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(dá)成這項(xiàng)目標(biāo)，小型基地臺(tái)(Small Cell)將是不可或缺的要素。因此，相較于以大型基地臺(tái)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(tái)灣資通產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(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(tái)還是小型基地臺(tái)，一個(gè)區(qū)域里基地臺(tái)越多，該行動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量也就越大。一個(gè)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(tái)組網(wǎng)，便可把不同用戶分散到這些基站去，進(jìn)而讓容量增加。

　　未來5G小基站的觀念，會(huì)是在大型基地臺(tái)底下，再布建好幾個(gè)小型基地臺(tái)。周勝鄰舉例，以臺(tái)北市東區(qū)的面積來說，一座大型基地臺(tái)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(dòng)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(gè)小基地臺(tái)，便可有效提高網(wǎng)絡(luò)容量。

　　但如此一來，大小基地臺(tái)必須能彼此協(xié)調(diào)，否則反而會(huì)互相干擾。這對基地臺(tái)規(guī)畫(Cell Planning)來說，是新的挑戰(zhàn)。目前大小基地臺(tái)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(huì)有干擾的問題。

　　因此，增加小型基地臺(tái)所能擴(kuò)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(tái)，最多可把網(wǎng)絡(luò)容量增加2～5倍。

　　以中國移動(dòng)為例，目前該公司是采用大小基地臺(tái)異頻運(yùn)作的方式來降低干擾問題。因?yàn)轭l率不同的關(guān)系，該方式能成功避免大小基地臺(tái)相互干擾。不過，此作法可能難以應(yīng)用在臺(tái)灣，因臺(tái)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(tái)的布建架構(gòu)，而大量使用小型基站，讓電信營運(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。

　　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(jī)、平板電腦和機(jī)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(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因具備更高的峰值資料速度，提升「每個(gè)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(yàn)品質(zhì)。

　　在5G行動(dòng)通訊時(shí)代下，預(yù)估使用案例和相關(guān)應(yīng)用的種類將更為廣泛，包括視訊串流、擴(kuò)增實(shí)境(Augmented Reality)、不同的資料分享方式，以及各式各樣的機(jī)器類型應(yīng)用，如車輛安全、各種感測器和即時(shí)控制等。未來，5G在2020年導(dǎo)入、2030年充分運(yùn)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(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線接取技術(shù)。目前雖然有業(yè)者考慮將長程演進(jìn)計(jì)畫(LTE)空中介面(Air-Interface)延伸到6GHz以上的頻率，但事實(shí)上，我們可以針對特定的挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)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(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(jìn)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(yùn)商能循序漸進(jìn)導(dǎo)入5G。

　　網(wǎng)絡(luò)和部署的彈性、空中介面的新設(shè)計(jì)，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(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，都是供應(yīng)商主要的優(yōu)先考量事項(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，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，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(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愈高。這些從6G-100GHz的頻段有助于滿足5G時(shí)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(huì)是首先釋放給無線接取的對象，但我們還須進(jìn)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(jìn)長程演進(jìn)計(jì)畫(LTE-Advanced)設(shè)計(jì)使用的頻寬范圍，而針對2GHz優(yōu)化的LTE空中介面設(shè)計(jì)，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(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(gè)定義良好的30GHz波段，無線電波傳播的變動(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(shí)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(jì)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(tái)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(shí)，一直以提高頻譜效率、克服前述限制為重點(diǎn)。

　　毫米波的高頻寬系統(tǒng)可能不會(huì)有頻寬和干擾性的限制，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(huì)是毫米波發(fā)展初期的重點(diǎn);不過，因?yàn)轭l寬和干擾性限制的關(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，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)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。抗干擾(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)，它能對上鏈和下鏈之間的頻譜做最佳化分配。