市場需求促成技術升級　5G無線接取瞄準下一波商機

基本上，行動電話、行動寬頻和媒體傳送等應用是人類與資訊間的交流。然而，許多驅動5G需求和性能的應用及案例都是機器與機器間的通訊。為了將它們與 那些以人為中心的無線通訊區別開來，後者這些應用通常被稱為機器類型通訊(MTC)。

雖然MTC包含一系列廣泛的應用，但根據它們的特點和要求，MTC應用可分為巨量型MTC和關鍵型MTC兩大類(圖1)。

圖1　巨量型MTC與關鍵型MTC

巨量型MTC一般來說涉及大量的裝置--通常是感測器和致動器。感測器的成本極低，而且為了維持較長的電池壽命，消耗的能源也極少。顯而易見的是，每個感測器所產生的數據量通常很少，因此極低的時延並非關鍵需求。致動器的成本也不高，它們的能耗程度從極低到中等不等。

行動網路有時被用於透過毛細網路(Capillary Network)建立裝置間的連結。這種情況下，本地連結由Wi-Fi、藍牙(Bluetooth)或802.15.4/6LoWPAN等短程無線接取技術提供。本地區以外的無線連接由行動網路通過閘道節點提供。

關鍵型MTC指的是流量傳輸安全/基礎設施控制、工業用無線連接等應用。這些應用要求無線連結具備極高的可靠性、可用性和極低的時延。另一方面，巨量型MTC所需要的低裝置成本、低能耗的條件，對於關鍵型MTC應用並不那麼重要。雖然設備間傳輸的數據量可能並不大，但瞬時間的高頻寬有助於滿足容量和時延要求。

網路能夠處理越多不同類型的應用越好，其中包括在同一個頻譜中使用同一種無線接取基礎技術處理行動寬頻、媒體傳送以及其他一系列廣泛的MTC應用。這可避免頻譜過於零碎，並能讓營運商在毋須部署一個單獨網路或為這些應用重新分配頻譜的情況下，支援商業潛能尚不明確的新型態MTC服務。

行動通訊行業力爭　5G頻譜大戰開打

為乘載日益增加的流量，並實現支援極高速率所需的傳輸頻寬，5G將拓展行動通訊所使用的頻率範圍，其中包括6GHz以下的新頻譜和更高頻段的頻譜。

更高頻段中的行動通訊用候選頻段還有待國際電信聯盟無線電通信組(ITU-R)或各國監管機構確認。從傳播特性的角度，業界傾向於這個頻率範圍的低於30GHz以下的部分。同時，大量的頻譜以及更高的傳輸頻寬容易出現在1GHz或更有可能在30GHz以上的部分出現。因此，適用於5G無線接取技術的頻段從1GHz之下開始一直到約100GHz(圖2)。

圖2　適用於5G無線接取技術的頻段

必須了解的是，高頻率(尤其是10GHz以上的頻率)只能用做低頻段的補充，主要為密集環境中極高的數據速率提供更多的系統容量和極寬的傳輸頻寬。在5G時代，較低頻段的頻譜配置依然將是行動通訊網路的骨幹，提供無處不在的廣域連結。

世界無線電通訊大會(WRC-15)討論會達成了一項協定，將針對5G的IMT-2020規範納入WRC-19中。大會也就一組將用於5G研究、可直接適用於NX的頻段達成共識。所提議的很多頻段都屬於毫米波(Millimeter Wave, mmWave)區域，其中包括：24.25G～27.5GHz、37G～40.5GHz、42.5G～43.5GHz、45.5G～47GHz、47.2G～50.2GHz、50.4G～52.6GHz、66G～76GHz和81G～86GHz，分配給主要的行動通訊服務；31.8G～33.4GHz、40.5G～42.5GHz和47GHz～47.2GHz，可能需要額外分配給主要的行動通訊服務。

行動通訊行業將力爭6G～20GHz範圍的頻譜，但各大監管機構遵循的政策導向似乎聚焦於30GHz以上的頻段。在美國，美國聯邦通訊委員會(FCC)發布了兩條與24GHz以上頻段有關的公共規則制定通知(Notices of Public Rule Making, NPRM)。英國通訊管理局(Ofcom)同樣也表現出對30GHz以上頻段的偏好。

行動通訊業的容量需求將繼續由授權頻段滿足，但隨著新頻譜開始影響衛星通訊、無線電定位等現有服務，新的頻譜共用方案將變得越來越重要。共用方案的兩個範例包括歐洲為2.3GHz頻段規劃的LSA，以及美國在3.5GHz頻段的公民寬頻無線服務(Citizens Band Radio Service)。

相關技術元件襄助　5G發展如魚得水

除了向更高頻率擴展外，還有幾個與演進至5G無線接取技術有關的其他技術元件，包括接取/回傳整合、裝置對裝置通訊、靈活雙工、彈性的頻譜使用、多天線傳輸、極簡設計以及用戶/控制分離。

接取/回傳整合

無線技術經常被當作回傳解決方案的一部分。這些無線回傳解決方案通常採用專有無線技術，在視距條件下和高頻段中運作，其中包括毫米波頻段。

未來的接取(基地台到裝置)鏈路也將拓展到更高頻率。此外，為了支援高密度低功耗部署，無線回傳還將進一步拓展，像接取鏈路那樣得以涵蓋非視距的狀況。

因此在5G時代，無線接取鏈路和無線回傳應被看作一個整合的無線接取解決方案，能夠使用同一種基礎技術和一個共用頻譜池(Spectrum Pool)運作。如此一 來將提高整體的頻譜使用效率，同時減少營運和管理工作量。

裝置對裝置通訊

特定的裝置對裝置(Device-to-Device, D2D)通訊最近成為了LTE規範延伸的一部分。在5G時代，從一開始就應該把支援D2D視為無線接取方案的一部分。這不只包括裝置間的點對點(P2P)用戶資料通訊，而且還包括將行動裝置作為拓展網路覆蓋的中繼點。

D2D直接通訊可用於分擔流量、拓展性能，並增強無線接取網的整體效率。此外，為了避免對其他鏈路的不可控干擾，D2D直接通訊應被置於網路控制之下。對於授權頻譜的D2D通訊而言，這一點特別重要。

靈活雙工

從行動通訊問世以來，分頻雙工(FDD)一直是主要的雙工方案。在5G時代，FDD仍將是低頻段的主要雙工方案，但是對於極密集環境的高頻段，尤其是10GHz以上的頻段，分時雙工(TDD)將扮演更加重要的角色。

在低功耗節點密集部署的環境中，TDD中的干擾場景(基地台到基地台、裝置到裝置的直接干擾)將類似於同樣在FDD中出現的「正常的」基地台到裝置，和裝置到基地站的干擾。

此外，考慮到極密集環境中的動態流量變化，為不同的傳輸方向動態分配傳輸資源(如時槽)的能力，也有助於更有效率地運用可用頻譜。

因此，為了發揮最大潛能，5G應允許非常有彈性和動態地分配TDD傳輸資源。相對於TDD現有的行動通訊技術，包括分時長程演進計畫(TD-LTE)在內，對上下行鏈路配置有限制，而且通常假設了相鄰的蜂巢和相鄰的營運商配置相同。

彈性的頻譜使用

行動通訊自問世以來，一直依賴於各個地區的每個營運商授權的頻譜。這仍將是5G時代行動通訊的基礎，讓營運商能夠在一個干擾受控制下的環境中，提供高品質的連結服務。儘管如此，向每個營運商授權頻譜的方式將有可能輔以共用頻譜的方式。這種共用可能發生在有限數量的營運商之間，也可能發生在免授權場景中。

NX等新型空中介面可能會非常適合更加傳統的授權執照頻段，主要因為須要為該技術的獨立工作奠定基礎，同時利用LTE等技術實現互連互通。在未來某種情況下，5G頻譜的進一步分配有可能借鑑通訊行業在較低蜂巢頻段中採用的共用方法。

多天線傳輸

由於小型天線有著物理局限，多天線傳輸已在當代行動通訊中發揮了重要作用，並且將在5G時代扮演更加重要的角色。只要發射和接收天線的有效孔徑不變，發射器和接收器之間的路徑損耗就不會隨著頻率改變。但天線孔徑的縮減與頻率的平方成正比，而這種縮減可以透過採用更高的天線方向性加以補償。5G無線技術將採用數百個天線單元，將天線孔徑增加到超出現有蜂巢技術所能實現的水準。

此外，發射端和接收端將利用波束成形(Beamforming)技術追蹤對方，並改善瞬時配置鏈路上的能量傳送。波束成形技術還能將干擾限制在發射端周圍的小部分空間中，並將干擾對接收端的影響限制在罕見的隨機事件上，從而改善無線環境。對於低頻段而言，波束成形將是一項重要技術，例如用於增加覆蓋範圍，或在部署稀疏的環境中提供更高的傳輸速率。

極簡設計

極簡(Ultra-lean)無線接取設計對於實現5G網路的高效至關重要。極簡設計的基本原則可以表示為：儘量減少任何與傳送使用者數據無直接關係的傳輸。這些傳輸包括訊號同步、網路接入、通道估算以及各類系統和控制資訊的廣播。

極簡設計對於那些擁有大量網路節點和流量變化極大的密集部署特別重要。能使網路在沒有使用者數據傳輸時，讓節點快速進入低能耗狀態，在提升網路效能方面將發揮重要作用。極簡設計還能減少來自非用戶數據相關傳輸的干擾，達到更高的傳輸速度。

用戶層與控制層分離

5G的另一個重要設計原則是分離使用者資料和系統控制功能。後者包括提供系統資訊，亦即裝置接取系統所需的資訊和步驟。

這種分離將實現使用者層擴展和基本系統控制功能的分離。例如，使用者資料可以由一個密集的節點層傳送，而系統資訊只由一個巨集疊加層(Overlaid Macro Layer)提供，裝置最初則在這一層接取系統。

使用者資料和系統控制功能的分離，應該還可能延伸到多個頻段和無線接取技術。例如，基於新的高頻無線接取的某個密集層的系統控制功能，可由一個LTE疊加層提供。

用戶/控制分離也是未來那些重度依賴波束成形來傳送使用者資料之無線接取系統的重要組成部分。極簡設計結合用戶層數據傳送和基本系統控制功能的邏輯分離，將能更好地優化裝置導向型網路中活躍的無線鏈路。由於只有與系統控制層相關的極簡訊號需要是靜態的，因此得以設計出一切幾乎能即時動態優化的系統。

極簡設計下使用者資料傳送和系統控制功能的分離，還能提升無線接取技術演進的彈性，藉助這種分離，用戶層能夠在保持系統控制功能的同時不斷演進。