5G發(fā)展小基站的重要性提升 大小基站共存成為關(guān)鍵

　　短訊框期間/動(dòng)態(tài)TDD 降低無線電介面延遲

　　4G/LTE的延遲表現(xiàn)優(yōu)于3G，但仍然不如有線網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)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(diào)整訊框結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)TDD，動(dòng)態(tài)TDD涵蓋網(wǎng)絡(luò)中不同的基地臺(tái)，并根據(jù)基地臺(tái)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(dòng)態(tài)TDD會(huì)是主要的運(yùn)作模式。而動(dòng)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(shí)，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(diào)整下行(DL)/上行(UL)分配會(huì)有部分限制的情況下，LTE-Advanced已經(jīng)導(dǎo)入動(dòng)態(tài)TDD，不過，TDD LTE-A的實(shí)體訊框結(jié)構(gòu)會(huì)限制其空中介面延遲，在一個(gè)10毫秒(ms)的無線訊框中可以有高達(dá)兩個(gè)上鏈/下鏈交換點(diǎn)，這等于是對(duì)空中介面延遲設(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，例如基于向后相容的問題，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空中介面以取得所需要的實(shí)體層(Physical Layer)延遲。

　　一個(gè)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(shí)槽(Slot)都可以是上鏈或下鏈，而且還提供直接的裝置對(duì)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)。

　　彈性TDD的時(shí)槽結(jié)構(gòu)

　　一個(gè)5G彈性TDD傳送時(shí)間間隔(Transmission Time Interval， TTI)的訊框長(zhǎng)度應(yīng)該會(huì)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、觸控式網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)(Tactile Internet)或即時(shí)控制等新使用案例的需求。

　　空中介面/系統(tǒng)架構(gòu)翻新5G網(wǎng)絡(luò)節(jié)能效率再推升

　　針對(duì)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(shù)年免充電的運(yùn)作能力，以支援低成本、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(shí)必須考量這些需求，而動(dòng)態(tài)TDD技術(shù)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(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(huì)是第一個(gè)針對(duì)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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，每個(gè)基地臺(tái)的消耗功率，會(huì)比現(xiàn)在大范圍覆蓋的大型基地臺(tái)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(gè)基地臺(tái)的功耗自然低于大范圍覆蓋的基地臺(tái)，例如現(xiàn)代超微型基地臺(tái)(Pico Cell)僅耗用幾瓦或數(shù)十瓦功率，而大型基地臺(tái)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(shí)間所須支援的平均用戶人數(shù)會(huì)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)用程式，使得網(wǎng)絡(luò)必須靈活適應(yīng)每個(gè)基地臺(tái)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(gè)調(diào)適目標(biāo)，必須具備以下特性，傳輸時(shí)間間隔更短且具備低消耗(Low-Overhead)訊框架構(gòu)的動(dòng)態(tài)TDD技術(shù)、含相位陣列(Phased Array)的大規(guī)模MIMO/波束成型技術(shù)、以及直接的裝置對(duì)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(gè)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(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，包括一個(gè)使用數(shù)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(nèi)容量層，這種網(wǎng)絡(luò)最簡(jiǎn)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)，一次連結(jié)一個(gè)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(shí)，單純的一次連結(jié)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)層已無法滿足需求，此時(shí)必須緊密整合各個(gè)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，只要將裝置的連結(jié)向下導(dǎo)引，協(xié)調(diào)小基站內(nèi)不同基地臺(tái)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(hào)連結(jié)(Signaling Connection)層，負(fù)責(zé)維持控制層面的連結(jié)，并將使用者層面交遞給小基站。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(dòng)事件(Mobility Event)的次數(shù)也大幅減少，因此能提升架構(gòu)的行動(dòng)性和可靠性。

　　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 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(huì)是一個(gè)包含不同技術(shù)、超快速、超彈性的通訊網(wǎng)絡(luò)，對(duì)終端使用者來說它是無感覺的，但對(duì)營(yíng)運(yùn)商來說是一個(gè)容易管理的網(wǎng)絡(luò)。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(dá)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(huì)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援一套共同的特性如動(dòng)態(tài)TDD、大規(guī)模MIMO/波束成型技術(shù)、裝置對(duì)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)在所使用的中頻寬或高頻寬、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(shí)，為支援各式各樣的服務(wù)和需求，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也必須是彈性的。例如，為支援車輛對(duì)車輛通訊，網(wǎng)絡(luò)必須支援超高可靠性的關(guān)鍵通訊功能，對(duì)于低成本的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，如濕度感測(cè)器傳回的濕度報(bào)告，就只需要低可靠性的通訊;而高資料速率的機(jī)器對(duì)機(jī)器應(yīng)用，可由厘米波或毫米波系統(tǒng)支援，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)元件時(shí)，必須仔細(xì)考量能源效率，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)則是將各式各樣支援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(gè)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)。

　　5G的服務(wù)體驗(yàn)與解決方案