5G发展小基站的重要性提升 大小基站共存成为关键

　　在3GPP发布的5G发展目标中，整体系统容量(Capacity)要比4G提升1，000倍。为达成这项目标，小型基地台(Small Cell)将是不可或缺的要素。因此，相较于以大型基地台为主的4G，5G网络架构将是大小共存的状态，如何让两者共存于5G网络架构中，是目前业界正在努力克服的技术难题。

　　台湾资通产业标准协会(TAICS)秘书长暨工研院资通所副所长周胜邻指出，无论是大型基地台还是小型基地台，一个区域里基地台越多，该行动网络的系统容量也就越大。一个大基站涵盖的半径，可以从500公尺～2公里，但容量却是固定的，因此范围布得越广，单一用户可以分享到的容量就越小，容易造成拥塞。如果能透过小型基地台组网，便可把不同用户分散到这些基站去，进而让容量增加。

　　未来5G小基站的观念，会是在大型基地台底下，再布建好几个小型基地台。周胜邻举例，以台北市东区的面积来说，一座大型基地台的讯号涵盖范围已经足够，但考虑到当地人潮拥挤、行动网络的流量也高，因此网络容量必须更大，才能满足用户需求。在SOGO等人潮聚集的地区再布建几个小基地台，便可有效提高网络容量。

　　但如此一来，大小基地台必须能彼此协调，否则反而会互相干扰。这对基地台规画(Cell Planning)来说，是新的挑战。目前大小基地台共存，仍存在讯号干扰的问题。除此之外，小基站彼此如果布得太密，也会有干扰的问题。

　　因此，增加小型基地台所能扩增的网络容量，还是有其极限。以目前的技术来看，利用小型基地台，最多可把网络容量增加2～5倍。

　　以中国移动为例，目前该公司是采用大小基地台异频运作的方式来降低干扰问题。因为频率不同的关系，该方式能成功避免大小基地台相互干扰。不过，此作法可能难以应用在台湾，因台湾电信商的数量较多，每家厂商的频谱资源都很有限，单一电信业者很难有如此多的频率可以使用。

　　为什么需要5G小基站

　　5G通讯世代。5G通讯网络将一改过去高度仰赖大型基地台的布建架构，而大量使用小型基站，让电信营运商能以最具成本效益的方式弹性组网，从而提高网络密度与覆盖范围，达到比4G技术更高的传输率和网络容量。

　　提升网络容量/传输率5G转向高密度小基站组网超高解析度视讯串流、云端服务和休闲娱乐服务的兴起，以及愈来愈多元的无线装置，包括智能手机、平板电脑和机器间相互通讯的可编程环境，预估未来20年的资料传输量将成长一万倍。

　　为满足这些需求，电信解决方案供应商诺基亚网络(Nokia Networks)认为，5G将是一个可扩充又弹性的服务系统，可在关键性的时机和地点，提供接近零延迟(Zero Latency)的Gigabit体验。此外，5G因具备更高的峰值资料速度，提升「每个地方」的资料速率，延迟降为十分之一，更能让使用者享受到比4G至少高出十倍的体验品质。

　　在5G行动通讯时代下，预估使用案例和相关应用的种类将更为广泛，包括视讯串流、扩增实境(Augmented Reality)、不同的资料分享方式，以及各式各样的机器类型应用，如车辆安全、各种感测器和即时控制等。未来，5G在2020年导入、2030年充分运作后，还必须能弹性支援我们尚未了解、尚不知道的全新应用。除了使用6GHz以下更多传统的无线接取频段，5G也将运用6G-100GHz之间的大量频谱，这些频段拥有不同的频道特性，因此，使用这些频谱须采用一种以上新的无线接取技术。目前虽然有业者考虑将长程演进计画(LTE)空中介面(Air-Interface)延伸到6GHz以上的频率，但事实上，我们可以针对特定的挑战，设计更简单和更有效率的空中介面。

　　对终端使用者来说，5G应该是通畅而无感觉的，且5G应是个单一系统，能保证一致的使用者体验;而行动网络营运商则期望能轻松、直接地部署和维运5G网络，因此在技术上，5G系统必须能紧密整合原来的系统，如LTE及其藉由单一无线接取网络(Radio Access Network， RAN)解决方案而演进的技术，这种方式不但能简化从2G到5G的管理工作，也让营运商能循序渐进导入5G。

　　网络和部署的弹性、空中介面的新设计，有助于抑制功耗的成长。无线链路两端装置的每位元传输功耗必须大幅减少，例如，未连接装置和未满载运作的网络节点的功耗。

　　全方位的弹性设计，与现有技术极度紧密整合的途径，都是供应商主要的优先考量事项。

　　全方位弹性设计提升十倍使用者体验

　　实现网络容量增加一万倍，以及使用者体验提升十倍(即使在不利的网络条件下也能达到100Mbit/s)的主要途径如下：

　　小基站(Small Cell)大规模高密度化(Densification)

　　更多频谱

　　更高的频谱效率

　　全新网络思维的高密度化设计

　　在3G和4G的网络部署，高密度化已是明显的趋势，但5G能让我们从全新网络(Clean Slate)的方式设计一套弹性的系统，并优化基地台之间距离200公尺以下的小基站。目前的LTE网络，其小基站设计是以僵硬、大范围覆盖(Wide Area)的大型基地台(Macro Cell)为设计基础，而Clean Slate的全新网络途径，可提高小基站规模的优化和调适能力。不过，值得注意的是，除了优化小基站的超密度网络(Ultra Dense Network)环境外，5G也支援大范围覆盖的大型基地台部署，这一点更加突显了系统设计弹性的必要性。

　　释放新频段的需求日益高涨

　　到目前为止，已指配或讨论中可用于行动通讯网络的频段都在6GHz以下，主要原因是低频有利于大范围覆盖的特性。虽然我们需要更多6GHz以下的频谱，也有能提高已指派频率利用率的优越新技术，但释放新频段的需求也愈来愈高。这些从6G-100GHz的频段有助于满足5G时代的高容量和资料速率需求。

　　6G-100GHz频段，根据不同无线电波传播特性和不同频率范围中的载波频宽，可大致分为两大部分，厘米波(Centimeter Wave)和毫米波(Millimeter Wave)。

　　厘米波频率因比较接近现在使用中的频率范围，自然会是首先释放给无线接取的对象，但我们还须进一步研究才能完全了解这些频段的无线电波传播特性。在某些方面，厘米波的行为类似传统的无线通讯频段(如反射和路径损耗指数)，但在某些效应上是不同的，如总路径损耗(Overall Path Loss)和绕射(Diffraction)，尤其在更高的厘米波频段更是如此。厘米波可能提供的连续频宽大约是100M-500MHz，大于先进长程演进计画(LTE-Advanced)设计使用的频宽范围，而针对2GHz优化的LTE空中介面设计，并不适合厘米波频率。

　　频谱的另一端则是从30GHz开始的毫米波。在某些方面，毫米波的无线电波传播和射频工程特性不同于6GHz以下的频谱范围，如更高程度的绕射、树叶与建筑物穿透损耗;不过，最近的测量研究显示，毫米波频率和6GHz以下的频率在其他特性上，如反射和路径损耗指数也是类似的。

　　我们必须对这些频段进行更多实验研究才能了解这些毫米波的实际效能，研究结果将让我们使用更多载波频宽，如1G-2GHz频宽，即使在厘米波和毫米波(波长1厘米)之间有一个定义良好的30GHz波段，无线电波传播的变动会更加平缓，也不会有突然的转换点(Transition Point)在无线电波传播特性中出现。

　　更高的频谱效率

　　频谱效率是指资料传输期间的频谱使用效率，也就是系统空中传播资料时每秒每赫兹(Hz)有多少位元(Bit)。而一般用以专门提升频谱效率的重要技术元件是大规模多重输入/输出(MIMO)技术。

　　在厘米波和毫米波频段的5G系统空中介面设计中，整合大规模的天线阵列，与目前4G系统所采用的MIMO解决方案有很大的不同。首先，在厘米波和毫米波中有更多具备杂讯限制(Noise-Limited)特性的高频宽系统，可使用毋须积极减低其他基地台干扰的简单方案;第二，3GHz及其以下频段的4G系统有频宽和干扰性的限制，因此这些系统在使用MIMO技术时，一直以提高频谱效率、克服前述限制为重点。

　　毫米波的高频宽系统可能不会有频宽和干扰性的限制，但可能会有路径损耗的限制，因此，初期采用MIMO技术的重点是透过波束成型(Beamforming)提供功率增益(Power Gain)。由于毫米波系统须克服路径损耗限制，因此4G系统的高效能关键技术空间多工(Spatial Multiplexing)，不会是毫米波发展初期的重点;不过，因为频宽和干扰性限制的关系，厘米波系统应会在4G系统和毫米波系统之间运作，也就是说，厘米波系统可能同时采纳4G和毫米波系统所使用的MIMO及波束成型技术元件。

　　此外，大规模MIMO是改善链路频谱效率的优秀技术，而提高无线电资源的利用率则可增加系统频谱效率。抗干扰(Interference Rejection)技术是用以提升系统频谱效率的途径之一，其方法是舍弃基地台间干扰协调机制(例如试图使用LTE中干扰最低的无线电区段)，接纳干扰且稍后在接收器里抑制该干扰。抗干扰整合方案已广为人知并应用在LTE中，5G则有机会设计一个能优化该整合技术的系统，另一个优化频谱利用率的技术是动态分时双工(TDD)技术，它能对上链和下链之间的频谱做最佳化分配。