5G是下一代行動網路技術，具有超高速、低延遲和出色的可靠性。5G新無線電(5G New Radio, 5G NR)具有低延遲和超可靠連接的能力，可滿足構成物聯網(IoT)之大量不同連接要求的設備，滿足不同產業的應用，包括工業物聯網(IIoT)、智慧電網、車聯網應用等。
而5G新無線電做為一個須適用於各個不同垂直產業應用的技術，因此需要多層次頻譜以及多樣化的基地台型式所組成的異質網路，來滿足廣泛之使用場景的需求，目前5G頻譜依商用部署順序可分為中頻、高頻、低頻三頻段，各有其主要用途，以下依中高低三層進行說明。
5G多層次網路部署 依頻段高低互補配置
5G多層次網路部署可分成中頻段設備、高頻段5G基地台、低頻段5G基地台三部分來加以探討。
中頻段設備建置
中頻段設備運作於2GHz至6GHz範圍內的頻譜，主要的用途為提供廣覆蓋範圍以及提高整體系統容量，在容量和訊號涵蓋之間提供最佳折衷選置，在國際上中頻率5G設備，特別是在3,300~4,200MHz及4,400~5,000MHz，已被公認為5G最早進入商用化的主要頻段，中頻5G設備依布建的方式可分為下列三種。
主要布建位置為高塔及建物樓頂，與現有4G基地台共享站點，並共用回傳網路，減少額外的營運成本，甚至許多電信設備商設計可將4G的基頻單位(Baseband Unit, BBU)進行升級並與5G NR共用BBU，減少設備投入成本，5G NR中頻段大型基地台(Marco Cell)主要用來提供基本的5G戶外訊號涵蓋以及有限度的室內訊號涵蓋，並利用大規模多重輸入輸出(Massive MIMO)技術提升系統容量，這也是目前許多電信營運商5G最初期的布建模式。
街道等級小型基地台(Street Level Small Cell)主要架設的位置，在街道燈桿或建築物外牆上，主要用來填補中頻段大型基地台訊號死角，加強室內的訊號涵蓋，以及在使用密集熱區提升系統容量。中頻段街道等級小型基地台回傳網路，除了採用有線的光纖網路外，依成本與部署彈性需求，通常會搭配微波(Microwave)或毫米波(mmWave)無線回傳網路來取代有線網路。
主要架設的地點為特定使用密集建築物，特別是公眾的大型建物如體育館、機場、車站等用戶熱區。戶外型的大型基地台已無法滿足訊號品質和系統容量需求，直接將室內型小型基地台(Indoor Small Cell)部署於建物內部，提升基地台的布建密度，可有效地大幅提升訊號連線品質和系統容量。
高頻段5G基地台建置
高頻段5G基地台主要提供超高連接速率，運作於6GHz以上的頻譜(例如24.25~29.5GHz以及37~43.5GHz)，由於高頻段波長介於1~10毫米(mm)，又稱作毫米波技術，主要用於極高數據速率的特定應用服務，例如虛擬實境(VR)、混合實境(MR)、擴增實境(AR)等應用。毫米波5G設備依布建的方式和用途可分為以下三種。
與中頻的大型基地台相同，安裝於高塔或建物屋頂上，主要有兩個用途，一為提供固定無線接取(Fixed Wireless Access)服務，使用高頻段可利用頻譜較大的特性，在家庭或企業端上安裝終端設備(CPE)，即可提供高速寬頻服務取代光纖網路，這也是一部分電信營運商首先推出的5G商用系統，特別是在地幅廣大和光纖基礎建設較不足的區域，除了用來提供固定點的超高頻寬應用需求外，也可利用於中頻段街道等級小型基地台的無線回傳網路(Wireless Backhaul)，降低營運成本。
搭載陣列天線系統，利用波束成形(Beamforming)及波束追蹤(Beam Tracking)技術提供戶外的毫米波訊號涵蓋，安裝於街道電桿/燈桿上，主要用途為特定熱區提供超高速的網路服務，街道等級毫米波基地台因其涵蓋的範圍有限，在目標涵蓋的熱區中，須要架設密度較高，而基地台的回傳網路(Backhaul)就成為非常重要的課題。採用有線的光纖網路，成本高、施工困難，難以被電信營運採用。更具靈活性和成本效益的做法是採用無線回傳網路，而毫米波具有高頻譜的特性，第三代合作夥伴計畫(3GPP)標準陣營也提出利用相同的頻譜資源，採用時間切分、頻率切分及波束切分等做法實現5G新無線電後端網路整合(5G NR Integrated Access and Backhaul)，也稱作自回傳網路(Self-Backhaul)，擺脫對有線網路的依賴(圖1)。
圖1 毫米波自回傳網路
由於毫米波幾乎不具備穿透性的特性，在室內若要提供毫米波超高速的網路服務與應用，只能將毫米波基地台安裝於室內可視範圍，並搭配主動式天線陣列，達成波束追蹤功能來增加收訊範圍。由於毫米波基地台訊號涵蓋距離及範圍有限，在一些特殊的場所如體育場，可利用毫米波基地台搭配方向性天線，進行高密度毫米波基地台的布建，可大幅度地提升系統容量。
低頻段5G基地台主要提供訊號覆蓋，利用低於2GHz(例如700MHz)的頻譜，提供廣域和深度室內覆蓋，主要型式為大型基地台，而低頻段5G基地台的部署時機會在5G商用化後一段時間。當用戶端的5G設備滲透率到一定的比例時，為了進一步提升頻譜效率，將現有4G長程演進計畫(LTE)基地台所使用的頻譜與5G基地台共享頻譜(圖2)。
圖2 4G LTE/5G NR低中高頻異質網路布建架構
資料來源：高通
5G網路將同時利用這三層頻譜的各式基地台，來支援為5G定義的增強型行動寬頻通訊(eMBB)、超可靠度和低延遲通訊(URLLC)、大量的機器型態通訊(mMTC)等三大場景(表1)。
具體來說，eMBB場景主要是速率的提升，單一5G基地台能夠支持20Gbps的下行速率以及10Gbps的上行速率，主要對應4K/8K超高解析度串流、虛擬實境、混合實境、擴增實境等超高速率應用。eMBB應用以高於6GHz的高頻為主，低於6GHz的中低頻為輔，主要是eMBB應用對網路速率要求很高，對站台的容量要求極高。
URLLC則是要求5G的時延必須低於1毫秒(ms)，才能應對無人駕駛、智慧工廠自動化等低延遲應用，URLLC應用以低於6GHz的中低頻段為主，高於6GHz的高頻段為輔，主要是URLLC應用對網路的覆蓋要求廣，傳輸速率要求極高，站台容量要求也極高，網路延遲要求極低，對於一些特定的應用會以高於6GHz的高頻段來應用。
而mMTC場景是大量的機器型態通訊，適用於物聯網等連接量較大應用。mMTC業務以低於6GHz的中低頻段為主，主要是大連接應用對網路涵蓋區域要求廣，連接裝置數量極大。對於特別需要深度覆蓋的應用，會以低於2GHz的為主要考量。
在2/3/4G時代，資料傳輸的主要目標就是提升速度，而在5G時代需求發生了本質的變化，5G的應用是多樣，5G的應用數量極為廣泛，5G應用對效能的需求差異極大。為了滿足不同應用對性能差異的需求，5G的頻譜選擇也能具備彈性。
對於5G由初始商用化到大規模布建，一般的看法是會先由中頻3.5GHz開始，提供5G基本訊號涵蓋及系統容量，接著於特定的應用和場域導入高頻段毫米波，最後於低頻段部分，採用的時間點會最晚，主要布建低頻的時機點在於建立全網5G覆蓋的情況。
4G/5G動態頻譜 設備共存資源分派
低頻的部分主要目前是4G LTE來使用，在網路轉移至全網5G覆蓋前，因為5G設備普及率的影響，會有一段時間為4G/5G共用使用低頻段的頻譜。為何須要將低頻段也升級到5G？當然沿用4G也是一個方法，只不過相較於4G技術，5G仍然有10∼20%的頻譜效率的提升，並且在基地台與基地台間的訊號邊緣(Cell Edge)也能提升網速，降低網路延遲，提升用戶體驗。
可以確定的是，會有一段不短的時間為4G/5G設備共存的狀態，頻譜資源就需要進行分派。目前有提出幾個做法，最簡單的一種為固定式頻譜共享(Static Spectrum Sharing)，其實就與3G/4G共存的做法一樣，將原先用於4G的頻譜，切分一個固定的頻寬給5G。
第二種做法是動態頻譜共享(Dynamic Spectrum Sharing)，為動態分配，基地台依照目前4G/5G用戶人數與頻寬需求動態地切分比例，比固定切分的做法要來得更有效率。最後一種為即時頻譜共享(Instant Spectrum Sharing)，與動態頻譜共享類似，但能依當前需求即刻變更切分比例，進一步提升效率和可用性。
共享善用4G/5G頻譜 三階段完成大規模布建
如何使用低頻的5G來擴展訊號涵蓋，同時又能利用5G中頻段或高頻段的大頻寬來滿足流量需求呢？目前的做法是採用載波聚合(Carrier Aggregation, CA)的做法，可利用頻譜特性在中頻段與低頻段的訊號涵蓋範圍不同，當用戶在中頻段的訊號邊緣弱訊區時，將載波聚合的主要載波(PCell)切換至低頻段，利用低頻段的上傳來維持連線，實現由5G低頻段負責主要訊號涵蓋，中頻段提升系統容量的互補解決方案。
3GPP標準組織於R15標準上訂定了包括非獨立組網(NSA)和獨立組網(SA)兩種標準架構，長期來看，非獨立組網只是獨立組網方案的過渡。非獨立組網方案以現有電信營運商最小投資升級5G的角度思考，以現有的4G無線基地台及核心網為基礎，新增5G新無線電基地台，主要是為了提升頻寬達到eMBB的特性。獨立組網才是真正的5G網路架構，能達成5G全部特性。
其中，非獨立組網的架構LTE與5G NR系統採用雙連結的方式，讓用戶同時利用4G網路來進行廣域的上網服務，以及利用5G網路進行熱區的高速無線接取網路。由非獨立組網架構的初期布建到大規模布建，以下分為三個階段進行說明(圖3)。
圖3 5G網路架構演進
由現行的4G網路架的的選項1演化至選項3/3a，在此階段可沿用4G的核心網路(EPC)並透過現行的4G網路做為錨點，達到升級5G網路的最小變動及投資。在此階段，只會在少部分區域進行5G基地台的布建，對5G終端用戶來說，大多時候仍然是使用4G的網路。
由選項3/3a演進到選項7/7a，此階段核心網路升級至次世代核網(NGC)，資料流仍維持與選項3/3a，由4G基地台做為錨點來處理控制面向及用戶面向資料，5G新無線電基地台只處理用戶面向資料。
由選項7/7a轉換至選項4/4a，資料流由5G基地台做為錨點來處理控制面向和用戶面向資料。
5G系統原生支援多連結，多連結包括從4G與5G網路間的多連結，到5G網路間低中高不同頻段間的多連結。
多連結的好處是可以提升效能和可靠性，差別在於5G/4G多連結，5G和4G基地台資料匯集在封包資料匯聚通訊協定(PDCP)層達成雙連結的做法，5G與5G之間多連結的資料匯集點在MAC層達成載波聚合的做法(圖4)。
圖4 LTE/5G NR多連結架構
滿足各類5G應用場景 走向雲端網路虛擬化
為了滿足各種5G應用的場景，符合不同的性能指標需求，並達到5G網路切片的功能，首先要建立全雲端化的虛擬核心網路和邊緣網路系統。
往網路虛擬化演進，已經是新世代5G網路架構的發展方向。由4G開始，核心網路已朝向網路虛擬化的方向，到了5G時代，更是將核心網路元件全面地採用雲端虛擬架構，並將控制面向和用戶面向更進一步地進行切割，提供了依不用應用情境下實際需求進行擴展的彈性架構，達成網路架構扁平化的目的，並導入邊緣網路運算的概念來降低核心網路負荷，提高用戶體驗。
5G翻新無線網路架構 達成虛擬化集中式管理
以上討論了5G的幾個特點，包括多層次頻譜、三大特性與頻譜的關連、多層次部署、多連結等等，接著來談談綜合這些技術和特性的整合技術，其中的關鍵就是達成無線網路的虛擬化集中式管理。
5G與4G在無線技術比較大的不同是，將原本在4G時代將集中式無線網路(CRAN)進一步虛擬化成為Cloud RAN(圖5)。集中式無線網路相較於分散式無線網路(DRAN)的好處是，能將基地台的基頻單元與射頻單元分離，透過共通的介面例如用開放式基地台架構計畫(OBSAI)或通用公共無線電接口(CPRI)，以一個大容量的基頻處理單元(BBU Pool)進行集中式管理，但缺點為CPRI/OBSAI對線路的頻寬跟延遲要求極高，布建上須要使用許多的光纖資源及WDM設備，現有的光纖基礎建設難以實現CPRI/OBSAI集中式無線網路架構。
圖5 雲端虛擬化無線網路架構
為解決以上這個問題，5G採用了雲平台技術，將5G新無線電架構中即時與非即時的部分進行切割，將無線控制器及資源管理和資料匯集的部分，放置在雲端虛擬平台上，而須要即時處理的部分，如基頻運算和射頻單元及天線，則放到無線站台上，這樣的好處在於降低回傳網路的需求，又可達到集中管理站台，進行低中高頻各式站台間的溝通協調，譬如大小站台間負載平衡、增強型蜂巢式區域間干擾消除(eICIC)技術、多點協調(Coordinated Multi-Point, CoMP)技術，以及多重連結、載波聚合等協同作業。
另一個基地台雲端化的好處是可以依應用的架構與多接取邊緣運算(MEC)整合，將用戶或應用所關注的資料內容及應用，利用快取或是分散式應用部署的方式，把內容和應用在邊緣網路中部署，這在一些5G的應用場景如車聯網、智慧工廠，可降低網路延遲，降低後傳網路的需求。
綜合上述所言，5G具備多重特性及多層次頻譜資源，並且將和現有的4G網路緊密地結合在一起，在與4G異質協定及5G多頻段異質基地台的整合上，比起以往更為複雜。而小型基地台在5G中頻的室內涵蓋及高頻毫米波的解決方案中扮演關鍵的角色，這也是國內網通廠可提前布局之處。
5G無線網路具備多樣式多頻段的特性，又依不同的應用特性進行資源的協調，達到網路切片化的目的，異質網路在整體系統的合作及協調上，將扮演5G網路效能關鍵的角色。
(本文由台灣資通產業標準協會提供，作者為工研院資通所寬頻網路系統整合測試技術部技術副理)