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小型基站在5G时代会有哪些用途?

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发表于 2017-3-7 16:23:20 | 显示全部楼层 |阅读模式
小型基站的概念并不新,且业界一直对其发展潜力相当看好,但到目前为止,小型基站的表现仍不如预期。不过由于5G讯号特性,势必得靠小型基站来组成异质网络,因此在迈向IMT-2020的目标中,小型基站将是值得持续聚焦的一大重点。


由3GPP发布的5G技术发展使用情境,可区分为提供更高频宽的eMBB,专为大规模物联网应用而发展的mMTC,以及能满足各种即时通讯需求,且可靠度更高的URLLC。由于三种应用场景锁定的情境皆不相同,未来电信商的营运模式与发展的产业生态链,势必也将有所不同。


构筑5G蓝图eMBB/mMTC/URLLC各司其职


资策会智通所主任马进国(图1)表示,目前5G New Radio大部分订的标准,着重在eMBB,URLLC今年将会订得更为完整,而mMTC则会逐步靠NB-IoT、LTE对接过来,因此标准会订得比较慢一些。


马进国进一步表示,eMBB除了在6GHz以下的频谱发展相关技术,也会发展在6GHz以上的频谱。而小型基站(Small Cell)将会是发展eMBB的重要设备,由于目前6GHz以下的频谱,大多是以大型基站发展的传统网络模式为主,而较以6GHz以上频谱的毫米波技术,便须要小型基站来把速度冲得更快。而eMBB主要的应用会是在大流量的行动宽频业务。


除了eMBB,URLLC则将会着重发展在6GHz以下的频段上,主要应用会是无人车,因其反应必须很快,才能有效避免意外事故的发生。此外,另一项重要应用场域则是在智慧工厂,由于大量的机器都内建感测器,从感测器、后端网络、下指令,再传送回机器本身的这些过程,若以现有的网络传输,将出现很明显的延迟,可能引发工安事故。有鉴于此,URLLC将网络延迟的目标压低到1毫秒以下。


而mMTC也将会发展在6GHz以下的频段,其将会应用在大规模物联网上,目前较可见的发展是NB-IoT。


以往普遍的Wi-Fi、Zigbee、蓝牙等,较属于家庭用的小范围技术,回传线路(Backhaul)主要都是靠LTE,最近随着大范围覆盖的NB-IoT、LoRa等技术标准的出炉,可望让物联网的发展更为广泛。


高频5G讯号跑不远小基站角色更吃重


在4G网络环境中,小型基站主要扮演的是补强网络涵盖死角的角色,主要的网络涵盖还是由大型基站负责。但由于5G通讯所使用的频段更高,穿透力与涵盖范围将比4G更差,因此小型基站势必将在5G网络建置中扮演更重要的角色。


台湾资通产业标准协会(TAICS)秘书长暨工研院资通所副所长周胜邻指出,无论是大型基站还是小型基站,一个区域里基站越多,该行动网络的系统容量也就越大。一个大基站涵盖的半径,可以从500公尺∼2公里,但容量却是固定的,因此范围布得越广,单一用户可以分享到的容量就越小,容易造成拥塞。如果能透过小型基站组网,便可把不同用户分散到这些基站去,进而让容量增加。


未来5G小基站的观念,会是在大型基站底下,再布建好几个小型基站(图2)。周胜邻举例,以台北市东区的面积来说,一座大型基站的讯号涵盖范围已经足够,但考虑到当地人潮拥挤、行动网络的流量也高,因此网络容量必须更大,才能满足用户需求。在SOGO等人潮聚集的地区再布建几个小基站,便可有效提高网络容量。


超高密度异质网络   资料来源:TAICS,台湾5G白皮书


周胜邻进一步分析,但如此一来,大小基站必须能彼此协调,否则反而会互相干扰。这对基站规画(Cell Planning)来说,是新的挑战。目前大小基站共存,仍存在讯号干扰的问题。除此之外,小基站彼此如果布得太密,也会有干扰的问题。因此,增加小型基站所能扩增的网络容量,还是有其极限。以目前的技术来看,利用小型基站,最多可把网络容量增加2∼5倍。


以中国移动为例,目前该公司是采用大小基站异频运作的方式来降低干扰问题。因为频率不同的关系,该方式能成功避免大小基站相互干扰。不过,此作法可能难以应用在台湾,因台湾电信商的数量较多,每家厂商的频谱资源都很有限,单一电信业者很难有如此多的频率可以使用。


彻底解决基站干扰UDN还得加把劲


工研院新世代通讯技术与应用推广部经理刘家隆表示,5G UDN的研发目标,便是要在UDN环境下,解决基站间干扰增加的问题,使小型基站布建密度增加十倍时,频宽流量可同时接近时被增长。


UDN提出把破坏性干扰,转成建设性合成波的MIMO技术。从单一小型基站导入整个UDN网络,透过MIMO与跨基站之间的紧密协调,来消除干扰,此过程称为Network MIMO。Network MIMO这种跨基站合作技术,现已被视为是5G的重要技术之一。


Nokia解决方案营销部台港澳业务销售总监郑志中进一步指出,由于目前部分电信营运商是用比较传统的方式在运行小型基站,没有仔细规画,而无法掌握干扰状况。当大量部署小型基站时,所有的基站都必须有自我组织网络(Self Organization Network, SON)的能力,才能有效调整、控制讯号的大小,以大幅避免干扰的状况发生。


郑志中分析,如今干扰状况的产生,有可能是电信营运商没有考量到整体状况,就直接进行部署,以致于无法顺利扩充讯号涵盖量。同频虽然在先天上有不少缺陷,但现已有许多技术可以在后天进行改善。


5G带来多重考验RF元件整合势在必行


然而,无论大小基站,为因应5G高频、高容量特性,RF元件在整合度、系统功耗上的要求,相较4G LTE来得更高,因此元件供应商如何在这些更严格的要求下,保持成本竞争力,将进一步影响到5G商用化的进程。对元件供应商而言,如何进一步提高RF元件的整合度,使其在效能不打折的情况下降低功耗,将是一大挑战。


ADI通讯基础设施业务部中国区战略市场经理解勇表示,美国营运商Verizon和AT&T,计画在2017年把5G毫米波技术,应用在固定无线宽频接入网络上,从而提供家庭使用者高速的网络连接方案。ADI作为主要的射频微波芯片供应商,多年来一致积极致力于微波和5G相关技术产品的研发和演进,提供整体讯号链解决方案。


由于5G基站采用大规模天线阵列(Massive MIMO)技术,每个天线的发射功率并不大。相对于传统大型基站来说,5G基站对系统功耗、尺寸和成本更加敏感,所以对于RF收发器元件,要求其整合度更高,功耗更低以及成本更具竞争力。


解勇进一步表示,小型基站是解决网络容量和室内覆盖难题的重要方式之一,和大型基站一起组成分层网络,已是业界的共识和趋势。目前小型基站在很多国家都有规模部署,在中国大陆的发展也十分火热,应用场景日广,主要产品形态以分散式射频头端(Radio Head)或光纤延远小型基站,以及一体化的小型基站为主。


解勇指出,目前产业面临的主要挑战是,在如何取得更高整合度和更低功耗的目标下,保持成本竞争力。因为新的制程及及新技术的研发持续投入是巨大的,5G的成熟和大规模商用还须要很长一段时间。在元件指标上,由于5G标准还在制定之中,现在还不是很明确,但是由于5G的频段包含微波和毫米波频段,在元件的指标设计难度上会更大。


此外,伴随各国陆续释出6GHz以下频谱,给行动宽频使用,同时在2016年7月份,美国FCC也开放了近11GHz可灵活运用于行动和固定无线宽频服务的高频段频谱,其中包括28GHz、37GHz 、39GHz和一个新的64∼71GHz未授权频段。


对此,解勇表示,ADI在6GHz以下,与6GHz以上频谱的RF元件之发展策略是齐头并进,6GHz以下频段重点开发CMOS制程的基于软体定义无线电(SDR)架构的射频完全整合型收发器(Transceiver )方案,以及射频取样架构资料转换器;6GHz以上频段目前重点开发矽锗制程的高性能微波整合元件。


NCC改采免审验制度小基站部署添动能


此外,近期美国与台湾政府,也各自发布对小型基站发展有利的政策。合勤行动宽频事业中心资深经理廖清波表示,美国FCC释出的CBRS频段,将会是5G小型基站发展的重要频段。目前行动通讯所使用的频谱多半是竞标而来,授权费用相当昂贵,因此整个电信产业基本上是以大型营运商为主体,但CBRS频段采用注册制,任何注册的业者皆可使用,因此将给中小型电信业者较大的发挥空间。而对这些规模较小的电信业者来说,相较于大型基站,小型基站自然是更经济实惠的选择。


除了美国之外,在2016年底,台湾NCC亦放宽了小型基站的设置审验,改采免审验制度。未来在台湾建设小型基站将不必再逐一申请建置许可。廖清波认为,过去NCC把小型基站当成大型基站来管理,申请的过程十分繁琐,管制放宽后,将对台湾的小型基站发展有相当大助益。


周胜邻则表示,此项放宽对电信营运商来讲是好事,因为这意味着,小型基站的布建将会更加容易。


在4G时代,小型基站被视为用户端设备(CPE),在整体布建的基站规画时,仅用来弥补大型基站的不足,且衍生的干扰问题更让业者对其印象大打折扣。在未来的5G时代,产业若能克服这些问题,开创出异质网络的全新商业模式,将是小型基站蓬勃发展的一大利基。

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