迎接5G高頻信號(hào)新挑戰(zhàn) 小基站角色更吃重 - 全文

小型基地臺(tái)的概念并不新，且產(chǎn)業(yè)對(duì)其重視程度，也已行之有年，但到目前為止，小型基地臺(tái)并不如想象中蓬勃發(fā)展。不過(guò)由于5G訊號(hào)特性，勢(shì)必得靠小型基地臺(tái)來(lái)組成異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，從5G一開始的應(yīng)用場(chǎng)景，到頻譜規(guī)畫、以及RF組件開發(fā)等，皆可尋覓到其身影，因此在邁向IMT-2020的目標(biāo)中，小型基地臺(tái)的起伏發(fā)展，將是值得持續(xù)聚焦的一大重點(diǎn)。

由3GPP發(fā)布的5G技術(shù)發(fā)展使用情境，可區(qū)分為提供更高帶寬的eMBB，專為大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而發(fā)展的mMTC，以及能滿足各種實(shí)時(shí)通訊需求，且可靠度更高的URLLC。由于三種應(yīng)用場(chǎng)景鎖定的情境皆不相同，未來(lái)電信商的營(yíng)運(yùn)模式與發(fā)展的產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈，勢(shì)必也將有所不同。

構(gòu)筑5G藍(lán)圖　eMBB/mMTC/URLLC各司其職

資策會(huì)智通所主任馬進(jìn)國(guó)（圖1）表示，目前5G New Radio大部分訂的標(biāo)準(zhǔn)，著重在eMBB，URLLC今年將會(huì)訂得更為完整，而mMTC則會(huì)逐步靠NB-IoT、LTE對(duì)接過(guò)來(lái)，因此標(biāo)準(zhǔn)會(huì)訂得比較慢一些。

圖1　資策會(huì)智通所主任馬進(jìn)國(guó)表示，小型基地臺(tái)將會(huì)是發(fā)展eMBB的重要設(shè)備。

馬進(jìn)國(guó)進(jìn)一步表示，eMBB除了在6GHz以下的頻譜發(fā)展相關(guān)技術(shù)，也會(huì)發(fā)展在6GHz以上的頻譜。而小型基地臺(tái)（Small Cell）將會(huì)是發(fā)展eMBB的重要設(shè)備，由于目前6GHz以下的頻譜，大多是以大型基地臺(tái)發(fā)展的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模式為主，而較以6GHz以上頻譜的毫米波技術(shù)，便須要小型基地臺(tái)來(lái)把速度沖得更快。而eMBB主要的應(yīng)用會(huì)是在大流量的行動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)。

除了eMBB，URLLC則將會(huì)著重發(fā)展在6GHz以下的頻段上，主要應(yīng)用會(huì)是無(wú)人車，因其反應(yīng)必須很快，才能有效避免意外事故的發(fā)生。此外，另一項(xiàng)重要應(yīng)用場(chǎng)域則是在智慧工廠，由于大量的機(jī)器都內(nèi)建傳感器，從傳感器、后端網(wǎng)絡(luò)、下指令，再傳送回機(jī)器本身的這些過(guò)程，若以現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)傳輸，將出現(xiàn)很明顯的延遲，可能引發(fā)工安事故。有鑒于此，URLLC將網(wǎng)絡(luò)等待時(shí)間的目標(biāo)壓低到1毫秒以下。

而mMTC也將會(huì)發(fā)展在6GHz以下的頻段，其將會(huì)應(yīng)用在大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)上，目前較可見的發(fā)展是NB-IoT。

以往普遍的Wi-Fi、Zigbee、藍(lán)牙等，較屬于家庭用的小范圍技術(shù)，回傳線路（Backhaul）主要都是靠LTE，最近隨著大范圍覆蓋的NB-IoT、LoRa等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的出爐，可望讓物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展更為廣泛。

高頻5G訊號(hào)跑不遠(yuǎn)　小基站角色更吃重

在4G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，小型基地臺(tái)主要扮演的是補(bǔ)強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)涵蓋死角的角色，主要的網(wǎng)絡(luò)涵蓋還是由大型基地臺(tái)負(fù)責(zé)。但由于5G通訊所使用的頻段更高，穿透力與涵蓋范圍將比4G更差，因此小型基地臺(tái)勢(shì)必將在5G網(wǎng)絡(luò)建置中扮演更重要的角色。

***資通產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（TAICS）秘書長(zhǎng)暨工研院資通所副所長(zhǎng)周勝鄰指出，無(wú)論是大型基地臺(tái)還是小型基地臺(tái)，一個(gè)區(qū)域里基地臺(tái)越多，該行動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)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(tái)組網(wǎng)，便可把不同用戶分散到這些基站去，進(jìn)而讓容量增加。

未來(lái)5G小基站的觀念，會(huì)是在大型基地臺(tái)底下，再布建好幾個(gè)小型基地臺(tái)（圖2）。周勝鄰舉例，以臺(tái)北市東區(qū)的面積來(lái)說(shuō)，一座大型基地臺(tái)的訊號(hào)涵蓋范圍已經(jīng)足夠，但考慮到當(dāng)?shù)厝顺睋頂D、行動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的流量也高，因此網(wǎng)絡(luò)容量必須更大，才能滿足用戶需求。在SOGO等人潮聚集的地區(qū)再布建幾個(gè)小基地臺(tái)，便可有效提高網(wǎng)絡(luò)容量。

圖2　超高密度異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)

數(shù)據(jù)源：TAICS， ***5G白皮書

周勝鄰進(jìn)一步分析，但如此一來(lái)，大小基地臺(tái)必須能彼此協(xié)調(diào)，否則反而會(huì)互相干擾。這對(duì)基地臺(tái)規(guī)畫（Cell Planning）來(lái)說(shuō)，是新的挑戰(zhàn)。目前大小基地臺(tái)共存，仍存在訊號(hào)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(tái)所能擴(kuò)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(tái)，最多可把網(wǎng)絡(luò)容量增加2～5倍。

以中國(guó)移動(dòng)為例，目前該公司是采用大小基地臺(tái)異頻運(yùn)作的方式來(lái)降低干擾問(wèn)題。因?yàn)轭l率不同的關(guān)系，該方式能成功避免大小基地臺(tái)相互干擾。不過(guò)，此作法可能難以應(yīng)用在***，因***電信商的數(shù)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。

徹底解決基地臺(tái)干擾　UDN還得加把勁

工研院新世代通訊技術(shù)與應(yīng)用推廣部經(jīng)理劉家隆表示，5G UDN的研發(fā)目標(biāo)，便是要在UDN環(huán)境下，解決基地臺(tái)間干擾增加的問(wèn)題，使小型基地臺(tái)布建密度增加十倍時(shí)，帶寬流量可同時(shí)接近時(shí)被增長(zhǎng)。

UDN提出把破壞性干擾，轉(zhuǎn)成建設(shè)性合成波的MIMO技術(shù)。從單一小型基地臺(tái)導(dǎo)入整個(gè)UDN網(wǎng)絡(luò)，透過(guò)MIMO與跨基地臺(tái)之間的緊密協(xié)調(diào)，來(lái)消除干擾，此過(guò)程稱為Network MIMO。Network MIMO這種跨基地臺(tái)合作技術(shù)，現(xiàn)已被視為是5G的重要技術(shù)之一。

Nokia解決方案營(yíng)銷部臺(tái)港澳業(yè)務(wù)銷售總監(jiān)鄭志中進(jìn)一步指出，由于目前部分電信營(yíng)運(yùn)商是用比較傳統(tǒng)的方式在運(yùn)行小型基地臺(tái)，沒(méi)有仔細(xì)規(guī)畫，而無(wú)法掌握干擾狀況。當(dāng)大量部署小型基地臺(tái)時(shí)，所有的基地臺(tái)都必須有自我組織網(wǎng)絡(luò)（Self Organization Network， SON）的能力，才能有效調(diào)整、控制訊號(hào)的大小，以大幅避免干擾的狀況發(fā)生。

鄭志中分析，如今干擾狀況的產(chǎn)生，有可能是電信營(yíng)運(yùn)商沒(méi)有考慮到整體狀況，就直接進(jìn)行部署，以致于無(wú)法順利擴(kuò)充訊號(hào)涵蓋量。同頻雖然在先天上有不少缺陷，但現(xiàn)已有許多技術(shù)可以在后天進(jìn)行改善。

5G帶來(lái)多重考驗(yàn)　RF組件整合勢(shì)在必行

然而，無(wú)論大小基地臺(tái)，為因應(yīng)5G高頻、高容量特性，RF組件在整合度、系統(tǒng)功耗上的要求，相較4G LTE來(lái)得更高，因此組件供貨商如何在這些更嚴(yán)格的要求下，保持成本競(jìng)爭(zhēng)力，將進(jìn)一步影響到5G商用化的進(jìn)程。對(duì)組件供貨商而言，如何進(jìn)一步提高RF組件的整合度，使其在效能不打折的情況下降低功耗，將是一大挑戰(zhàn)。

ADI通訊基礎(chǔ)設(shè)施業(yè)務(wù)部中國(guó)區(qū)戰(zhàn)略市場(chǎng)經(jīng)理解勇（圖3）表示，美國(guó)營(yíng)運(yùn)商Verizon和AT&T，計(jì)劃在2017年把5G毫米波技術(shù)，應(yīng)用在固定無(wú)線寬帶接入網(wǎng)絡(luò)上，從而提供家庭用戶高速的網(wǎng)絡(luò)連接方案。ADI作為主要的射頻微波芯片供貨商，多年來(lái)一致積極致力于微波和5G相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品的研發(fā)和演進(jìn)，提供整體訊號(hào)鏈解決方案。

圖3　ADI通訊基礎(chǔ)設(shè)施業(yè)務(wù)部中國(guó)區(qū)戰(zhàn)略市場(chǎng)經(jīng)理解勇表示，小型基地臺(tái)在中國(guó)大陸的發(fā)展十分火熱，應(yīng)用場(chǎng)景日廣

由于5G基地臺(tái)采用大規(guī)模天線數(shù)組（Massive MIMO）技術(shù)，每個(gè)天線的發(fā)射功率并不大。相對(duì)于傳統(tǒng)大型基地臺(tái)來(lái)說(shuō)，5G基地臺(tái)對(duì)系統(tǒng)功耗、尺寸和成本更加敏感，所以對(duì)于RF收發(fā)器組件，要求其整合度更高，功耗更低以及成本更具競(jìng)爭(zhēng)力。

解勇進(jìn)一步表示，小型基地臺(tái)是解決網(wǎng)絡(luò)容量和室內(nèi)覆蓋難題的重要方式之一，和大型基地臺(tái)一起組成分層網(wǎng)絡(luò)，已是業(yè)界的共識(shí)和趨勢(shì)。目前小型基地臺(tái)在很多國(guó)家都有規(guī)模部署，在中國(guó)大陸的發(fā)展也十分火熱，應(yīng)用場(chǎng)景日廣，主要產(chǎn)品形態(tài)以分布式射頻頭端（Radio Head）或光纖延遠(yuǎn)小型基地臺(tái)，以及一體化的小型基地臺(tái)為主。

解勇指出，目前產(chǎn)業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)是，在如何取得更高整合度和更低功耗的目標(biāo)下，保持成本競(jìng)爭(zhēng)力。因?yàn)樾碌闹瞥碳凹靶录夹g(shù)的研發(fā)持續(xù)投入是巨大的，5G的成熟和大規(guī)模商用還須要很長(zhǎng)一段時(shí)間。在組件指針上，由于5G標(biāo)準(zhǔn)還在制定之中，現(xiàn)在還不是很明確，但是由于5G的頻段包含微波和毫米波頻段，在組件的指針設(shè)計(jì)難度上會(huì)更大。

此外，伴隨各國(guó)陸續(xù)釋出6GHz以下頻譜，給行動(dòng)寬帶使用，同時(shí)在2016年7月份，美國(guó)FCC也開放了近11GHz可靈活運(yùn)用于行動(dòng)和固定無(wú)線寬帶服務(wù)的高頻段頻譜，其中包括28GHz、37GHz、39GHz和一個(gè)新的64～71GHz未授權(quán)頻段。

對(duì)此，解勇表示，ADI在6GHz以下，與6GHz以上頻譜的RF組件之發(fā)展策略是齊頭并進(jìn)，6GHz以下頻段重點(diǎn)開發(fā)CMOS制程的基于軟件定義無(wú)線電（SDR）架構(gòu)的射頻完全整合型收發(fā)器（Transceiver）方案，以及射頻取樣架構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器；6GHz以上頻段目前重點(diǎn)開發(fā)硅鍺制程的高性能微波整合組件。

NCC改采免審驗(yàn)制度　小基站部署添動(dòng)能

此外，近期美國(guó)與***政府，也各自發(fā)布對(duì)小型基地臺(tái)發(fā)展有利的政策。合勤行動(dòng)寬帶事業(yè)中心資深經(jīng)理廖清波（圖4）表示，美國(guó)FCC釋出的CBRS頻段，將會(huì)是5G小型基地臺(tái)發(fā)展的重要頻段。目前行動(dòng)通訊所使用的頻譜多半是競(jìng)標(biāo)而來(lái)，授權(quán)費(fèi)用相當(dāng)昂貴，因此整個(gè)電信產(chǎn)業(yè)基本上是以大型營(yíng)運(yùn)商為主體，但CBRS頻段采用注冊(cè)制，任何注冊(cè)的業(yè)者皆可使用，因此將給中小型電信業(yè)者較大的發(fā)揮空間。而對(duì)這些規(guī)模較小的電信業(yè)者來(lái)說(shuō)，相較于大型基地臺(tái)，小型基地臺(tái)自然是更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的選擇。

圖4 合勤行動(dòng)寬帶事業(yè)中心資深經(jīng)理廖清波表示，CBRS頻段將是5G小型基地臺(tái)發(fā)展的重要頻段。

除了美國(guó)之外，在2016年底，***NCC亦放寬了小型基地臺(tái)的設(shè)置審驗(yàn)，改采免審驗(yàn)制度。未來(lái)在***建設(shè)小型基地臺(tái)將不必再逐一申請(qǐng)建置許可。廖清波認(rèn)為，過(guò)去NCC把小型基地臺(tái)當(dāng)成大型基地臺(tái)來(lái)管理，申請(qǐng)的過(guò)程十分繁瑣，管制放寬后，將對(duì)***的小型基地臺(tái)發(fā)展有相當(dāng)大幫助。

周勝鄰則表示，此項(xiàng)放寬對(duì)電信營(yíng)運(yùn)商來(lái)講是好事，因?yàn)檫@意味著，小型基地臺(tái)的布建將會(huì)更加容易。

在4G時(shí)代，小型基地臺(tái)被視為客戶端設(shè)備（CPE），在整體布建的基站規(guī)畫時(shí)，僅用來(lái)彌補(bǔ)大型基地臺(tái)的不足，且衍生的干擾問(wèn)題更讓業(yè)者對(duì)其印象大打折扣。在未來(lái)的5G時(shí)代，產(chǎn)業(yè)若能克服這些問(wèn)題，開創(chuàng)出異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的全新商業(yè)模式，將是小型基地臺(tái)蓬勃發(fā)展的一大利基。