5G加速起飛，不同於前幾代行動通訊技術，根本性帶來劃時代轉變。未來5G技術將透過多種新興產品技術，如主動式天線和機器學習，以彈性靈活的方式提供網路服務。營運商將能夠受益於5G，為特定場域選擇適合的網路模式。
隨著5G基礎設施建設不斷擴展，行動網路營運商正在調整現有的基礎設施，增加相關配置，進而支援更高的輸送量、設備密度以及更低的延遲，賦能5G先進應用場景。
營運商在蜂巢式網路從2G過渡到3G再到4G時也有過類似嘗試，但這次有所不同。5G並非在前一代網路的基礎上進行累積累加，而是一種劇烈轉變，每個層面皆產生根本性的改變。為運行5G做準備代表使用多種新產品和新技術，從最近開放的新頻譜和複雜的主動式天線架構(Active Antenna Architecture)，到虛擬化和機器學習(ML)演算法皆包含在內。與此同時，基礎設施的投資目標也產生轉變。30年來，投資一直側重於網路覆蓋範圍，力求實現每平方公里的最低成本，而5G從一開始就側重於容量，力求實現每Gigabit傳輸的最低成本。
隨著5G不斷普及，營運商目前關注的重點為取得5G覆蓋和容量之間的平衡。以前主要由發射功率高的大型蜂巢式基地台所構成的網路，現在變成各種技術的複雜組合，以便把網路容量送到最需要的地方。蜂巢式網路服務更加靈活的特性抵消了部署這類異質網路的複雜性，使其更容易根據不同需求做出變化，支援新應用場景，同時控制成本。為了理解這些投資決策的經濟意義，可以先回顧一下5G的不同之處以及部署時面臨的挑戰。
5G三大不同之處
5G無線存取網路(RAN)與前幾代有三點不同：所使用的無線頻譜、用於發射和接收訊號的天線結構、更依賴軟體的運行管理優化模式。 新頻譜
如圖1所示，5G擴展現有頻譜，囊括2.7GHz~6GHz之間的頻段，並啟用稱為毫米波的全新頻段(25GHz以上)，該頻段以前用於其他服務，例如醫療成像、微波遙感和無線電天文學。新頻譜將支援5G中超高頻寬和超低延遲應用場景。
圖１ 5G拓展新頻譜
過去，蜂巢式網路使用被動式天線，5G則使用主動式天線，整合度更高，也更加複雜。主動式天線需要使用複雜的硬體和軟體組合，同時利用大規模天線陣列(mMIMO)技術。該技術須整合使用數十至數百根天線來擴展同一頻寬的容量，是一項涉及大量運算的複雜任務。
5G廣泛使用虛擬化技術，更多任務需要在雲端完成，並且經常使用機器學習演算法來優化網路管理、核心網路調度、流量監測和負載平衡。典型5G基地台包含數百萬行程式碼，利用軟體來添加新功能。高度依賴軟體將改變網路的部署和運行方式，也將改變安全模型。
5G分層互補不足 多樣基地台實現無縫覆蓋
根據所需網路容量和覆蓋範圍，5G可選用不同層級的部署設施。4G網路主要由高功率大型蜂巢式基地台組成，並以小型蜂巢式基地台作為補充；5G網路則由高功率大型蜂巢式基地台、mMIMO蜂巢式基地台和小型蜂巢式基地台構成，並由毫米波填補間隙(圖2)。
圖2 5G分層提供網路覆蓋
傳統的大功率蜂巢式大型基地台覆蓋範圍約25公里，主要用於郊區和農村地區。蜂巢式大型基地台是大型高功率基地台，安裝在訊號塔、單極天線和屋頂上，通常使用被動式天線系統和簡單的多輸入多輸出(MIMO)配置來進行訊號傳輸，一般使用2根天線(2T2R)到8根天線(8T8R)，頻段則在6GHz以下。
mMIMO基地台的覆蓋範圍約1公里，可為設備密度高的城市地區提供網路容量。此類基地台使用主動式天線系統，合併每根天線的傳輸，進行波束成形(Beamforming)，將RF訊號準確地引導到正確的發射方向上。典型配置為32根天線(32T32R)或64根天線(64T64R)，使用6GHz以下的頻段。
毫米波蜂巢式基地台的覆蓋範圍約100公尺，利用24GHz以上的新頻段在設備密度高的城市環境中提供網路，同時支援房屋裝設並取得固定無線存取(FWA)服務。
毫米波頻譜具有極高的頻寬，可支援mMIMO(例如256T256R)使用數百根天線。但由於毫米波訊號的波長短，傳輸距離也相對較短，因此僅適用於密集的城市區域。毫米波也能夠作為小型蜂巢式基地台和WiFi6/6E熱點的回程。
小型蜂巢式基地台是背包大小的低功率基地台，在網路需求量大的地區提供特定網路容量，補充前述大型RAN網路的不足之處。小型蜂巢式基地台緊湊輕便，可以安裝在任何位置，以避免在擁擠區域喪失5G訊號，例如市中心或體育場館。與大型RAN解決方案相比，小型基地台價格低、外形小巧，可以更快地完成安裝程序，具有較高的部署靈活性。運行小型蜂巢式基地台需要滿足三點：獲得許可的裝設空間、電源，以及用於傳輸至核心網路的回程連接。部分小型蜂巢式基地台使用微波頻段來進行回程通訊，其他則使用光纖電纜進行通訊。
美國聯邦傳播委員會(FCC)表示，鑒於目前越來越多的營運商開始使用新開放、未註冊的5G頻譜，預計小型蜂巢式基地台很快將占新基地台部署的80%。追蹤美國無線通訊產業情況的CTIA貿易組織也支持FCC的推測，該組織預測，在5G運行需求的驅動下，小型蜂巢式基地台將從2018約86,000個，到2026年增加至超過800,000個。
彈性網路找出最佳部署組合
5G可允許營運商調整網路營運模式以滿足特定需求，同時保持較低的成本，分層方法正是利用上述特點才得以實現。舉例來說，一家營運商可能會選擇在郊區和農村地區使用4T4R或8T8R大型蜂巢式基地台提供網路服務；在中等密集城市區域使用32T32R mMIMO蜂巢式基地台；在高度密集城市區域使用64T64R mMIMO蜂巢式基地台。高成本的毫米波則可用於設備密度最高的一些區域，例如人群眾多的商業區、國際海運港口，或者舉辦大型賽事和文化活動的娛樂場館。
不過，目前5G超級週期(Super-cycle)尚且處於起始階段，現有5G網路主要利用舊有4G網路，也就是透過所謂的非獨立組網(NSA)設置。5G現階段基本上與4G共生，當5G連接不可用時，用戶可以重新回到LTE連接。在5G大規模普及之前，mMIMO可用於提升LTE速度，改善延遲，但mMIMO真正的優勢及其對網路密度產生的正面作用，只有在基礎設施過渡到獨立組網(SA)後才會開始體現。
邊緣運算必不可少
無論是在Wi-Fi還是蜂巢式網路應用場景，邊緣運算都是一項重要功能，因為更靠近終端使用者的本機伺服器而可以執行先進任務，以減少與雲端之間的傳輸流量。以體育場館為例，來自現場攝影機的即時重播可以帶給觀眾更好的觀賽體驗，而在座位上預定餐飲和支付費用，則可以縮短排隊和等待時間。在Wi-Fi 6/6E或5G小型蜂巢式基地台連接的支援下，使用在地處理能力來實現這類服務可以縮短延遲，並減輕營運商大型5G網路的負載負擔，同時透過縮短延遲和提高頻寬來提升使用者體驗。邊緣運算可以配置於終端使用者裝置(例如手機配備機器學習能力)、無線網路邊緣(在Wi-Fi基地台或5G小型蜂巢式基地台附近進行運算)，或者配置在現場(如前述範例中，體育場館的在地運算中心)，完全優化的部署應用場景可滿足營運商的期望。
廠商積極投資5G未來
5G具備十足潛力，為了及早實現諸多充滿前景的5G功能，各大廠商也積極開發各項技術及工具。例如，恩智浦(NXP)不斷擴展5G技術工具箱，為各類5G部署開發解決方案，從高功率電晶體、氮化鎵多晶片模組和SiGe波束成形IC，到高能效Arm處理器和可客製的DSP驅動基頻元件，使5G基礎設施更高效、更有效且更可靠。多樣化的產品技術證明，實現5G的方式並非一成不變。
(本文作者為恩智浦無線功率事業部行銷主管)