無縫銜接打擊訊號死角　5G/Wi-Fi 7異質混合網路強強聯手

近年來，由於無線上網技術發展快速，消費者對於支援多使用者、低延遲、寬頻上網、視訊多媒體應用的要求也隨之增加，因此第四代行動通訊(4G)逐漸不敷使用，許多新的寬頻應用例如即時視訊、AIoT、AR/VR、元宇宙等等多使用者需求頻寬都已不是4G行動通訊可以應付的。

4G行動通訊系統使用頻段大致由700MHz~2GHz左右，在現今多媒體寬頻需求應用大幅增加的情況下漸顯露不敷使用的狀況，而且也因為其他頻段已經被商用頻段及私人無線電訊號占滿，因此4G已經無法擴充頻段，在這種情況下只能發展更高頻段的行動通訊，所以5G行動通訊的發展便受到相當的重視。5G行動通訊的操作頻段在更高頻意味著使用者設備的天線尺寸能夠進一步縮小，因此使用者設備的尺寸可以更為小型化，也因為高頻意指可用的通道頻寬越大，更大的頻寬表示資料傳輸速率更高。

電波訊號沿著地表傳播時會隨著頻率的增加而更快損耗，由於越高頻的電波訊號繞射能力低、波長越短且有方向性，雖然電波穿透力強但衰減大，所以當電波訊號頻率越高則傳播距離越短，導致5G行動通訊操作在更高頻的頻段時則其基地台的電波涵蓋範圍縮小，且5G訊號進入室內也會快速衰減，所以在布建5G基地台時其間隔必須縮短，才能彌補因為高頻電波訊號快速衰減而造成的電波訊號在涵蓋上之死角。

5G的技術與無線收發存取架構是建基在LTE Evolution，其頻段範圍是1~6GHz。5G無線存取架構會再加上新無線電存取技術(New Radio Access Technology, RAT)，其頻段範圍是6~100GHz，因此5G系統架構是LTE Evolution加上RAT而組成新無線電存取技術(NR)。

由於5G NR操作在1~100GHz的頻段範圍內，然而舊的LTE技術在毫米波頻段範圍內無法運作，3GPP在2018年通過Release 15規格，5G NR則以6GHz頻段為界線，區分為第一型頻率範圍(Frequency Ranges 1, FR1)與第二型頻率範圍(Frequency Ranges 2, FR2)，FR1操作頻段是指「sub-6」，其操作頻率主要是在6GHz以下，為450~6,000MHz。FR2是指操作在6GHz以上，其操作頻段為毫米波(mmWave)，頻率範圍主要是在20GHz~60GHz，為24,250~ 52,600MHz。

5GHz之可用的頻寬比2.4GHz多，為了和Wi-Fi和平共存，所以便有了LTE-U、LTE授權輔助存取(License-assisted Access, LAA）、LWA這些授權存取技術。由於5G訊號進入室內會快速衰減，5G NR訊號頻率越高其穿透室內介質(例如牆壁)後的衰減越大，因此需要寬頻無線區域網路將寬頻多媒體資訊連結到建築物內或室內，例如虛擬實境(VR)、擴增實境(AR)、物聯網(IoT)資訊、AIoT、智慧醫療、即時多媒體視訊等等。支援寬通道頻寬(320MHz)、多重鏈結(MLO)、三頻操作(2.4G/5G/6G)、16×16MIMO、高階調變(4096 QAM)的Wi-Fi 7技術便相當適合與5G NR搭配為室外/室內的異質混合網路(如圖1)。

5G NR+Wi-Fi 7異質混合網路

異質網路(Heterogeneous Network)早期被定義為是由不同作業系統的電腦或系統所組成的網路稱之，近年來在通訊領域可以被定義為連結兩個(或以上)的不同通訊協定網路亦稱為異質網路，在行動通訊中將3GPP定義的5G NR連結IEEE 802.11be(Wi-Fi 7)亦是行動通訊中的一種異質網路。實際應用中是以5G MiFi(Mobile WIFI)實現5G+Wi-Fi 7異質混合網路，實際應用如圖2所示。

5G MiFi連結了兩個無線異質網路，在WAN端連結了5G NR訊號，並在LAN端連結了Wi-Fi 7訊號，通常5G MiFi的LAN端也會存在另一個異質網路－Ethernet(IEEE 802.3)。這種5G NR+Wi-Fi 7異質混合網路應用的主要考量是5G NR的訊號涵蓋範圍較廣，且基地台通常是操作在較高頻的頻段而有更寬廣的通道可以使用，在室內的時候由於5G NR訊號衰減較快而由Wi-Fi 7將資訊傳給LAN端使用者。

5G NR/Wi-Fi 7優勢互補 

通道頻寬與峰值資料率

目前台灣在5G NR的頻段使用以FR1為主，根據3GPP的規範資料顯示，目前台灣主要使用的5G NR頻段是n78與n79，n78主要是應用在商用頻段(頻段範圍3.3~3.8GHz)。n79(頻段範圍4.5~5GHz)。目前3GPP的頻段配置方式在FR1頻段將4G的主要頻段納入，並且也把3.3~4.2GHz、4.4~5.0GHz這些頻段也納入5G NR頻段。且因為在n78與n79這兩個FR1頻段中都採取分時雙工(TDD)，因此系統可以動態的調整上下行傳輸速率，表1是5G NR的載波頻寬大小與理論速率值。

5G NR中低於6GHz(FR1)的最大通道頻寬為100MHz，在6GHz以上(FR2)及mmWave範圍內的最大通道頻寬為400MHz。

由於5G NR的技術在其RF通道頻寬200MHz時其峰值資料率為6Gbps，在RF通道頻寬400MHz時其峰值資料率為12Gbps，因此若5G NR訊號(RF通道頻寬400MHz)從WAN端接入室內搭配Wi-Fi 6(或Wi-Fi 6E)的話，其理論峰值資料率就得被迫降速到9.6Gbps，而通道頻寬也得屈就160MHz。Wi-Fi 7的通道頻寬可達320MHz，且其理論資料率最大可達46Gbps(通常是30Gbps)。有鑑於此，5G NR搭配Wi-Fi 7便成為寬頻多媒體、即時視訊、AIoT、AR/VR、元宇宙的應用中不可或缺的組合。

Wi-Fi 7的通道分配

由於現有的5GHz頻段與2.4GHz頻段範圍內都沒有足夠的頻寬來支援Wi-Fi 7的最大通道頻寬320MHz，因此只能從6GHz頻段來實現Wi-Fi 7的最大通道頻寬320MHz。圖3為目前美國聯邦通訊委員會(FCC)在5GHz頻段的頻譜分配狀況。FCC在2018年10月宣布6GHz頻段(頻段範圍5.925~7.125GHz)，如圖4所示。

事實上，FCC在2020年4月公布FCC 20-51公告釋出1.2GHz頻譜用以提供Wi-Fi 6E這些免執照設備使用，在室內低功率運作時免執照CPE可以使用1.2GHz頻帶，如果是供250mW的室內免執照低功率設備使用則可用350MHz的免執照頻帶，若是標準功率(W)的免執照設備，則能夠使用850MHz頻帶，根據FCC規定標準功率的免執照設備必須透過自動頻率協調(Automated Frequency Coordination, AFC)系統，讓存取點或Mesh系統之間能夠互相調整頻道來減低訊號干擾，以避免功率過大而干擾其他設備。

若是不使用AFC的免執照設備則其可用的通道會受到限制。U-NII-6頻段中沒有80MHz或是160MHz頻寬的通道，U-NII-6中只有一個40MHz頻寬的頻道，而U-NII-8中只有一個160MHz頻寬的通道。

Wi-Fi 7多重鏈結  擴充頻寬/提升效率

Wi-Fi的技術演進必定是朝向通道頻寬更寬、調變更複雜的方向發展，行動通訊的發展亦然，在這種情況下，Wi-Fi 7的多重鏈結技術便成為相當重要的亮點，結合所有可用頻段以擴充通道頻寬，使得WAN端的傳輸速率不會受限於LAN端的通道頻寬。

Wi-Fi 7的多重鏈結技術實際上是把單獨的實體層(PHY Layer)結合共用的MAC層讓Wi-Fi 7能夠結合多個不同頻段的通道，以使得資訊能在這種組合式通道收發資料。所以多重鏈結技術不但能夠在多個有限頻帶的情況下結合所有可用頻段以擴充通道頻寬，還將使得所有可用頻譜得到最高的使用效率。

多重鏈結運行(MLO)能夠以此技術閃避高干擾通道，如圖5所示。Wi-Fi 7有一個前導碼刪除(Preamble Puncturing)以提高頻譜使用率的方式，這種技術可以讓被干擾的頻譜以及部分被占用的頻段被屏蔽，同時仍使連續通道成為可能，而使得通道不受被干擾頻段及被占用頻段的影響而維持連續頻道連接形式，使得使用者收發資訊的通道頻寬不受到影響，因此這種高效的運用頻譜資源能夠增加資料傳送量、提高可靠性、降低延遲。

5G NR/Wi-Fi 7完美搭配

Wi-Fi 7的設備建置、維護成本都比5G NR設備低，對於多使用者環境下，5G NR適合用在局端，而Wi-Fi 7適合當做接收5G NR訊號後轉傳到小範圍區域網的應用，Wi-Fi 7的4096 QAM、寬通道頻寬(320MHz)、多重鏈結MLO等技術都使得5G NR訊號的寬頻多媒體資訊到了區域網端不會受到頻寬及干擾限制，這對於5G NR而言相當重要，這是因為5G NR的應用已經擴展到了即時視訊、AIoT、AR/VR、元宇宙、智慧醫療、無人工廠，Wi-Fi 7的這些技術特點恰好降低了5G NR的寬頻資訊量不會受限制，且延遲更小，更能在區域網端供給16×16 Multiuser-MIMO。

另一方面，由於Wi-Fi 7操作在三頻(2.4G/5G/6G)，對於320MHz的通道頻寬主要實現在6GHz頻帶，對於目前台灣的5G NR通道主要分配在FR1(6GHz以下)，因此5G NR的FR1頻帶搭配Wi-Fi 7操作在6GHz頻帶的320MHz頻寬通道更可以有效避開頻帶內干擾。

(本文作者王冠雄為台灣立訊網通射頻硬體研發副理；陳偉鑫為台灣立訊網通研發總監)