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)展目標中，整體系統容量(Capacity)要比4G提升1，000倍。為達成這項目標，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)標準協(xié)會(huì )(TAICS)秘書(shū)長(cháng)暨工研院資通所副所長(cháng)周勝鄰指出，無(wú)論是大型基地臺還是小型基地臺，一個(gè)區域里基地臺越多，該行動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的系統容量也就越大。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(hù)可以分享到的容量就越小，容易造成擁塞。如果能透過(guò)小型基地臺組網(wǎng)，便可把不同用戶(hù)分散到這些基站去，進(jìn)而讓容量增加。

　　未來(lái)5G小基站的觀(guān)念，會(huì )是在大型基地臺底下，再布建好幾個(gè)小型基地臺。周勝鄰舉例，以臺北市東區的面積來(lái)說(shuō)，一座大型基地臺的訊號涵蓋范圍已經(jīng)足夠，但考慮到當地人潮擁擠、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(mǎn)足用戶(hù)需求。在SOGO等人潮聚集的地區再布建幾個(gè)小基地臺，便可有效提高網(wǎng)絡(luò )容量。

　　但如此一來(lái)，大小基地臺必須能彼此協(xié)調，否則反而會(huì )互相干擾。這對基地臺規畫(huà)(Cell Planning)來(lái)說(shuō)，是新的挑戰。目前大小基地臺共存，仍存在訊號干擾的問(wèn)題。除此之外，小基站彼此如果布得太密，也會(huì )有干擾的問(wèn)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(lái)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(dòng)為例，目前該公司是采用大小基地臺異頻運作的方式來(lái)降低干擾問(wèn)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(guò)，此作法可能難以應用在臺灣，因臺灣電信商的數量較多，每家廠(chǎng)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(guò)去高度仰賴(lài)大型基地臺的布建架構，而大量使用小型基站，讓電信營(yíng)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(lè )服務(wù)的興起，以及愈來(lái)愈多元的無(wú)線(xiàn)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，預估未來(lái)20年的資料傳輸量將成長(cháng)一萬(wàn)倍。

　　為滿(mǎn)足這些需求，電信解決方案供應商諾基亞網(wǎng)絡(luò )(Nokia Networks)認為，5G將是一個(gè)可擴充又彈性的服務(wù)系統，可在關(guān)鍵性的時(shí)機和地點(diǎn)，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(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品質(zhì)。

　　在5G行動(dòng)通訊時(shí)代下，預估使用案例和相關(guān)應用的種類(lèi)將更為廣泛，包括視訊串流、擴增實(shí)境(Augmented Reality)、不同的資料分享方式，以及各式各樣的機器類(lèi)型應用，如車(chē)輛安全、各種感測器和即時(shí)控制等。未來(lái)，5G在2020年導入、2030年充分運作后，還必須能彈性支援我們尚未了解、尚不知道的全新應用。除了使用6GHz以下更多傳統的無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)接取技術(shù)。目前雖然有業(yè)者考慮將長(cháng)程演進(jìn)計畫(huà)(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，設計更簡(jiǎn)單和更有效率的空中介面。

　　對終端使用者來(lái)說(shuō)，5G應該是通暢而無(wú)感覺(jué)的，且5G應是個(gè)單一系統，能保證一致的使用者體驗;而行動(dòng)網(wǎng)絡(luò )營(yíng)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系統必須能緊密整合原來(lái)的系統，如LTE及其藉由單一無(wú)線(xiàn)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(jiǎn)化從2G到5G的管理工作，也讓營(yíng)運商能循序漸進(jìn)導入5G。

　　網(wǎng)絡(luò )和部署的彈性、空中介面的新設計，有助于抑制功耗的成長(cháng)。無(wú)線(xiàn)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(mǎn)載運作的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的功耗。

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

　　全方位彈性設計提升十倍使用者體驗

　　實(shí)現網(wǎng)絡(luò )容量增加一萬(wàn)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)的方式設計一套彈性的系統，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 )，其小基站設計是以僵硬、大范圍覆蓋(Wide Area)的大型基地臺(Macro Cell)為設計基礎，而Clean Slate的全新網(wǎng)絡(luò )途徑，可提高小基站規模的優(yōu)化和調適能力。不過(guò)，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(diǎn)更加突顯了系統設計彈性的必要性。

　　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(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(lái)愈高。這些從6G-100GHz的頻段有助于滿(mǎn)足5G時(shí)代的高容量和資料速率需求。

　　6G-100GHz頻段，根據不同無(wú)線(xiàn)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在使用中的頻率范圍，自然會(huì )是首先釋放給無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電波傳播特性。在某些方面，厘米波的行為類(lèi)似傳統的無(wú)線(xiàn)通訊頻段(如反射和路徑損耗指數)，但在某些效應上是不同的，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頻寬大約是100M-500MHz，大于先進(jìn)長(cháng)程演進(jìn)計畫(huà)(LTE-Advanced)設計使用的頻寬范圍，而針對2GHz優(yōu)化的LTE空中介面設計，并不適合厘米波頻率。

　　頻譜的另一端則是從30GHz開(kāi)始的毫米波。在某些方面，毫米波的無(wú)線(xiàn)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(shù)葉與建筑物穿透損耗;不過(guò)，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也是類(lèi)似的。

　　我們必須對這些頻段進(jìn)行更多實(shí)驗研究才能了解這些毫米波的實(shí)際效能，研究結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(cháng)1厘米)之間有一個(gè)定義良好的30GHz波段，無(wú)線(xiàn)電波傳播的變動(dòng)會(huì )更加平緩，也不會(huì )有突然的轉換點(diǎn)(Transition Point)在無(wú)線(xiàn)電波傳播特性中出現。

　　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(zhuān)門(mén)提升頻譜效率的重要技術(shù)元件是大規模多重輸入/輸出(MIMO)技術(shù)。

　　在厘米波和毫米波頻段的5G系統空中介面設計中，整合大規模的天線(xiàn)陣列，與目前4G系統所采用的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，可使用毋須積極減低其他基地臺干擾的簡(jiǎn)單方案;第二，3GHz及其以下頻段的4G系統有頻寬和干擾性的限制，因此這些系統在使用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(guò)波束成型(Beamforming)提供功率增益(Power Gain)。由于毫米波系統須克服路徑損耗限制，因此4G系統的高效能關(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(guò)，因為頻寬和干擾性限制的關(guān)系，厘米波系統應會(huì )在4G系統和毫米波系統之間運作，也就是說(shuō)，厘米波系統可能同時(shí)采納4G和毫米波系統所使用的MIMO及波束成型技術(shù)元件。

　　此外，大規模MIMO是改善鏈路頻譜效率的優(yōu)秀技術(shù)，而提高無(wú)線(xiàn)電資源的利用率則可增加系統頻譜效率?？垢蓴_(Interference Rejection)技術(shù)是用以提升系統頻譜效率的途徑之一，其方法是舍棄基地臺間干擾協(xié)調機制(例如試圖使用LTE中干擾最低的無(wú)線(xiàn)電區段)，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用在LTE中，5G則有機會(huì )設計一個(gè)能優(yōu)化該整合技術(shù)的系統，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。