在3GPP發(fā)布的5G發(fā)展目標中，整體系統(tǒng)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網絡架構將是大小共存的狀態(tài)，如何讓兩者共存于5G網絡架構中，是目前業(yè)界正在努力克服的技術難題。
臺灣資通產業(yè)標準協會(TAICS)秘書長暨工研院資通所副所長周勝鄰指出，無論是大型基地臺還是小型基地臺，一個區(qū)域里基地臺越多，該行動網絡的系統(tǒng)容量也就越大。一個大基站涵蓋的半徑，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組網，便可把不同用戶分散到這些基站去，進而讓容量增加。
未來5G小基站的觀念，會是在大型基地臺底下，再布建好幾個小型基地臺。周勝鄰舉例，以臺北市東區(qū)的面積來說，一座大型基地臺的訊號涵蓋范圍已經足夠，但考慮到當地人潮擁擠、行動網絡的流量也高，因此網絡容量必須更大，才能滿足用戶需求。在SOGO等人潮聚集的地區(qū)再布建幾個小基地臺，便可有效提高網絡容量。
但如此一來，大小基地臺必須能彼此協調，否則反而會互相干擾。這對基地臺規(guī)畫(Cell Planning)來說，是新的挑戰(zhàn)。目前大小基地臺共存，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，也會有干擾的問題。
因此，增加小型基地臺所能擴增的網絡容量，還是有其極限。以目前的技術來看，利用小型基地臺，最多可把網絡容量增加2～5倍。
以中國移動為例，目前該公司是采用大小基地臺異頻運作的方式來降低干擾問題。因為頻率不同的關系，該方式能成功避免大小基地臺相互干擾。不過，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通訊網絡將一改過去高度仰賴大型基地臺的布建架構，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，從而提高網絡密度與覆蓋范圍，達到比4G技術更高的傳輸率和網絡容量。
提升網絡容量/傳輸率5G轉向高密度小基站組網超高解析度視訊串流、云端服務和休閑娛樂服務的興起，以及愈來愈多元的無線裝置，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，電信解決方案供應商諾基亞網絡(Nokia Networks)認為，5G將是一個可擴充又彈性的服務系統(tǒng)，可在關鍵性的時機和地點，提供接近零延遲(Zero Latency)的Gigabit體驗。此外，5G因具備更高的峰值資料速度，提升「每個地方」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。
在5G行動通訊時代下，預估使用案例和相關應用的種類將更為廣泛，包括視訊串流、擴增實境(Augmented Reality)、不同的資料分享方式，以及各式各樣的機器類型應用，如車輛安全、各種感測器和即時控制等。未來，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(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。目前雖然有業(yè)者考慮將長程演進計畫(LTE)空中介面(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)，設計更簡單和更有效率的空中介面。
對終端使用者來說，5G應該是通暢而無感覺的，且5G應是個單一系統(tǒng)，能保證一致的使用者體驗;而行動網絡營運商則期望能輕松、直接地部署和維運5G網絡，因此在技術上，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絡(Radio Access Network， RAN)解決方案而演進的技術，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入5G。
網絡和部署的彈性、空中介面的新設計，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作的網絡節(jié)點的功耗。
全方位的彈性設計，與現有技術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
實現網絡容量增加一萬倍，以及使用者體驗提升十倍(即使在不利的網絡條件下也能達到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
全新網絡思維的高密度化設計
在3G和4G的網絡部署，高密度化已是明顯的趨勢，但5G能讓我們從全新網絡(Clean Slate)的方式設計一套彈性的系統(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網絡，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的全新網絡途徑，可提高小基站規(guī)模的優(yōu)化和調適能力。不過，值得注意的是，除了優(yōu)化小基站的超密度網絡(Ultra Dense Network)環(huán)境外，5G也支援大范圍覆蓋的大型基地臺部署，這一點更加突顯了系統(tǒng)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通訊網絡的頻段都在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，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時代的高容量和資料速率需求。
6G-100GHz頻段，根據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(xù)頻寬大約是100M-500MHz，大于先進長程演進計畫(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，也不會有突然的轉換點(Transition Point)在無線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(tǒng)空中傳播資料時每秒每赫茲(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元件是大規(guī)模多重輸入/輸出(MIMO)技術。
在厘米波和毫米波頻段的5G系統(tǒng)空中介面設計中，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技術時，一直以提高頻譜效率、克服前述限制為重點。
毫米波的高頻寬系統(tǒng)可能不會有頻寬和干擾性的限制，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)的高效能關鍵技術空間多工(Spatial Multiplexing)，不會是毫米波發(fā)展初期的重點;不過，因為頻寬和干擾性限制的關系，厘米波系統(tǒng)應會在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及波束成型技術元件。
此外，大規(guī)模MIMO是改善鏈路頻譜效率的優(yōu)秀技術，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調機制(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。抗干擾整合方案已廣為人知并應用在LTE中，5G則有機會設計一個能優(yōu)化該整合技術的系統(tǒng)，另一個優(yōu)化頻譜利用率的技術是動態(tài)分時雙工(TDD)技術，它能對上鏈和下鏈之間的頻譜做最佳化分配。
短訊框期間/動態(tài)TDD 降低無線電介面延遲
4G/LTE的延遲表現優(yōu)于3G，但仍然不如有線網際網絡的成效。降低無線電介面延遲的方法之一，就是采用具備短訊框期間(Short Frame Duration)和可調整訊框結構的動態(tài)TDD，動態(tài)TDD涵蓋網絡中不同的基地臺，并根據基地臺的流量負載，使用不同的上鏈到下鏈TDD分割(Split)。若是預期在6GHz以上頻段的5G超密度網絡，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工(FDD)收發(fā)器更容易更便宜。
在調整下行(DL)/上行(UL)分配會有部分限制的情況下，LTE-Advanced已經導入動態(tài)TDD，不過，TDD LTE-A的實體訊框結構會限制其空中介面延遲，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，這等于是對空中介面延遲設定硬限制(Hard Limit)，顯然，這將無法達到5G無線電層的延遲目標。LTE-A的演進版本受限于其漸進式的技術演進，無法大幅降低延遲，例如基于向后相容的問題，無法改變參數(Numerology)和訊框結構設計來縮減延遲，因此，我們需要新的5G空中介面以取得所需要的實體層(Physical Layer)延遲。
一個好的訊框架構應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構。
彈性TDD的時槽結構
一個5G彈性TDD傳送時間間隔(Transmission Time Interval， TTI)的訊框長度應該會大幅縮短，約是LTE的十分之一，由于達到1毫秒的總延遲目標，因此能滿足汽車安全、觸控式網際網絡(Tactile Internet)或即時控制等新使用案例的需求。
空中介面/系統(tǒng)架構翻新5G網絡節(jié)能效率再推升。
針對5G所開發(fā)的空中介面和系統(tǒng)解決方案，其使用的裝置不但必須非常節(jié)能，也必須具備數年免充電的運作能力，以支援低成本、大范圍覆蓋的物聯網(IoT)應用。設計5G無線電系統(tǒng)時必須考量這些需求，而動態(tài)TDD技術能為5G系統(tǒng)帶來這方面的助益，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設施能源效率而設計的無線電系統(tǒng)，這在降低環(huán)境影響方面特別重要。另外，5G系統(tǒng)也提供經濟規(guī)模上的效益，毋須大幅減少每位元傳輸(Per Bit Delivered)所需的能源，就能傳送愈來愈龐大的空中流量，而且，在超密度網絡系統(tǒng)中，每個基地臺的消耗功率，會比現在大范圍覆蓋的大型基地臺減少許多。
由于超密度網絡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，例如現代超微型基地臺(Pico Cell)僅耗用幾瓦或數十瓦功率，而大型基地臺則耗用數百瓦，當然，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。
未來超密度網絡上，5G在任何指定時間所須支援的平均用戶人數會更少，但未來的用戶將使用多種傳輸需求不同的服務和應用程式，使得網絡必須靈活適應每個基地臺的傳輸條件。小基站或提供6GHz以上頻段的網絡要達成這個調適目標，必須具備以下特性，傳輸時間間隔更短且具備低消耗(Low-Overhead)訊框架構的動態(tài)TDD技術、含相位陣列(Phased Array)的大規(guī)模MIMO/波束成型技術、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。試想一個網絡環(huán)境，包括一個使用數10MHz頻寬、頻率在6GHz以下的大范圍覆蓋層，厘米波頻率為100M-200MHz頻寬的微蜂巢容量層，以及毫米波頻率為1G-2GHz頻寬的室內容量層，這種網絡最簡單的設計方式，是依照可覆蓋范圍和所須使用的服務，一次連結一個網絡層;但在某些情況，如需要超可靠性、始終不變的延遲特性時，單純的一次連結一個網絡層已無法滿足需求，此時必須緊密整合各個網絡層才能提升系統(tǒng)的效能。
底層的大范圍覆蓋層可做為協調(Coordination)層，只要將裝置的連結向下導引，協調小基站內不同基地臺的排程，就能充分利用資源，此外，大范圍覆蓋層也可做為訊號連結(Signaling Connection)層，負責維持控制層面的連結，并將使用者層面交遞給小基站。由于這種架構的裝置在大區(qū)域里有固定的錨點(Anchor Point)，行動事件(Mobility Event)的次數也大幅減少，因此能提升架構的行動性和可靠性。
多層式5G網絡示意圖
高密度小基站系統(tǒng)設計將成5G網絡要件 高密度小基站系統(tǒng)設計將成5G網絡要件
5G將會是一個包含不同技術、超快速、超彈性的通訊網絡，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絡。此外，5G必須解決未來大量增加的資料流量，也必須滿足新世代裝置的容量、資料速率和延遲性要求。
為達到5G的容量和資料速率要求，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網絡的關鍵要件，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)設計要有彈性。厘米波和毫米波層都支援一套共同的特性如動態(tài)TDD、大規(guī)模MIMO/波束成型技術、裝置對裝置通訊、低消耗且訊框規(guī)模更小的訊框結構，各網絡層之間的差異處則顯現在所使用的中頻寬或高頻寬、MIMO/波束成型技術的實施體系(Scheme)、以及協調和降低干擾的方案。
同時，為支援各式各樣的服務和需求，系統(tǒng)的設計也必須是彈性的。例如，為支援車輛對車輛通訊，網絡必須支援超高可靠性的關鍵通訊功能，對于低成本的物聯網應用，如濕度感測器傳回的濕度報告，就只需要低可靠性的通訊;而高資料速率的機器對機器應用，可由厘米波或毫米波系統(tǒng)支援，但低成本的物聯網應用只需要低功率的大范圍覆蓋網絡。因此研究人員選擇5G的技術元件時，必須仔細考量能源效率，以及基礎設施的成本和終端使用者的設備。
最后一項挑戰(zhàn)則是將各式各樣支援5G使用案例的解決方案，以及多種網絡層，藉由統(tǒng)一的網絡運作控制功能，整合成統(tǒng)一且一致的使用者體驗，不同的5G網絡層，將與其他既有無線技術及其演進技術，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體驗。
5G的服務體驗與解決方案
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