在3GPP發(fā)布的5G發(fā)展目標(biāo)中，整體系統(tǒng)容量（Capacity）要比4G提升1，000倍。為達(dá)成這項目標(biāo)，小型基地臺（Small Cell）將是不可或缺的要素。因此，相較于以大型基地臺為主的4G，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將是大小共存的狀態(tài)，如何讓兩者共存于5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，是目前業(yè)界正在努力克服的技術(shù)難題。

臺灣資通產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（TAICS）秘書長暨工研院資通所副所長周勝鄰指出，無論是大型基地臺還是小型基地臺，一個區(qū)域里基地臺越多，該行動網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量也就越大。一個大基站涵蓋的半徑，可以從500公尺～2公里，但容量卻是固定的，因此范圍布得越廣，單一用戶可以分享到的容量就越小，容易造成擁塞。如果能透過小型基地臺組網(wǎng)，便可把不同用戶分散到這些基站去，進(jìn)而讓容量增加。

未來5G小基站的觀念，會是在大型基地臺底下，再布建好幾個小型基地臺。周勝鄰舉例，以臺北市東區(qū)的面積來說，一座大型基地臺的訊號涵蓋范圍已經(jīng)足夠，但考慮到當(dāng)?shù)厝顺睋頂D、行動網(wǎng)絡(luò)的流量也高，因此網(wǎng)絡(luò)容量必須更大，才能滿足用戶需求。在SOGO等人潮聚集的地區(qū)再布建幾個小基地臺，便可有效提高網(wǎng)絡(luò)容量。

但如此一來，大小基地臺必須能彼此協(xié)調(diào)，否則反而會互相干擾。這對基地臺規(guī)畫（Cell Planning）來說，是新的挑戰(zhàn)。目前大小基地臺共存，仍存在訊號干擾的問題。除此之外，小基站彼此如果布得太密，也會有干擾的問題。

因此，增加小型基地臺所能擴(kuò)增的網(wǎng)絡(luò)容量，還是有其極限。以目前的技術(shù)來看，利用小型基地臺，最多可把網(wǎng)絡(luò)容量增加2～5倍。

以中國移動為例，目前該公司是采用大小基地臺異頻運(yùn)作的方式來降低干擾問題。因?yàn)轭l率不同的關(guān)系，該方式能成功避免大小基地臺相互干擾。不過，此作法可能難以應(yīng)用在臺灣，因臺灣電信商的數(shù)量較多，每家廠商的頻譜資源都很有限，單一電信業(yè)者很難有如此多的頻率可以使用。

為什么需要5G小基站

5G通訊世代。5G通訊網(wǎng)絡(luò)將一改過去高度仰賴大型基地臺的布建架構(gòu)，而大量使用小型基站，讓電信營運(yùn)商能以最具成本效益的方式彈性組網(wǎng)，從而提高網(wǎng)絡(luò)密度與覆蓋范圍，達(dá)到比4G技術(shù)更高的傳輸率和網(wǎng)絡(luò)容量。

提升網(wǎng)絡(luò)容量／傳輸率5G轉(zhuǎn)向高密度小基站組網(wǎng)超高解析度視訊串流、云端服務(wù)和休閑娛樂服務(wù)的興起，以及愈來愈多元的無線裝置，包括智能手機(jī)、平板電腦和機(jī)器間相互通訊的可編程環(huán)境，預(yù)估未來20年的資料傳輸量將成長一萬倍。

為滿足這些需求，電信解決方案供應(yīng)商諾基亞網(wǎng)絡(luò)（Nokia Networks）認(rèn)為，5G將是一個可擴(kuò)充又彈性的服務(wù)系統(tǒng)，可在關(guān)鍵性的時機(jī)和地點(diǎn)，提供接近零延遲（Zero Latency）的Gigabit體驗(yàn)。此外，5G因具備更高的峰值資料速度，提升「每個地方」的資料速率，延遲降為十分之一，更能讓使用者享受到比4G至少高出十倍的體驗(yàn)品質(zhì)。

在5G行動通訊時代下，預(yù)估使用案例和相關(guān)應(yīng)用的種類將更為廣泛，包括視訊串流、擴(kuò)增實(shí)境（Augmented Reality）、不同的資料分享方式，以及各式各樣的機(jī)器類型應(yīng)用，如車輛安全、各種感測器和即時控制等。未來，5G在2020年導(dǎo)入、2030年充分運(yùn)作后，還必須能彈性支援我們尚未了解、尚不知道的全新應(yīng)用。除了使用6GHz以下更多傳統(tǒng)的無線接取頻段，5G也將運(yùn)用6G－100GHz之間的大量頻譜，這些頻段擁有不同的頻道特性，因此，使用這些頻譜須采用一種以上新的無線接取技術(shù)。目前雖然有業(yè)者考慮將長程演進(jìn)計畫（LTE）空中介面（Air－Interface）延伸到6GHz以上的頻率，但事實(shí)上，我們可以針對特定的挑戰(zhàn)，設(shè)計更簡單和更有效率的空中介面。

對終端使用者來說，5G應(yīng)該是通暢而無感覺的，且5G應(yīng)是個單一系統(tǒng)，能保證一致的使用者體驗(yàn)；而行動網(wǎng)絡(luò)營運(yùn)商則期望能輕松、直接地部署和維運(yùn)5G網(wǎng)絡(luò)，因此在技術(shù)上，5G系統(tǒng)必須能緊密整合原來的系統(tǒng)，如LTE及其藉由單一無線接取網(wǎng)絡(luò)（Radio Access Network， RAN）解決方案而演進(jìn)的技術(shù)，這種方式不但能簡化從2G到5G的管理工作，也讓營運(yùn)商能循序漸進(jìn)導(dǎo)入5G。

網(wǎng)絡(luò)和部署的彈性、空中介面的新設(shè)計，有助于抑制功耗的成長。無線鏈路兩端裝置的每位元傳輸功耗必須大幅減少，例如，未連接裝置和未滿載運(yùn)作的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功耗。

全方位的彈性設(shè)計，與現(xiàn)有技術(shù)極度緊密整合的途徑，都是供應(yīng)商主要的優(yōu)先考量事項。

全方位彈性設(shè)計提升十倍使用者體驗(yàn)

實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)容量增加一萬倍，以及使用者體驗(yàn)提升十倍（即使在不利的網(wǎng)絡(luò)條件下也能達(dá)到100Mbit／s）的主要途徑如下：

?小基站（Small Cell）大規(guī)模高密度化（Densification）

?更多頻譜

?更高的頻譜效率

全新網(wǎng)絡(luò)思維的高密度化設(shè)計

在3G和4G的網(wǎng)絡(luò)部署，高密度化已是明顯的趨勢，但5G能讓我們從全新網(wǎng)絡(luò)（Clean Slate）的方式設(shè)計一套彈性的系統(tǒng)，并優(yōu)化基地臺之間距離200公尺以下的小基站。目前的LTE網(wǎng)絡(luò)，其小基站設(shè)計是以僵硬、大范圍覆蓋（Wide Area）的大型基地臺（Macro Cell）為設(shè)計基礎(chǔ)，而Clean Slate的全新網(wǎng)絡(luò)途徑，可提高小基站規(guī)模的優(yōu)化和調(diào)適能力。不過，值得注意的是，除了優(yōu)化小基站的超密度網(wǎng)絡(luò)（Ultra Dense Network）環(huán)境外，5G也支援大范圍覆蓋的大型基地臺部署，這一點(diǎn)更加突顯了系統(tǒng)設(shè)計彈性的必要性。

釋放新頻段的需求日益高漲

到目前為止，已指配或討論中可用于行動通訊網(wǎng)絡(luò)的頻段都在6GHz以下，主要原因是低頻有利于大范圍覆蓋的特性。雖然我們需要更多6GHz以下的頻譜，也有能提高已指派頻率利用率的優(yōu)越新技術(shù)，但釋放新頻段的需求也愈來愈高。這些從6G－100GHz的頻段有助于滿足5G時代的高容量和資料速率需求。

6G－100GHz頻段，根據(jù)不同無線電波傳播特性和不同頻率范圍中的載波頻寬，可大致分為兩大部分，厘米波（Centimeter Wave）和毫米波（Millimeter Wave）。

厘米波頻率因比較接近現(xiàn)在使用中的頻率范圍，自然會是首先釋放給無線接取的對象，但我們還須進(jìn)一步研究才能完全了解這些頻段的無線電波傳播特性。在某些方面，厘米波的行為類似傳統(tǒng)的無線通訊頻段（如反射和路徑損耗指數(shù)），但在某些效應(yīng)上是不同的，如總路徑損耗（Overall Path Loss）和繞射（Diffraction），尤其在更高的厘米波頻段更是如此。厘米波可能提供的連續(xù)頻寬大約是100M－500MHz，大于先進(jìn)長程演進(jìn)計畫（LTE－Advanced）設(shè)計使用的頻寬范圍，而針對2GHz優(yōu)化的LTE空中介面設(shè)計，并不適合厘米波頻率。

頻譜的另一端則是從30GHz開始的毫米波。在某些方面，毫米波的無線電波傳播和射頻工程特性不同于6GHz以下的頻譜范圍，如更高程度的繞射、樹葉與建筑物穿透損耗；不過，最近的測量研究顯示，毫米波頻率和6GHz以下的頻率在其他特性上，如反射和路徑損耗指數(shù)也是類似的。

我們必須對這些頻段進(jìn)行更多實(shí)驗(yàn)研究才能了解這些毫米波的實(shí)際效能，研究結(jié)果將讓我們使用更多載波頻寬，如1G－2GHz頻寬，即使在厘米波和毫米波（波長1厘米）之間有一個定義良好的30GHz波段，無線電波傳播的變動會更加平緩，也不會有突然的轉(zhuǎn)換點(diǎn)（Transition Point）在無線電波傳播特性中出現(xiàn)。

更高的頻譜效率

頻譜效率是指資料傳輸期間的頻譜使用效率，也就是系統(tǒng)空中傳播資料時每秒每赫茲（Hz）有多少位元（Bit）。而一般用以專門提升頻譜效率的重要技術(shù)元件是大規(guī)模多重輸入／輸出（MIMO）技術(shù)。

在厘米波和毫米波頻段的5G系統(tǒng)空中介面設(shè)計中，整合大規(guī)模的天線陣列，與目前4G系統(tǒng)所采用的MIMO解決方案有很大的不同。首先，在厘米波和毫米波中有更多具備雜訊限制（Noise－Limited）特性的高頻寬系統(tǒng)，可使用毋須積極減低其他基地臺干擾的簡單方案；第二，3GHz及其以下頻段的4G系統(tǒng)有頻寬和干擾性的限制，因此這些系統(tǒng)在使用MIMO技術(shù)時，一直以提高頻譜效率、克服前述限制為重點(diǎn)。

毫米波的高頻寬系統(tǒng)可能不會有頻寬和干擾性的限制，但可能會有路徑損耗的限制，因此，初期采用MIMO技術(shù)的重點(diǎn)是透過波束成型（Beamforming）提供功率增益（Power Gain）。由于毫米波系統(tǒng)須克服路徑損耗限制，因此4G系統(tǒng)的高效能關(guān)鍵技術(shù)空間多工（Spatial Multiplexing），不會是毫米波發(fā)展初期的重點(diǎn)；不過，因?yàn)轭l寬和干擾性限制的關(guān)系，厘米波系統(tǒng)應(yīng)會在4G系統(tǒng)和毫米波系統(tǒng)之間運(yùn)作，也就是說，厘米波系統(tǒng)可能同時采納4G和毫米波系統(tǒng)所使用的MIMO及波束成型技術(shù)元件。

此外，大規(guī)模MIMO是改善鏈路頻譜效率的優(yōu)秀技術(shù)，而提高無線電資源的利用率則可增加系統(tǒng)頻譜效率。抗干擾（Interference Rejection）技術(shù)是用以提升系統(tǒng)頻譜效率的途徑之一，其方法是舍棄基地臺間干擾協(xié)調(diào)機(jī)制（例如試圖使用LTE中干擾最低的無線電區(qū)段），接納干擾且稍后在接收器里抑制該干擾。抗干擾整合方案已廣為人知并應(yīng)用在LTE中，5G則有機(jī)會設(shè)計一個能優(yōu)化該整合技術(shù)的系統(tǒng)，另一個優(yōu)化頻譜利用率的技術(shù)是動態(tài)分時雙工（TDD）技術(shù)，它能對上鏈和下鏈之間的頻譜做最佳化分配。

短訊框期間／動態(tài)TDD 降低無線電介面延遲

4G／LTE的延遲表現(xiàn)優(yōu)于3G，但仍然不如有線網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)的成效。降低無線電介面延遲的方法之一，就是采用具備短訊框期間（Short Frame Duration）和可調(diào)整訊框結(jié)構(gòu)的動態(tài)TDD，動態(tài)TDD涵蓋網(wǎng)絡(luò)中不同的基地臺，并根據(jù)基地臺的流量負(fù)載，使用不同的上鏈到下鏈TDD分割（Split）。若是預(yù)期在6GHz以上頻段的5G超密度網(wǎng)絡(luò)，動態(tài)TDD會是主要的運(yùn)作模式。而動態(tài)TDD之所以適用于5G小基站，是因它能將全部的頻譜分配指派給任何最需要的鏈路方向（Link Direction），同時，TDD收發(fā)器的建置也比分頻多工（FDD）收發(fā)器更容易更便宜。

在調(diào)整下行（DL）／上行（UL）分配會有部分限制的情況下，LTE－Advanced已經(jīng)導(dǎo)入動態(tài)TDD，不過，TDD LTE－A的實(shí)體訊框結(jié)構(gòu)會限制其空中介面延遲，在一個10毫秒（ms）的無線訊框中可以有高達(dá)兩個上鏈／下鏈交換點(diǎn)，這等于是對空中介面延遲設(shè)定硬限制（Hard Limit），顯然，這將無法達(dá)到5G無線電層的延遲目標(biāo)。LTE－A的演進(jìn)版本受限于其漸進(jìn)式的技術(shù)演進(jìn)，無法大幅降低延遲，例如基于向后相容的問題，無法改變參數(shù)（Numerology）和訊框結(jié)構(gòu)設(shè)計來縮減延遲，因此，我們需要新的5G空中介面以取得所需要的實(shí)體層（Physical Layer）延遲。

一個好的訊框架構(gòu)應(yīng)該不能有任何交換點(diǎn)限制，使任何時槽（Slot）都可以是上鏈或下鏈，而且還提供直接的裝置對裝置鏈路或自我后置回路（Self－Backhauling）功能。圖1說明提供這種彈性的訊框結(jié)構(gòu)。

彈性TDD的時槽結(jié)構(gòu)

一個5G彈性TDD傳送時間間隔（Transmission Time Interval， TTI）的訊框長度應(yīng)該會大幅縮短，約是LTE的十分之一，由于達(dá)到1毫秒的總延遲目標(biāo)，因此能滿足汽車安全、觸控式網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)（Tactile Internet）或即時控制等新使用案例的需求。

空中介面／系統(tǒng)架構(gòu)翻新5G網(wǎng)絡(luò)節(jié)能效率再推升

針對5G所開發(fā)的空中介面和系統(tǒng)解決方案，其使用的裝置不但必須非常節(jié)能，也必須具備數(shù)年免充電的運(yùn)作能力，以支援低成本、大范圍覆蓋的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用。設(shè)計5G無線電系統(tǒng)時必須考量這些需求，而動態(tài)TDD技術(shù)能為5G系統(tǒng)帶來這方面的助益，尤其是它能提升休眠周期的效率，進(jìn)而優(yōu)化5G裝置的電池耗用。

除了提升裝置的節(jié)能效率，5G也將會是第一個針對基礎(chǔ)設(shè)施能源效率而設(shè)計的無線電系統(tǒng)，這在降低環(huán)境影響方面特別重要。另外，5G系統(tǒng)也提供經(jīng)濟(jì)規(guī)模上的效益，毋須大幅減少每位元傳輸（Per Bit Delivered）所需的能源，就能傳送愈來愈龐大的空中流量，而且，在超密度網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，每個基地臺的消耗功率，會比現(xiàn)在大范圍覆蓋的大型基地臺減少許多。

由于超密度網(wǎng)絡(luò)中小基站使用的傳輸功率（Transmit Power）更低，因此每個基地臺的功耗自然低于大范圍覆蓋的基地臺，例如現(xiàn)代超微型基地臺（Pico Cell）僅耗用幾瓦或數(shù)十瓦功率，而大型基地臺則耗用數(shù)百瓦，當(dāng)然，它也能為更廣大的地理區(qū)域、上百到上千倍的用戶提供服務(wù)。

未來超密度網(wǎng)絡(luò)上，5G在任何指定時間所須支援的平均用戶人數(shù)會更少，但未來的用戶將使用多種傳輸需求不同的服務(wù)和應(yīng)用程式，使得網(wǎng)絡(luò)必須靈活適應(yīng)每個基地臺的傳輸條件。小基站或提供6GHz以上頻段的網(wǎng)絡(luò)要達(dá)成這個調(diào)適目標(biāo)，必須具備以下特性，傳輸時間間隔更短且具備低消耗（Low－Overhead）訊框架構(gòu)的動態(tài)TDD技術(shù)、含相位陣列（Phased Array）的大規(guī)模MIMO／波束成型技術(shù)、以及直接的裝置對裝置鏈路。

要提高資源利用的效率和能源效率，必須整合小基站頻率層和大范圍覆蓋層（Wide Area Layer），或在數(shù)個小基站頻率層環(huán)境中，執(zhí)行小基站層之間的整合及與大范圍覆蓋層的整合。試想一個網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，包括一個使用數(shù)10MHz頻寬、頻率在6GHz以下的大范圍覆蓋層，厘米波頻率為100M－200MHz頻寬的微蜂巢容量層，以及毫米波頻率為1G－2GHz頻寬的室內(nèi)容量層，這種網(wǎng)絡(luò)最簡單的設(shè)計方式，是依照可覆蓋范圍和所須使用的服務(wù)，一次連結(jié)一個網(wǎng)絡(luò)層；但在某些情況，如需要超可靠性、始終不變的延遲特性時，單純的一次連結(jié)一個網(wǎng)絡(luò)層已無法滿足需求，此時必須緊密整合各個網(wǎng)絡(luò)層才能提升系統(tǒng)的效能。

底層的大范圍覆蓋層可做為協(xié)調(diào)（Coordination）層，只要將裝置的連結(jié)向下導(dǎo)引，協(xié)調(diào)小基站內(nèi)不同基地臺的排程，就能充分利用資源，此外，大范圍覆蓋層也可做為訊號連結(jié)（Signaling Connection）層，負(fù)責(zé)維持控制層面的連結(jié)，并將使用者層面交遞給小基站。由于這種架構(gòu)的裝置在大區(qū)域里有固定的錨點(diǎn)（Anchor Point），行動事件（Mobility Event）的次數(shù)也大幅減少，因此能提升架構(gòu)的行動性和可靠性。

多層式5G網(wǎng)絡(luò)示意圖

高密度小基站系統(tǒng)設(shè)計將成5G網(wǎng)絡(luò)要件 高密度小基站系統(tǒng)設(shè)計將成5G網(wǎng)絡(luò)要件

5G將會是一個包含不同技術(shù)、超快速、超彈性的通訊網(wǎng)絡(luò)，對終端使用者來說它是無感覺的，但對營運(yùn)商來說是一個容易管理的網(wǎng)絡(luò)。此外，5G必須解決未來大量增加的資料流量，也必須滿足新世代裝置的容量、資料速率和延遲性要求。

為達(dá)到5G的容量和資料速率要求，除了要有新的頻段，也需要大量的高密度小基站，超密度小基站將會是5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵要件，且部署這些小基站的頻率范圍也很廣，其頻段范圍可從2G－100GHz，因此小基站的系統(tǒng)設(shè)計要有彈性。厘米波和毫米波層都支援一套共同的特性如動態(tài)TDD、大規(guī)模MIMO／波束成型技術(shù)、裝置對裝置通訊、低消耗且訊框規(guī)模更小的訊框結(jié)構(gòu)，各網(wǎng)絡(luò)層之間的差異處則顯現(xiàn)在所使用的中頻寬或高頻寬、MIMO／波束成型技術(shù)的實(shí)施體系（Scheme）、以及協(xié)調(diào)和降低干擾的方案。

同時，為支援各式各樣的服務(wù)和需求，系統(tǒng)的設(shè)計也必須是彈性的。例如，為支援車輛對車輛通訊，網(wǎng)絡(luò)必須支援超高可靠性的關(guān)鍵通訊功能，對于低成本的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，如濕度感測器傳回的濕度報告，就只需要低可靠性的通訊；而高資料速率的機(jī)器對機(jī)器應(yīng)用，可由厘米波或毫米波系統(tǒng)支援，但低成本的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用只需要低功率的大范圍覆蓋網(wǎng)絡(luò)。因此研究人員選擇5G的技術(shù)元件時，必須仔細(xì)考量能源效率，以及基礎(chǔ)設(shè)施的成本和終端使用者的設(shè)備。

最后一項挑戰(zhàn)則是將各式各樣支援5G使用案例的解決方案，以及多種網(wǎng)絡(luò)層，藉由統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作控制功能，整合成統(tǒng)一且一致的使用者體驗(yàn)，不同的5G網(wǎng)絡(luò)層，將與其他既有無線技術(shù)及其演進(jìn)技術(shù)，整合成一個系統(tǒng)，所有這些無線存取層將互相緊密合作，確保使用者享有最好的服務(wù)體驗(yàn)。

5G的服務(wù)體驗(yàn)與解決方案