小型基地臺將走紅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。

超高分辨率視訊串流、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，包括智能型手機、平板計算機和機器間相互通訊的可編程環(huán)境，預(yù)估未來20年的數(shù)據(jù)傳輸量將成長一萬倍。

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因具備更高的峰值數(shù)據(jù)速度，提升「每個地方」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質(zhì)量。

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)、不同的數(shù)據(jù)分享方式，以及各式各樣的機器類型應(yīng)用，如車輛安全、各種傳感器和實時控制等。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劃(LTE)空中接口(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接口。

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、空中接口的新設(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，都是供貨商主要的優(yōu)先考慮事項。

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也支持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時代的高容量和數(shù)據(jù)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，大于先進長程演進計劃(LTE-Advanced)設(shè)計使用的帶寬范圍，而針對2GHz優(yōu)化的LTE空中接口設(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帶寬，如1G-2GHz帶寬，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)時每秒每赫茲(Hz)有多少位(Bit)。而一般用以專門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干擾的簡單方案；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，一直以提高頻譜效率、克服前述限制為重點。

毫米波的高帶寬系統(tǒng)可能不會有帶寬和干擾性的限制，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)空間多任務(wù)(Spatial Multiplexing)，不會是毫米波發(fā)展初期的重點；不過，因為帶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)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優(yōu)化分配。

短訊框期間/動態(tài)TDD　降低無線電接口延遲

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)的動態(tài)TDD，動態(tài)TDD涵蓋網(wǎng)絡(luò)中不同的基地臺，并根據(jù)基地臺的流量負載，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)，動態(tài)TDD會是主要的運作模式。而動態(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，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)分配會有部分限制的情況下，LTE-Advanced已經(jīng)導(dǎo)入動態(tài)TDD，不過，TDD LTE-A的實體訊框結(jié)構(gòu)會限制其空中接口延遲，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，這等于是對空中接口延遲設(shè)定硬限制(Hard Limit)，顯然，這將無法達到5G無線電層的延遲目標(biāo)。LTE-A的演進版本受限于其漸進式的技術(shù)演進，無法大幅降低延遲，例如基于向后兼容的問題，無法改變參數(shù)(Numerology)和訊框結(jié)構(gòu)設(shè)計來縮減延遲，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。

一個好的訊框架構(gòu)應(yīng)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后置回路(Self-Backhauling)功能。圖1說明提供這種彈性的訊框結(jié)構(gòu)。

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圖1　彈性TDD的時槽結(jié)構(gòu)

一個5G彈性TDD傳送時間間隔(Transmission Time Interval, TTI)的訊框長度應(yīng)該會大幅縮短，約是LTE的十分之一，由于達到1毫秒的總延遲目標(biāo)，因此能滿足汽車安全、觸控式因特網(wǎng)(Tactile Internet)或?qū)崟r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5G所開發(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5G無線電系統(tǒng)時必須考慮這些需求，而動態(tài)TDD技術(shù)能為5G系統(tǒng)帶來這方面的幫助，尤其是它能提升休眠周期的效率，進而優(yōu)化5G裝置的電池耗用。

除了提升裝置的節(jié)能效率，5G也將會是第一個針對基礎(chǔ)設(shè)施能源效率而設(shè)計的無線電系統(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，就能傳送愈來愈龐大的空中流量，而且，在超密度網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，每個基地臺的消耗功率，會比現(xiàn)在大范圍覆蓋的大型基地臺減少許多。

由于超密度網(wǎng)絡(luò)中小基站使用的傳輸功率(Transmit Power)更低，因此每個基地臺的功耗自然低于大范圍覆蓋的基地臺，例如現(xiàn)代超威型基地臺(Pico Cell)僅耗用幾瓦或數(shù)十瓦功率，而大型基地臺則耗用數(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)。

未來超密度網(wǎng)絡(luò)上，5G在任何指定時間所須支持的平均用戶人數(shù)會更少，但未來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)每個基地臺的傳輸條件。小基站或提供6GHz以上頻段的網(wǎng)絡(luò)要達成這個調(diào)適目標(biāo)，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(gòu)的動態(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。試想一個網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，包括一個使用數(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)最簡單的設(shè)計方式，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，單純的一次鏈接一個網(wǎng)絡(luò)層已無法滿足需求，此時必須緊密整合各個網(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鏈接(Signaling Connection)層，負責(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(Anchor Point)，行動事件(Mobility Event)的次數(shù)也大幅減少，因此能提升架構(gòu)的行動性和可靠性(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 將成5G網(wǎng)絡(luò)要件

5G將會是一個包含不同技術(shù)、超快速、超彈性的通訊網(wǎng)絡(luò)，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(wǎng)絡(luò)。此外，5G必須解決未來大量增加的數(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)計要有彈性。厘米波和毫米波層都支持一套共同的特性如動態(tài)TDD、大規(guī)模MIMO/波束成型技術(shù)、裝置對裝置通訊、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)的實施體系(Scheme)、以及協(xié)調(diào)和降低干擾的方案。

同時，為支持各式各樣的服務(wù)和需求，系統(tǒng)的設(shè)計也必須是彈性的。例如，為支持車輛對車輛通訊，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告，就只需要低可靠性的通訊；而高數(shù)據(jù)速率的機器對機器應(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，必須仔細考慮能源效率，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)運作控制功能，整合成統(tǒng)一且一致的使用者體驗，不同的5G網(wǎng)絡(luò)層，將與其他既有無線技術(shù)及其演進技術(shù)，整合成一個系統(tǒng)，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(wù)體驗(圖3)。

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圖3　5G的服務(wù)體驗與解決方案