挺進細胞區邊緣無感化MIMO　創新6G無線架構突破極限

6G願景是透過使用地面、空中或衛星無線電接入技術，幾乎可以支持任何部署場景，無論何時何地都可以提供連接的通用技術設計平台的普適系統。以聯發科技設想的系統為例，6G能夠以智慧和靈活的方式，在滿足相應的區域頻譜法規下，利用潛在的頻譜資源(從sub-GHz到sub-THz)為任何給定的通訊需求提供最有效的無線接入。這樣的設想對工程實現，尤其是在無線電接口方面，提出了巨大的挑戰。由於無線電接口(例如Uu和Sidelink)的不同，不同的頻譜所有權、頻譜區域制度和部署方案，進而導致的無線接入碎片化，並非理想方式。相反，聯發科技建議透過無線接入融合來實現統一的無線接入技術。這種融合不僅可以實現規模經濟，還將促使價格合理、可靠性高的替代產品方案的產生，例如點對點鏈路、有線或光纖通訊鏈路，進而促進網路的快速部署。

無線接入融合

在高頻段(~毫米波及以上)建立網路覆蓋和容量將需要更密集的的無線電節點部署，以克服這些頻段帶來的更顯著的遮蔽衰落，這也說明它們不適合非視線傳輸。只有提供覆蓋範圍的無線節點本身在經濟上可行，密集的無線節點部署才具有經濟可行性，即易於安裝、維護和更換，不需要或很少需要建築物部署成本。換句話說，如果無線節點與裝置有高協同作用，而且是易於使用的裝置，那高頻廣泛覆蓋就有可能性。這些無線節點是裝置與網路節點融合的產物，稱之為「混合節點」，如圖1所示。混合節點可以與任何其他混合節點、裝置或基地台通訊。混合節點還可以調整它們的中繼能力，例如，對它們進行配置以權衡延遲和吞吐量的性能。異構網路結構可以包含類比(如放大前傳中繼器)和數位(如譯碼前傳中繼器)的混合節點，並能根據業務需求對透過系統的業務進行智慧路由。混合節點將改變6G時代無線覆蓋、網路規畫和運營的方式，它們將在有效解決高頻段頻譜資源的短距離通訊方面發揮重要的作用。

無線接入融合的核心和混合節點的主要實現因素是統一波形原則，必須從一開始就按照上述原則設計：滿足接入、前傳網路和回程網路的要求(至少在吞吐量、通訊範圍和可靠性方面)；透過融合設計，實現Uu接口網路到裝置端的無線通訊，以及Sidelink裝置端到裝置端直接的無線通訊。

當然，對於上述對統一波形的定義，要考慮到從sub-GHz到sub-THz的不同特性也是極為重要的。雖然將使用不同的參數集Numerology(例如循環字首、子載波間距)的波形進行統一設計具有天然地可擴展性，但根據這些波形的特點，可能需要不同的互補波形來適應從sub-GHz到sub-THz的全頻譜範圍。例如，雖然在4G LTE和5G NR中使用了循環字首–正交頻分復用(CP-OFDM)和離散傅里葉變換–拓展–正交頻分復用(DFT-s-OFDM)兩種OFDM波形，但它們的峰均比較大，對頻率偏移高度敏感，對於次太赫茲，這些問題尤為重要。因此，應該研究其他候選波形，如單載波波形。當然，也有必要研究適當的調變方案作為上述方案的補充，如考慮極端數據速率條件下的解調複雜度，(連續)調變符號之間的快速相位變化等方面。最後，應該規範通用的協定層架構，以進一步消除服務和傳輸之間的依賴關係。

遵循上述原則，無線接入融合技術將使6G從運營初期就能夠擴展到不同的部署和使用場景，同時減少實現這目標所需的工作量。

分布式網路架構

從傳統的網路架構上看，行動通訊系統一直是集中的，用戶裝置作為一個客戶端，位於營運商控制的網路邊緣，而這個網路是由核心網提供服務的。考慮到在專用網路內，或不涉及網路節點直接在裝置端之間提供服務(例如V2X)，使網路靠近消費者節點以最小化延遲或擁塞的風險，基於網路中多個點提供服務的分散式服務成為一種趨勢。這些變化需要靈活的數據消費模型，在該模型中，系統要提供從服務源節點到服務目標節點最佳的數據路徑。這可能涉及使用裝置之間的各種接入技術，包含各種網路節點之間的路徑，具體如圖2所示。

聯發科技的6G網路架構願景源於這個靈活的數據消費模型，它支援靈活拓撲的應用驅動的分布式體系結構。這一模型將允許在運算、儲存、傳輸和能耗方面以最優的資源使用效率處理該應用生成的數據，同時滿足所有相關的QoS和安全需求。

4G架構的定義主要是為了傳輸行動寬頻數據，5G網路架構中增加了實現更好的數據管理的手段，即允許將資源分割為數據類型或所有權的功能(網路切片、私有網路)；以及透過無線接入/核心網融合(邊緣運算)使應用更接近最終用戶。以5G為基礎，6G體系結構將提供本機功能支援，以最好地服務於應用程序。這一願景的核心是：

・人工智慧/機器學習的出現，特別是針對消費者應用(如AR應用的環境檢測、即時語音翻譯)，以及對運算資源的相關需求。

・XR消費應用的預期爆炸式成長和對更接近終端用戶的伺服器本地化的需求(比如時延需求)。

・智慧手機和AR眼鏡等近距離裝置之間對低延遲、高速率數據交換的相關需求。這三個用例概括了6G體系架構原生的關鍵功能：啟用網路邊緣和裝置上的運算資源，包括裝置和網路邊緣之間潛在的運算共享；啟用伺服器功能在多個節點之間的劃分，這些節點可能分散在網路中；啟用裝置到裝置的操作。

靈活的數據使用模型使得6G網路架構具有另外一個突出的特點：靈活的拓撲。自行動通訊問世以來，網路和拓撲的定義發生了顯著的變化。隨著5G的出現，網路類型的多樣化出現了飛躍式的變化(圖3)。

除了營運商控制的公共地面網路外，還引入了非地面網路和私人網路；透過Sidelink技術支援裝置到裝置通訊，並逐步採用Sidelink中繼的形式來支持裝置到裝置的ad-hoc網路；無論是使用行動通訊或非行動通訊無線技術，都可透過另一個網路訪問一個網路如Wi-Fi或藍牙。

這種多樣化的環境為6G提供了一個融合的機會，支援通用系統架構框架下的所有部署模型，包括這些模型之間的無縫互通。

實現靈活拓撲結構的關鍵是支援混合節點和網狀網路。如先前文章中所述，6G混合節點將改變6G時代無線覆蓋和網路規畫的方式，例如，多跳傳輸可以使裝置高效地連接到網路上。至關重要的是，無論有無網路參與協作的情況下，混合節點都將能夠考慮資源使用效率、QoS和安全要求以及任何可變條件，如衰落、負載、混合節點和終端裝置的電池使用情況等參數，進而動態確定和調整最有效的拓撲和與其相關的數據路徑，最終為終端裝置提供特定服務的覆蓋範圍。除此之外，混合節點能夠將子網路拓撲與其所屬的主網路拓撲隔離開來，保證子網路在主網路中的安全運行。

面向真正細胞小區邊緣無感的MIMO演進

MIMO和多天線技術一直是提高4G和5G系統頻譜效率的關鍵技術，波束成形作為一種關鍵的賦能技術，其對應的頻率研究範圍也被擴展到3GHz，甚至24~71GHz頻率範圍。對於6G，聯發科技希望MIMO沿著同樣的道路發展，同時也希望它能成為用於6G無線接入網架構設計的協作、無縫和異構方法的基石。

超大規模MIMO演進到更高載波頻率

次太赫茲頻率將使得天線元件尺寸更小，MIMO和增強波束成形將作為關鍵的技術，解決次太赫茲訊號特性帶來的挑戰。就MIMO陣列而言，140GHz下，給定尺寸的2D MIMO天線陣列的元件數量預計將比28GHz下增加25倍。這樣獲得的更窄的波束也能夠最大化提升頻譜效率和覆蓋範圍，以便最有效的利用較大的潛在頻寬—此時主要限於視線傳輸。此外，還需要特別關注波束管理的設計，以確保發送的波束能夠追蹤接收端的信道狀態，實現最佳鏈路性能。

如果最終能夠解決射頻複雜度問題(在現有毫米波系統克服這些挑戰之後)，則證明未來混合波束成形將更加數位化而非類比化，將會為不同用戶提供更靈活的多路數據傳輸能力，並進一步提高容量和頻譜效率，以及低延遲的增益。

由於要支援更好的波束追蹤，從而需要行動裝置內部有額外的射頻鏈路和MIMO處理，隨之而來的挑戰是要確保行動裝置的功耗是在可接受的範圍之內。

分布式異構MIMO架構

．去細胞小區的設計方法

在分布式MIMO部署中，收發訊號不是僅僅綁定在一個節點/站點上，而是分布在多個站點和節點上，並能夠提高區域內的頻譜效率和用戶體驗度，如下幾點所示。

1.同調聯合傳輸：系統能夠允許不同的無線站點積極貢獻單個用戶的通訊鏈路，這些訊號相互不干擾，進而提高整個區域的可用用戶吞吐量，突破傳統「細胞小區邊緣」的限制。

2.減輕用戶之間干擾：規畫跨無線站點的多用戶操作，以盡量減輕跨站點區域的用戶間的干擾。

基於上述描述，再加上更高頻段波束成形增益的增加和訊號方向性靈敏度的提高，這將推動6G無線接入網架構向MIMO處理/調度功能的集中化方向發展。在裝置透過某個區域或用戶周圍的條件變化時，為了允許來自不同無線節點的不同波束動態地產生訊號，建議採用無縫的「去行動通訊」設計方法。

需要特別強調的是，啟用這種集中式的RAN功能(C-RAN)對無線站點的傳輸網路架構提出了非常嚴格的要求(在同步、延遲和前傳/中傳傳輸頻寬方面)。傳輸網路到無線站點的「最後一哩」的限制是在4G和5G部署中實際採用集中式RAN的主要障礙。然而，隨著6G的出現，在密集的城市和室內分布式網路場景中對更動態環境的需求將推動網路站點的簡化。其中特定的部署場景，由於站點之間的距離較短，因此上述問題幾乎可以忽略不計，這為本地化中心提供了好處。對於郊區和農村的網路部署，這些實際的挑戰還會持續一段時間。在這些場景中，相應的替代方法將更適合提高區域頻譜效率和用戶體驗。

．裝置作為混合節點

在前面的章節中提到了網狀網路和裝置作為混合節點的可能性，進而能夠在降低無線站點密集化成本的同時擴大網路覆蓋。在使用MIMO的背景下，聯發科技希望這種混合節點能夠被所有分布式MIMO網路部署所使用，在一個地理區域內最大限度提升覆蓋和用戶體驗(圖4)。最後列出對6G網路中的MIMO至關重要的一些性能指標，參見表1。

(本文節錄自聯發科技6G願景白皮書)