn)，設(shè)計更簡單和更有效率的空中介面。

　　對終端使用者來說，5G應(yīng)該是通暢而無感覺的，且5G應(yīng)是個單一系統(tǒng)，能保證一致的使用者體驗;而行動網(wǎng)絡(luò)營運商則期望能輕松、直接地部署和維運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的系統(tǒng)，如LTE及其藉由單一無線接取網(wǎng)絡(luò)(Radio Access Network， RAN)解決方案而演進的技術(shù)，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(dǎo)入5G。

　　網(wǎng)絡(luò)和部署的彈性、空中介面的新設(shè)計，有助于抑制功耗的成長。無線鏈路兩端裝置的每位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(wǎng)絡(luò)節(jié)點的功耗。

　　全方位的彈性設(shè)計，與現(xiàn)有技術(shù)極度緊密整合的途徑，都是供應(yīng)商主要的優(yōu)先考量事項。

　　全方位彈性設(shè)計提升十倍使用者體驗

　　實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)條件下也能達到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

　　在3G和4G的網(wǎng)絡(luò)部署，高密度化已是明顯的趨勢，但5G能讓我們從全新網(wǎng)絡(luò)(Clean Slate)的方式設(shè)計一套彈性的系統(tǒng)，并優(yōu)化基地臺之間距離200公尺以下的小基站。目前的LTE網(wǎng)絡(luò)，其小基站設(shè)計是以僵硬、大范圍覆蓋(Wide Area)的大型基地臺(Macro Cell)為設(shè)計基礎(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，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也支援大范圍覆蓋的大型基地臺部署，這一點更加突顯了系統(tǒng)設(shè)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于行動通訊網(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愈高。這些從6G-100GHz的頻段有助于滿足5G時代的高容量和資料速率需求。

　　6G-100GHz頻段，根據(jù)不同無線電波傳播特性和不同頻率范圍中的載波頻寬，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，自然會是首先釋放給無線接取的對象，但我們還須進一步研究才能完全了解這些頻段的無線電波傳播特性。在某些方面，厘米波的行為類似傳統(tǒng)的無線通訊頻段(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)頻寬大約是100M-500MHz，大于先進長程演進計畫(LTE-Advanced)設(shè)計使用的頻寬范圍，而針對2GHz優(yōu)化的LTE空中介面設(shè)計，并不適合厘米波頻率。

　　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于6GHz以下的頻譜范圍，如更高程度的繞射、樹葉與建筑物穿透損耗;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(shù)也是類似的。

　　我們必須對這些頻段進行更多實驗研究才能了解這些毫米波的實際效能，研究結(jié)果將讓我們使用更多載波頻寬，如1G-2GHz頻寬，即使在厘米波和毫米波(波長1厘米)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(zhuǎn)換點(Transition Point)在無線電波傳播特性中出現(xiàn)。

　　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(tǒng)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(shù)元件是大規(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)空中介面設(shè)計中，整合大規(guī)模的天線陣列，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雜訊限制(Noise-Limited)特性的高頻寬系統(tǒng)，可使用毋須積極減低其他基地臺干擾的簡單方案;第二，3GHz及其以下頻段的4G系統(tǒng)有頻寬和干擾性的限制，因此這些系統(tǒng)在使用MIMO技術(shù)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(tǒng)可能不會有頻寬和干擾性的限制，但可能會有路徑損耗的限制，因此，初期采用MIMO技術(shù)的重點是透過波束成型(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)空間多工(Spatial Multiplexing)，不會是毫米波發(fā)展初期的重點;不過，因為頻寬和干擾性限制的關(guān)系，厘米波系統(tǒng)應(yīng)會在4G系統(tǒng)和毫米波系統(tǒng)之間運作，也就是說，厘米波系統(tǒng)可能同時采納4G和毫米波系統(tǒng)所使用的MIMO及波束成型技術(shù)元件。

　　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間干擾協(xié)調(diào)機制(例如試圖使用LTE中干擾最低的無線電區(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則有機會設(shè)計一個能優(yōu)化該整合技術(shù)的系統(tǒng)，另一個優(yōu)化頻譜利用率的技術(shù)是動態(tài)分時雙工(TDD)技術(shù)，它能對上鏈和下鏈之間的頻譜做最佳化分配。