借力雙連接/頻譜共用/開放系統　電信業三招搞定5G升級成本

但是這場戰爭必須用錢砸出來，其中包含硬體成本跟頻譜成本，光是頻譜成本就是300億台幣以上的事情。在4G成本尚未回收下，又需再度投入5G硬體成本，這的確會為電信業者帶來營運的衝擊。因此4G/5G間如何使用較低成本的來升級就顯得格外重要。以下就照短、中、長期來探討電信業升級基礎建設能倚靠的關鍵技術。

一個蜂巢式通訊系統(Cellular System)，包含了三個重要的元件來達成通訊功能，核心網路(Core Network, CN)、無線接取網路(Radio Access Network, RAN)與行動終端機(User Equipment, UE)，參考圖1。

雙連接技術

在現今大部分的電信營運模式下，電信業者在硬體上需要負擔著其中兩個重要元件的成本：核心網路與無線接取網路。而無線接取網路就是讀者常聽到的基地台部分，核心網路則是負責交換資料的後端網路。在雙連接技術(E-UTRAN New Radio-Dual Connectivity, ENDC)中，可以讓電信業者先維持住原本的4G核心網路跟4G無線接取網路(基地台)，並且基於該基礎建設下去慢慢新增5G無線接取網路(基地台)。

在雙連接系統中分別有主細胞群(Master Cell Group, MCG)與次細胞群(Secondary Cell Group, SCG)。一般來說，建構初期會維持以4G核心網路運作，並且先不升級成5G核心網路。因此，MCG會是4G無線接取網路、而5G無線接取網路當SCG，參考圖2。基地台有兩大類型資料需交換，控制資料(Control Plane)與一般資料(Data Plane)。控制資料通常是傳遞維護手機訊息或者基地台內部使用訊息，例如手機往基地台註冊時，須向核心網路註冊之訊息。反之為使用者實際使用到的資料，如網頁內容封包，此為一般資料。

對於4G或者5G基地台跟核心網路交換控制資料則是透過S1-C的介面來進行交換，而一般資料則是透過S1-U進行交換。而基地台與基地台之間則是透過X2介面進行資料交換，這之中交換控制封包的介面稱之為X2-C反之稱為X2-U。針對5G基地台的一般資料是否要透過4G基地台進行轉傳，進而又分成兩種類型TYPE3與TYPE3A，參考圖3。

在TYPE3類型中，所有的一般資料會先由4G核心網路透過S1-U送往4G無線接取網路，再由4G無線接取網路透過X2-U介面送往5G無線接取網路。這樣的好處是，5G無線接取網路本身不用支援4G核網介面也就是S1-U，因此對於5G無線接取網路實作困難度相對低。然而，這對於整體的通訊網路卻是一個瓶頸，4G無線接取網路要傳送自己本身的資料已經相當忙碌，還要另外應付5G無線接取網路大量的資料。因此TYPE3A的架構亦被提出，亦即在一般資料部分，由5G無線接取網路直接透過S1-U與4G核心網路進行資料交換。

總結雙連接技術能帶來的好處有以下幾點：(1)電信業者可以先不用把4G核心網路升級成5G核心網路，就可以讓消費者先享受5G通訊系統帶來的高流量與低延遲好處。(2)電信業者可以用4G設備為基底，先小規模布建5G基地台。

之前提到各家廠商為了標5G頻譜投入大量的金額，以中華電信為例光是5G部分的頻譜就花了480多億台幣。因此，頻譜資源的珍貴不難想像。此外，像歐洲的700MHz或美國的600MHz，5G低頻(sub-6G)在頻寬上可使用空間也非常有限，大多被現有服務占據(例如4G通訊系統)，面臨著重新分配的問題。

動態頻譜共用

5G用戶會隨時間逐步增加(不論快或者慢)，而4G用戶會逐漸減少。在這過渡過程中，絕對不可能把4G用戶貿然停止服務。隨之而來的頭痛問題就是，4G頻譜的利用率逐步下降，更清楚的說4G頻譜空在那邊沒人使用，但電信業者又得背負龐大的頻譜成本。愛立信(Ericsson)針對這個問題提出了一個解方，讓5G可以跟4G共用在相同頻譜上，稱之為動態頻譜共用(Dynamic Spectrum Sharing, DSS)技術。近年來支援此功能的手機也愈來愈多，包含聯發科(MTK)、三星(Samsung)、高通(Qualcomm)都投入資源研發。而動態頻譜共用，就是4G頻帶上打著5G訊號，然後5G減少對原本4G的影響的關鍵技術。這技術之所以得以實現，歸功於5G在物理層的設計相當靈活。因此，可以透過巧妙的布局方式大幅度減少4G與5G訊號上的衝突。

以分時多工(Time-Division Duplex, TDD)技術為例。4G在1個子幀(Subframe)為1ms。5G在子載波間距(Subcarrier Spacing, SCS)為30kHz底下1個時槽(Slot)為0.5ms。因此，如果4G與5G系統同步，4G的Subframe與5G的Slot就會產生對應關係，參考圖4，一個Subframe對應上兩個Slots。無線通訊的三大核心資源—時間、空間、頻率交集下會產生碰撞。在相同的空間與頻率下，此時只能錯開時間來避免4G與5G之間的干擾。以圖4為例，如果4G通訊系統使用Subframe 0、1傳送資料，則5G通訊系統只要避開4G的Subframe 0、1，使用Slot 4~19進行資料傳輸，此時4G與5G系統在傳輸的時間上錯開就可避免資料碰撞，進而讓兩方資料可以使用相同頻譜共存。

然而，這只是一個很粗略的概念，要實現此技術還有非常多的細節需要注意到。首先基地台要彼此同步，除了4G Subframe與5G Slot的邊界要同步外，Subframe 0也要同步上Slot 0。因此基地台間要透過1588通訊協定來達到同步效果。此外，基地台在傳送資料時絕對不是只有資料進行傳輸這麼簡單。以下行(Down Link)為例，在一個4G的Subframe或5G的Slot中會被切割成更細的實體下行控制通道(PDCCH)與實體下行共享通道(PDSCH)。而實體下行控制通道裡面會告訴手機要去哪一個實體下行共享通道取出實際資料。此外又會存在著通道估測區塊，例如參考訊號(CRS)，來幫助基地台進行訊號的調變。

一個Subframe就可以分成多個Symbols，灰色區塊為實體下行控制通道、白色區塊為實體下行共享通道且橘色區塊為參考訊號(圖5)。而對於一個4G系統而言，即使系統不傳送資料時，實體下行控制通道與參考訊號也必須傳送。此時，若5G想要在此Subframe傳送資料，就得更進一步避開這兩個訊號區塊才不會干擾4G訊號。

相同的5G系統也有相對應的實體下行控制通道、通道估測區塊。即便在不傳送資料時也無法當作空白頻譜使用。所幸，5G的資源配置相當地靈活，5G可以透過控制資訊(Downlink Control Information, DCI)跨Slot的指定部分Symbol來打一般資料在上面，參考圖6，此時這個一般資料(PDSCH)與DCI就可以透過不同的設定來避開4G通訊系統中的實體下行控制通道、通道估測區塊。

當然在部分的範例下會避不開4G與5G彼此的控制通道與估測通道，此時訊號會碰撞造成物理訊號的SNR降低。但透過5G的靈活配置已經大幅度降低這碰撞的機會。總結來說，透過TDD的特性與5G系統靈活性可以讓4G系統與5G系統高度依存在相同的頻譜上方，此方案可以有效實現當4G頻譜利用率低時，靈活轉讓給5G使用，並且同時不需要關閉4G服務。

開放式無線電接取網路

過往基地台是封閉式的系統，而大廠例如諾基亞(Nokia)、Ericsson兩大基地台廠商占據大部分基地台市場。電信業者要買基地台幾乎是全部綑綁在一起販售。

在壟斷的情況下，原價價格就鮮少有議價空間。因此過往都是大廠在控制整個無線接取網路市場。直到近年開放式無線電接取網路慢慢崛起。參考圖7，原本封閉式的RAN被拆成三個元件：中央單元(Central Unit, CU)、分布單元(Distribution Unit, DU)、天線單元(Radio Unit, RU)。並且在各個元件中加入標準化介面，例如CU與DU之間有F1介面、DU與RU間有eCPRI介面。因此CU、DU、RU之間可以使用不同廠家來組成一個無線接取網路。

在台灣方面工研院已開發出開放式無線電接取網路(O-RAN)產品的雛型，且各大電子廠也紛紛投入O-RAN的開發。在國際上原本的封閉式電信設備大廠也怕在這個開放式市場中被淘汰，而加入O-RAN的研發。這是一條漫長的路，畢竟原本3個元件中間可能使用共享記憶體(Share Memory)而替換成網路介面，因此效能上，目前O-RAN系統沒有傳統的無線接取網路來得佳。但隨著廠商紛紛投入，不斷的改進與研發，O-RAN效能追近傳統的無線接取網路也不是件不可能的事情。另外O-RAN在擴充上帶有更佳的彈性，例如一個CU未來可以擴充連接多個DU，一個DU可以擴充連接多個RU。因此，可以用更多較便宜的設備組合成一個強大的無線接取網路。長期而言，這是營運商所樂見的。因為要擴充服務規模，未來就不需再買整套的無線接取網路，而可以視需求去買部分的DU跟RU進行擴充。

不可諱言，雖然各大廠目前積極投入O-RAN市場中，但是離成熟產品還有一段距離要走。但此技術中長期來講可以降低電信營運商在無線接取網路的成本。 上述三關鍵技術：雙連接技術、動態頻譜共用、開放式無線電接取網路，分別在短中長期扮演著5G升級的關鍵角色。雙連接技術讓現有的4G設備不用馬上拋棄可以延長服務時間。動態頻譜共用讓未來若4G頻譜利用率下降後，5G可以接手替補提高利用率。開放式無線電接取網路，長期下直接降低5G無線接取網路成本，可望用這些技術打通4G往5G升級的障礙。

(本文由台灣資通產業標準協會提供，作者任職工研院資通所技術經理)