5G发展小基站的重要性提升 大小基站共存成为关键

　　短讯框期间/动态TDD 降低无线电介面延迟

　　4G/LTE的延迟表现优于3G，但仍然不如有线网际网络的成效。降低无线电介面延迟的方法之一，就是采用具备短讯框期间(Short Frame Duration)和可调整讯框结构的动态TDD，动态TDD涵盖网络中不同的基地台，并根据基地台的流量负载，使用不同的上链到下链TDD分割(Split)。若是预期在6GHz以上频段的5G超密度网络，动态TDD会是主要的运作模式。而动态TDD之所以适用于5G小基站，是因它能将全部的频谱分配指派给任何最需要的链路方向(Link Direction)，同时，TDD收发器的建置也比分频多工(FDD)收发器更容易更便宜。

　　在调整下行(DL)/上行(UL)分配会有部分限制的情况下，LTE-Advanced已经导入动态TDD，不过，TDD LTE-A的实体讯框结构会限制其空中介面延迟，在一个10毫秒(ms)的无线讯框中可以有高达两个上链/下链交换点，这等于是对空中介面延迟设定硬限制(Hard Limit)，显然，这将无法达到5G无线电层的延迟目标。LTE-A的演进版本受限于其渐进式的技术演进，无法大幅降低延迟，例如基于向后相容的问题，无法改变参数(Numerology)和讯框结构设计来缩减延迟，因此，我们需要新的5G空中介面以取得所需要的实体层(Physical Layer)延迟。

　　一个好的讯框架构应该不能有任何交换点限制，使任何时槽(Slot)都可以是上链或下链，而且还提供直接的装置对装置链路或自我后置回路(Self-Backhauling)功能。图1说明提供这种弹性的讯框结构。

　　弹性TDD的时槽结构

　　一个5G弹性TDD传送时间间隔(Transmission Time Interval， TTI)的讯框长度应该会大幅缩短，约是LTE的十分之一，由于达到1毫秒的总延迟目标，因此能满足汽车安全、触控式网际网络(Tactile Internet)或即时控制等新使用案例的需求。

　　空中介面/系统架构翻新5G网络节能效率再推升

　　针对5G所开发的空中介面和系统解决方案，其使用的装置不但必须非常节能，也必须具备数年免充电的运作能力，以支援低成本、大范围覆盖的物联网(IoT)应用。设计5G无线电系统时必须考量这些需求，而动态TDD技术能为5G系统带来这方面的助益，尤其是它能提升休眠周期的效率，进而优化5G装置的电池耗用。

　　除了提升装置的节能效率，5G也将会是第一个针对基础设施能源效率而设计的无线电系统，这在降低环境影响方面特别重要。另外，5G系统也提供经济规模上的效益，毋须大幅减少每位元传输(Per Bit Delivered)所需的能源，就能传送愈来愈庞大的空中流量，而且，在超密度网络系统中，每个基地台的消耗功率，会比现在大范围覆盖的大型基地台减少许多。

　　由于超密度网络中小基站使用的传输功率(Transmit Power)更低，因此每个基地台的功耗自然低于大范围覆盖的基地台，例如现代超微型基地台(Pico Cell)仅耗用几瓦或数十瓦功率，而大型基地台则耗用数百瓦，当然，它也能为更广大的地理区域、上百到上千倍的用户提供服务。

　　未来超密度网络上，5G在任何指定时间所须支援的平均用户人数会更少，但未来的用户将使用多种传输需求不同的服务和应用程式，使得网络必须灵活适应每个基地台的传输条件。小基站或提供6GHz以上频段的网络要达成这个调适目标，必须具备以下特性，传输时间间隔更短且具备低消耗(Low-Overhead)讯框架构的动态TDD技术、含相位阵列(Phased Array)的大规模MIMO/波束成型技术、以及直接的装置对装置链路。

　　要提高资源利用的效率和能源效率，必须整合小基站频率层和大范围覆盖层(Wide Area Layer)，或在数个小基站频率层环境中，执行小基站层之间的整合及与大范围覆盖层的整合。试想一个网络环境，包括一个使用数10MHz频宽、频率在6GHz以下的大范围覆盖层，厘米波频率为100M-200MHz频宽的微蜂巢容量层，以及毫米波频率为1G-2GHz频宽的室内容量层，这种网络最简单的设计方式，是依照可覆盖范围和所须使用的服务，一次连结一个网络层;但在某些情况，如需要超可靠性、始终不变的延迟特性时，单纯的一次连结一个网络层已无法满足需求，此时必须紧密整合各个网络层才能提升系统的效能。

　　底层的大范围覆盖层可做为协调(Coordination)层，只要将装置的连结向下导引，协调小基站内不同基地台的排程，就能充分利用资源，此外，大范围覆盖层也可做为讯号连结(Signaling Connection)层，负责维持控制层面的连结，并将使用者层面交递给小基站。由于这种架构的装置在大区域里有固定的锚点(Anchor Point)，行动事件(Mobility Event)的次数也大幅减少，因此能提升架构的行动性和可靠性。

　　多层式5G网络示意图

　　高密度小基站系统设计将成5G网络要件 高密度小基站系统设计将成5G网络要件

　　5G将会是一个包含不同技术、超快速、超弹性的通讯网络，对终端使用者来说它是无感觉的，但对营运商来说是一个容易管理的网络。此外，5G必须解决未来大量增加的资料流量，也必须满足新世代装置的容量、资料速率和延迟性要求。

　　为达到5G的容量和资料速率要求，除了要有新的频段，也需要大量的高密度小基站，超密度小基站将会是5G网络的关键要件，且部署这些小基站的频率范围也很广，其频段范围可从2G-100GHz，因此小基站的系统设计要有弹性。厘米波和毫米波层都支援一套共同的特性如动态TDD、大规模MIMO/波束成型技术、装置对装置通讯、低消耗且讯框规模更小的讯框结构，各网络层之间的差异处则显现在所使用的中频宽或高频宽、MIMO/波束成型技术的实施体系(Scheme)、以及协调和降低干扰的方案。

　　同时，为支援各式各样的服务和需求，系统的设计也必须是弹性的。例如，为支援车辆对车辆通讯，网络必须支援超高可靠性的关键通讯功能，对于低成本的物联网应用，如湿度感测器传回的湿度报告，就只需要低可靠性的通讯;而高资料速率的机器对机器应用，可由厘米波或毫米波系统支援，但低成本的物联网应用只需要低功率的大范围覆盖网络。因此研究人员选择5G的技术元件时，必须仔细考量能源效率，以及基础设施的成本和终端使用者的设备。

　　最后一项挑战则是将各式各样支援5G使用案例的解决方案，以及多种网络层，藉由统一的网络运作控制功能，整合成统一且一致的使用者体验，不同的5G网络层，将与其他既有无线技术及其演进技术，整合成一个系统，所有这些无线存取层将互相紧密合作，确保使用者享有最好的服务体验。

　　5G的服务体验与解决方案