極致省電設計/非地面網路融合　6G架構革新指日可待

在前幾代行動通訊晶片中，半導體技術的發展極大地提高了性能，並顯著降低功耗。在過去，半導體能耗利用率的提高支撐了終端和基地台複雜性的增加。儘管能耗效率預期將持續提升，但未來預期提升的速度將不太可能滿足6G用例的需求。為了提供極致的用戶體驗，6G用例需要支援10~100倍數據速率提升、更低的延遲、更高的多輸入多輸出系統(MIMO)階數，並需要工作在能耗利用率較低的sub-THz頻段上。

在NR R15版本之後，這種能耗改進放緩的趨勢就已經顯現。顯然，如果不在3GPP協定中做進一步的推動，終端功耗的目標就無法達成，因此看到3GPP在隨後的版本中也進行了一些補救的工作。

極致能效的終端

手持設備從根本上受制於電池容量和散熱能力。為了保證終端表面的溫度處於安全水準，典型無風扇6英寸智慧手機的平均功耗需要限制在3~5W以下。雖然電池能量密度可能會在未來10年內得以提升，但在同一時期內，熱功率限制不太可能顯著放寬。並且普遍認為，6G時代會有更多的緊湊型設備和模組的需求。它們可以被用於諸如先進遠端呈現、全像式通訊、感知網路等這樣的應用中。這些新的設備形態可能會對終端設定更嚴格的限制。不僅因為它們的外形尺寸，如眼鏡這類體積和電池容量受限的設備。還因為它們是穿戴型設備，而不是手持或攜帶型的設備，由於長期與皮膚接觸，這類設備有更嚴格的散熱要求。本文列出了3項值得典型終端節電方案的研究方向。

・基於終端節能的系統標準

從最開始制定標準時就將終端的節能設為所有協定層的基本關鍵績效指標(KPI)，該KPI適用於所有相關的設備優化程式。

・Big-Little Modem架構

6G規範必須支援大小雙核心數據機(Big - Little Modem)的設計思路，允許終端在低活躍態下使用低複雜度且節能的子系統(圖1)。

・零功耗的空閒模式(超低功耗喚醒與能量收集)

集能量收集和性能優化於一體的超低功率終端類型，可以在低活躍態運行時不需要任何電池電源。

終端的峰值功耗和成本通常由接收端下行部分主導，與接收端下行的峰值資料速率近似成正比。在其他條件相同的情況下，終端峰值資料速率增加10~100倍會導致峰值功耗也增加大約10~100倍，進而產生無法接受的功耗水準。為了將終端的平均功耗保持在可接受的範圍內，終端必須顯著的控制非啟動時段以及低速率工作時段的功耗。這些時段的功耗必須大幅度低於峰值速率時的水準。為實現這一目標，必須確保終端的日常通訊行為(控制通道監控、波束管理、鄰區測量、空閒態尋呼監聽等行為)不觸發不必要的喚醒動作，進而讓終端盡可能長時間的保留在休眠狀態。

網路節電

5G網路的能源足跡(Energy Footprint)問題已經引起了人們的關注。這不僅因其對環境的影響，也因為它衝擊了網路營運商的營運成本。在無線層面，基地台的複雜度和基地台的部署密度會進一步增加，所以除非採取有針對性的措施，否則網路的能源消耗會大幅增加。除此之外，分散式雲端化也可能會導致功耗的進一步增加。

在功耗這個問題上，妥協的餘地是有限的，在某些情況下，本文認為可能需要犧牲最終的網路性能或靈活性來平衡功耗問題。以下列出了一些網路能耗的潛在研究方向。

・基於網路節能的系統標準

從最開始制定標準時就將網路的節能設為所有協定層的基本KPI。

・基於混合節點的混合組網

基於網路和設備的中繼錨點(Relay Anchors)組合可以在顯著降低能耗的情況下，實現宏大的6G性能目標。

・將終端已有的節能技術延伸至網路

網路在非啟動態或低活躍態下，有機會進一步大幅降低設備功耗。基地台側可以考慮一定程度借鑒終端側的節能技術，優化這部分的功耗。

・動態網路節點開關和終端輔助型的網路喚醒

在最小化對連接終端的影響下，網路需要盡可能關閉不必要的網路節點或將其停留在低性能狀態。然而，這很難在不影響網路運行的情況下輕易實現。網路和終端之間更好的相互感知可為這種聯合優化行為提供更好的標準(圖2)。

極致性能的能耗效率

終端節能和網路運營節能的問題，不能像以前幾代行動通訊網那樣，事後才開始規範和優化，應該從一開始，所有技術領域，例如射頻電路設計、數位技術、波形設計、高級MIMO、實體層過程等都需要進行深入的能耗研究，將功耗作為基本的關鍵績效指標。這可能需要改變傳統上以性能為導向的研究文化和標準化過程，一些現有的系統權衡需要仔細考慮，如終端與網路功耗、功耗與性能、功耗與延遲等，其中表1總結了終端和網路功耗相關的一些具體挑戰。

地面與非地面融合

對非地面網路(NTN)的支援是一項極具發展前景的技術，其可以補充現有的地面網路(TN)部署，並以類似增強型行動寬頻通訊(eMBB)的資料速率填補現有的網路覆蓋缺口，相較於傳統行動通訊網路，在人口稀疏地區部署NTN系統能以更低的成本實現廣覆蓋。然而，一個必要條件是NTN的接入不會給終端使用者帶來額外的負擔，這也意謂著重用現有的如智慧手機等主流大眾市場設備，以及現有的手機用戶是一個關鍵的要求(表2)。

TN/NTN渾然天成

5G NR技術自3GPP Rel-15開始進行規範，隨後在Rel-17期間擴展到支持NTN。6G自始便為聯合定義NTN/TN提供了機會，其透過定義高度整合的網路架構和空中介面(Air Interface)技術，從而不受限於早期標準版本的與舊版相容問題(圖3)。為了從小眾服務發展到大眾市場，終端使用者需要達成以下三項目標：

・為所有相關應用提供真正無處不在的服務體驗：寬頻、物聯網、可持續環境感知系統，其中NTN填補了現有的TN覆蓋缺口。 ・為源自同一訂閱的終端使用者和應用提供無縫TN/NTN移動性，類似於現有的國際漫遊協定。

・價格合理的NTN訂閱，具有可接受的寬頻性能和/或地面覆蓋範圍以外的室內滲透率。透過已建立的零售管道提供價格合理的TN/NTN設備。

TN/NTN頻譜複用

從歷史上看，衛星和地面頻段是以獨占方式分配，可完全獨立使用，這不是最佳的頻譜利用方式。對於支援NTN的手持設備而言，最理想的頻段是位於1.5~2.5GHz範圍(L/S頻帶)的分頻雙工(FDD)頻段，而目前該頻段內只有少量頻譜資源可用於衛星應用。對於地面營運商來說，在目前覆蓋範圍之外的偏遠地區，透過提供基於NTN的eMBB行動通訊服務來擴大其行動通訊覆蓋範圍是一個巨大的機會。這可以基於他們自己的授權頻段資源來實現，而這些頻段資源目前尚未在人口稀少的地區使用。目前，可用的NTN頻段顯然不足以為手持設備提供可接受的寬頻體驗，而這些未使用的行動通訊地面頻段資源有助於在偏遠地區提供eMBB服務。

這種特定的籌畫還對實現設備規模化經濟帶來了額外的積極影響。複用TN頻段，也使得NTN可以充分複用特定於TN的射頻前端組件，如濾波器、雙工器、寬頻放大器、天線，進而完全避免了設備支援NTN所需的額外成本、體積和複雜性(圖4)。

單一且價格合理的TN/NTN設備

與地面行動通訊設備相比，現有的手持衛星通訊終端通常體積龐大、缺乏吸引力且成本高昂。如前一章節所述，公共TN/NTN空中介面和TN頻段複用的組合實際上可以抑制任何類型(射頻前端、射頻收發器、基頻、波形因素等)、任何設備的複雜性增量。

TN/NTN的技術整合可以與同時提供TN和NTN覆蓋的單一行動通訊訂閱相結合，進而基於現有龐大、動態且高度創新的智慧手機生態系統，將NTN轉變為一種大眾市場的主流功能。重要的是，6G TN/NTN設備能力可以作為一種新型功能，成為可被所有用戶廣泛應用的標配性功能，而其要求的外形尺寸和成本結構與引入此功能之前可保持一致。因此具備6G TN/NTN能力的設備可以通過既有的OEM製造和零售管道進行交付。此外，NTN技術與6G設備網狀(Mesh)網路/中繼能力的結合可用於在偏遠地區提供更深的室內覆蓋。

(本文節錄自聯發科技6G願景白皮書)