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(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(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(rèn)為,5G將是一個可擴(kuò)充又彈性的服務(wù)系統(tǒng),可在關(guān)鍵性的時機(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(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)器類型應(yīng)用,如車輛安全、各種傳感器和實(shí)時控制等。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(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)劃(LTE)空中接口(Air-Interface)延伸到6GHz以上的頻率,但事實(shí)上,我們可以針對特定的挑戰(zhàn),設(shè)計(jì)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(yàn);而行動網(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、空中接口的新設(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(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也支持大范圍覆蓋的大型基地臺部署,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(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)長程演進(jìn)計(jì)劃(LTE-Advanced)設(shè)計(jì)使用的帶寬范圍,而針對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(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(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(diǎn)。
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(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)空間多任務(wù)(Spatial Multiplexing),不會是毫米波發(fā)展初期的重點(diǎn);不過,因?yàn)閹捄透蓴_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(yùn)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(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)會設(shè)計(jì)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(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),動態(tài)TDD會是主要的運(yùn)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(shí)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(dá)兩個上鏈/下鏈交換點(diǎn),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(dá)到5G無線電層的延遲目標(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(jì)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(diǎn)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)。
?
?
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(dá)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(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(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也將會是第一個針對基礎(chǔ)設(shè)施能源效率而設(shè)計(jì)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(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(dá)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(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(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)。
?
?
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(yùn)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(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(shí)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(jì)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(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,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,將與其他既有無線技術(shù)及其演進(jìn)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(yàn)(圖3)。
?
?
圖3 5G的服務(wù)體驗(yàn)與解決方案
評論