提升网络容量/传输率 5G转向高密度小基站组网设计 - 全文

小型基地台将走红5G通讯世代。5G通讯网络将一改过去高度仰赖大型基地台的布建架构，而大量使用小型基站，让电信营运商能以最具成本效益的方式弹性组网，从而提高网络密度与覆盖范围，达到比4G技术更高的传输率和网络容量。

超高分辨率视讯串流、云端服务和休闲娱乐服务的兴起，以及愈来愈多元的无线装置，包括智能型手机、平板计算机和机器间相互通讯的可编程环境，预估未来20年的数据传输量将成长一万倍。

为满足这些需求，电信解决方案供货商诺基亚网络(Nokia Networks)认为，5G将是一个可扩充又弹性的服务系统，可在关键性的时机和地点，提供接近零延迟(Zero Latency)的Gigabit体验。此外，5G因具备更高的峰值数据速度，提升「每个地方」的数据速率，延迟降为十分之一，更能让使用者享受到比4G至少高出十倍的体验质量。

在5G行动通讯时代下，预估使用案例和相关应用的种类将更为广泛，包括视讯串流、扩增实境(Augmented Reality)、不同的数据分享方式，以及各式各样的机器类型应用，如车辆安全、各种传感器和实时控制等。未来，5G在2020年导入、2030年充分运作后，还必须能弹性支持我们尚未了解、尚不知道的全新应用。 除了使用6GHz以下更多传统的无线接取频段，5G也将运用6G-100GHz之间的大量频谱，这些频段拥有不同的频道特性，因此，使用这些频谱须采用一种以上新的无线接取技术。目前虽然有业者考虑将长程演进计划(LTE)空中接口(Air-Interface)延伸到6GHz以上的频率，但事实上，我们可以针对特定的挑战，设计更简单和更有效率的空中接口。

对终端使用者来说，5G应该是通畅而无感觉的，且5G应是个单一系统，能保证一致的使用者体验；而行动网络营运商则期望能轻松、直接地部署和维运5G网络，因此在技术上，5G系统必须能紧密整合原来的系统，如LTE及其藉由单一无线接取网络(Radio Access Network, RAN)解决方案而演进的技术，这种方式不但能简化从2G到5G的管理工作，也让营运商能循序渐进导入5G。

网络和部署的弹性、空中接口的新设计，有助于抑制功耗的成长。无线链路两端装置的每位传输功耗必须大幅减少，例如，未连接装置和未满载运作的网络节点的功耗。

全方位的弹性设计，与现有技术极度紧密整合的途径，都是供货商主要的优先考虑事项。

全方位弹性设计　提升十倍使用者体验

实现网络容量增加一万倍，以及使用者体验提升十倍(即使在不利的网络条件下也能达到100Mbit/s)的主要途径如下：
‧小基站(Small Cell)大规模高密度化(Densification)
‧更多频谱
‧更高的频谱效率

全新网络思维的高密度化设计

在3G和4G的网络部署，高密度化已是明显的趋势，但5G能让我们从全新网络(Clean Slate)的方式设计一套弹性的系统，并优化基地台之间距离200公尺以下的小基站。目前的LTE网络，其小基站设计是以僵硬、大范围覆盖(Wide Area)的大型基地台(Macro Cell)为设计基础，而Clean Slate的全新网络途径，可提高小基站规模的优化和调适能力。不过，值得注意的是，除了优化小基站的超密度网络(Ultra Dense Network)环境外，5G也支持大范围覆盖的大型基地台部署，这一点更加突显了系统设计弹性的必要性。

释放新频段的需求日益高涨

到目前为止，已指配或讨论中可用于行动通讯网络的频段都在6GHz以下，主要原因是低频有利于大范围覆盖的特性。虽然我们需要更多6GHz以下的频谱，也有能提高已指派频率利用率的优越新技术，但释放新频段的需求也愈来愈高。这些从6G-100GHz的频段有助于满足5G时代的高容量和数据速率需求。

6G-100GHz频段，根据不同无线电波传播特性和不同频率范围中的载波带宽，可大致分为两大部分，厘米波(Centimeter Wave)和毫米波(Millimeter Wave)。

厘米波频率因比较接近现在使用中的频率范围，自然会是首先释放给无线接取的对象，但我们还须进一步研究才能完全了解这些频段的无线电波传播特性。在某些方面，厘米波的行为类似传统的无线通信频段(如反射和路径损耗指数)，但在某些效应上是不同的，如总路径损耗(Overall Path Loss)和绕射(Diffraction)，尤其在更高的厘米波频段更是如此。厘米波可能提供的连续带宽大约是100M-500MHz，大于先进长程演进计划(LTE-Advanced)设计使用的带宽范围，而针对2GHz优化的LTE空中接口设计，并不适合厘米波频率。

频谱的另一端则是从30GHz开始的毫米波。在某些方面，毫米波的无线电波传播和射频工程特性不同于6GHz以下的频谱范围，如更高程度的绕射、树叶与建筑物穿透损耗；不过，最近的测量研究显示，毫米波频率和6GHz以下的频率在其他特性上，如反射和路径损耗指数也是类似的。

我们必须对这些频段进行更多实验研究才能了解这些毫米波的实际效能，研究结果将让我们使用更多载波带宽，如1G-2GHz带宽，即使在厘米波和毫米波(波长1厘米)之间有一个定义良好的30GHz波段，无线电波传播的变动会更加平缓，也不会有突然的转换点(Transition Point)在无线电波传播特性中出现。

更高的频谱效率

频谱效率是指数据传输期间的频谱使用效率，也就是系统空中传播数据时每秒每赫兹(Hz)有多少位(Bit)。而一般用以专门提升频谱效率的重要技术组件是大规模多重输入/输出(MIMO)技术。

在厘米波和毫米波频段的5G系统空中接口设计中，整合大规模的天线数组，与目前4G系统所采用的MIMO解决方案有很大的不同。首先，在厘米波和毫米波中有更多具备噪声限制(Noise-Limited)特性的高带宽系统，可使用毋须积极减低其他基地台干扰的简单方案；第二，3GHz及其以下频段的4G系统有带宽和干扰性的限制，因此这些系统在使用MIMO技术时，一直以提高频谱效率、克服前述限制为重点。

毫米波的高带宽系统可能不会有带宽和干扰性的限制，但可能会有路径损耗的限制，因此，初期采用MIMO技术的重点是透过波束成型(Beamforming)提供功率增益(Power Gain)。由于毫米波系统须克服路径损耗限制，因此4G系统的高效能关键技术空间多任务(Spatial Multiplexing)，不会是毫米波发展初期的重点；不过，因为带宽和干扰性限制的关系，厘米波系统应会在4G系统和毫米波系统之间运作，也就是说，厘米波系统可能同时采纳4G和毫米波系统所使用的MIMO及波束成型技术组件。

此外，大规模MIMO是改善链路频谱效率的优秀技术，而提高无线电资源的利用率则可增加系统频谱效率。抗干扰(Interference Rejection)技术是用以提升系统频谱效率的途径之一，其方法是舍弃基地台间干扰协调机制(例如试图使用LTE中干扰最低的无线电区段)，接纳干扰且稍后在接收器里抑制该干扰。抗干扰整合方案已广为人知并应用在LTE中，5G则有机会设计一个能优化该整合技术的系统，另一个优化频谱利用率的技术是动态分时双工(TDD)技术，它能对上链和下链之间的频谱做优化分配。

短讯框期间/动态TDD　降低无线电接口延迟

4G/LTE的延迟表现优于3G，但仍然不如有线因特网的成效。降低无线电接口延迟的方法之一，就是采用具备短讯框期间(Short Frame Duration)和可调整讯框结构的动态TDD，动态TDD涵盖网络中不同的基地台，并根据基地台的流量负载，使用不同的上链到下链TDD分割(Split)。若是预期在6GHz以上频段的5G超密度网络，动态TDD会是主要的运作模式。而动态TDD之所以适用于5G小基站，是因它能将全部的频谱分配指派给任何最需要的链路方向(Link Direction)，同时，TDD收发器的建置也比分频多任务(FDD)收发器更容易更便宜。

在调整下行(DL)/上行(UL)分配会有部分限制的情况下，LTE-Advanced已经导入动态TDD，不过，TDD LTE-A的实体讯框结构会限制其空中接口延迟，在一个10毫秒(ms)的无线讯框中可以有高达两个上链/下链交换点，这等于是对空中接口延迟设定硬限制(Hard Limit)，显然，这将无法达到5G无线电层的延迟目标。LTE-A的演进版本受限于其渐进式的技术演进，无法大幅降低延迟，例如基于向后兼容的问题，无法改变参数(Numerology)和讯框结构设计来缩减延迟，因此，我们需要新的5G空中接口以取得所需要的物理层(Physical Layer)延迟。

一个好的讯框架构应该不能有任何交换点限制，使任何时槽(Slot)都可以是上链或下链，而且还提供直接的装置对装置链路或自我后置回路(Self-Backhauling)功能。图1说明提供这种弹性的讯框结构。

 

 

图1　弹性TDD的时槽结构

一个5G弹性TDD传送时间间隔(Transmission Time Interval, TTI)的讯框长度应该会大幅缩短，约是LTE的十分之一，由于达到1毫秒的总延迟目标，因此能满足汽车安全、触控式因特网(Tactile Internet)或实时控制等新使用案例的需求。

空中接口/系统架构翻新　5G网络节能效率再推升

针对5G所开发的空中接口和系统解决方案，其使用的装置不但必须非常节能，也必须具备数年免充电的运作能力，以支持低成本、大范围覆盖的物联网(IoT)应用。设计5G无线电系统时必须考虑这些需求，而动态TDD技术能为5G系统带来这方面的帮助，尤其是它能提升休眠周期的效率，进而优化5G装置的电池耗用。

除了提升装置的节能效率，5G也将会是第一个针对基础设施能源效率而设计的无线电系统，这在降低环境影响方面特别重要。另外，5G系统也提供经济规模上的效益，毋须大幅减少每位传输(Per Bit Delivered)所需的能源，就能传送愈来愈庞大的空中流量，而且，在超密度网络系统中，每个基地台的消耗功率，会比现在大范围覆盖的大型基地台减少许多。

由于超密度网络中小基站使用的传输功率(Transmit Power)更低，因此每个基地台的功耗自然低于大范围覆盖的基地台，例如现代超威型基地台(Pico Cell)仅耗用几瓦或数十瓦功率，而大型基地台则耗用数百瓦，当然，它也能为更广大的地理区域、上百到上千倍的用户提供服务。

未来超密度网络上，5G在任何指定时间所须支持的平均用户人数会更少，但未来的用户将使用多种传输需求不同的服务和应用程序，使得网络必须灵活适应每个基地台的传输条件。小基站或提供6GHz以上频段的网络要达成这个调适目标，必须具备以下特性，传输时间间隔更短且具备低消耗(Low-Overhead)讯框架构的动态TDD技术、含相位数组(Phased Array)的大规模MIMO/波束成型技术、以及直接的装置对装置链路。

要提高资源利用的效率和能源效率，必须整合小基站频率层和大范围覆盖层(Wide Area Layer)，或在数个小基站频率层环境中，执行小基站层之间的整合及与大范围覆盖层的整合。试想一个网络环境，包括一个使用数10MHz带宽、频率在6GHz以下的大范围覆盖层，厘米波频率为100M-200MHz带宽的微蜂巢容量层，以及毫米波频率为1G-2GHz带宽的室内容量层，这种网络最简单的设计方式，是依照可覆盖范围和所须使用的服务，一次链接一个网络层；但在某些情况，如需要超可靠性、始终不变的延迟特性时，单纯的一次链接一个网络层已无法满足需求，此时必须紧密整合各个网络层才能提升系统的效能。

底层的大范围覆盖层可做为协调(Coordination)层，只要将装置的链接向下导引，协调小基站内不同基地台的排程，就能充分利用资源，此外，大范围覆盖层也可做为讯号链接(Signaling Connection)层，负责维持控制层面的链接，并将用户层面交递给小基站。由于这种架构的装置在大区域里有固定的锚点(Anchor Point)，行动事件(Mobility Event)的次数也大幅减少，因此能提升架构的行动性和可靠性(图2)。

 

 

图2　多层式5G网络示意图

高密度小基站系统设计 将成5G网络要件

5G将会是一个包含不同技术、超快速、超弹性的通讯网络，对终端使用者来说它是无感觉的，但对营运商来说是一个容易管理的网络。此外，5G必须解决未来大量增加的数据流量，也必须满足新世代装置的容量、数据速率和延迟性要求。

为达到5G的容量和数据速率要求，除了要有新的频段，也需要大量的高密度小基站，超密度小基站将会是5G网络的关键要件，且部署这些小基站的频率范围也很广，其频段范围可从2G-100GHz，因此小基站的系统设计要有弹性。厘米波和毫米波层都支持一套共同的特性如动态TDD、大规模MIMO/波束成型技术、装置对装置通讯、低消耗且讯框规模更小的讯框结构，各网络层之间的差异处则显现在所使用的中带宽或高带宽、MIMO/波束成型技术的实施体系(Scheme)、以及协调和降低干扰的方案。

同时，为支持各式各样的服务和需求，系统的设计也必须是弹性的。例如，为支持车辆对车辆通讯，网络必须支持超高可靠性的关键通讯功能，对于低成本的物联网应用，如湿度传感器传回的湿度报告，就只需要低可靠性的通讯；而高数据速率的机器对机器应用，可由厘米波或毫米波系统支持，但低成本的物联网应用只需要低功率的大范围覆盖网络。因此研究人员选择5G的技术组件时，必须仔细考虑能源效率，以及基础设施的成本和终端使用者的设备。

最后一项挑战则是将各式各样支持5G使用案例的解决方案，以及多种网络层，藉由统一的网络运作控制功能，整合成统一且一致的使用者体验，不同的5G网络层，将与其他既有无线技术及其演进技术，整合成一个系统，所有这些无线存取层将互相紧密合作，确保使用者享有最好的服务体验(图3)。

 

 

图3　5G的服务体验与解决方案