5G 5G NR eMBB 3GPP R15 MIMO Beamforming

下世代行動寬頻揭序幕 七大重點技術成就5G eMBB

2019-01-29
國際電信聯盟(International Telecommunication Union, ITU)於2015年首先公布了5G技術標準時間表,提出IMT-2020計畫,預計西元2020年之前完成5G完整規格。

5G三大領域

IMT-2020包含三大領域:增強型行動寬頻通訊(Enhanced Mobile Broadband, eMBB)、超可靠度和低延遲通訊(Ultra-reliable and Low Latency Communications, uRLLC)、大規模機器型通訊(Massive Machine Type Communications, mMTC)(圖1)。

圖1 5G三大領域之技術特色

5G三大領域分別包含了各自的技術特色:

1. eMBB強調快速的傳送速度,但對於低延遲(Low Latency)與巨量物聯的特色則要求不高,它期望能表現出下行傳送峰值(Peak Rate)可高達20Gbps,使用者的傳送均值可達100Mbps以上,頻譜效率(Spectrum Efficiency)是傳統的3倍,並能支援時速500公里(高鐵)的移動通訊。

2. uRLLC強調低延遲的特性,但對於傳送速度與巨量物聯的特色則要求不高,它期望能表現出延遲時間低於1ms的即時通訊,傳統4G的延遲時間大約是10ms以上。

3. mMTC強調巨量物聯的特性,但對於傳送速度與低延遲的特色則要求不高,它期望能做到1平方公里內可支援100萬個設備的物聯。

eMBB七項關鍵技術

2018年6月,3GPP正式公布5G NR(New Radio)的初始版本R15(Release 15),其內容特別強調eMBB及uRLLC的新技術標準,而2019年底或2020年將公布的R16則做修訂及技術新增。

相對於4G,5G-eMBB強調更快速的傳送速度,圖2顯示eMBB的七項技術,其中包含:

圖2 5G eMBB之七項技術

1. 可變頻譜(Scalable OFDM)的運用

2. 彈性時槽(Flexible Slot)的變化

3. 新進編碼(Coding)技術

4. 大規模多重輸入多重輸出(Massive MIMO)運用

5. 毫米波(mmWave)運用

6. 頻譜聚合(Spectrum Aggregation)

7. 核心網路(Core Network)演進

細部內容將於下列分述。

eMBB七項技術之一:可變頻譜運用

5G為了追求更快速且更合理的頻譜運用,將整體頻段分成了三大部分(表1):

表1 不同頻段之電波特性

・低頻頻段(頻率小於3GHz)

此頻段波長約10~50公分,在空氣中訊號較不易衰減,且折射、散射效果大,因此非常有利於涵蓋荒野遠處及室內小角落,但多輸入多輸出(MIMO)及波束成形(Beamforming)效果較差,因此適用頻率分割上下行(Frequency Division Duplexing, FDD)的傳送方式,將上行與下行的頻率分別獨立但同時間收發。4G LTE及3G-UMTS亦多位於此頻段。

・高頻頻段(頻率大於24GHz,24GHz=24,000MHz)

因為30GHz的電波波長為1公分,因此此頻段波長約僅有數毫米(小於1公分),故稱為毫米波,電波類似直線波(亦似光波),看得到天線就收得到訊號,看不到天線就幾乎收不到訊號,在空氣中訊號極易衰減,因此不利涵蓋,但MIMO及波束成形效果佳,因此適用時間分割上下行(TDD)的傳送方式,使用相同頻率,但將上行與下行的時間分開。

・中頻頻段(頻率介於3GHz至6GHz之間)

此頻段波長約5~10公分,波長數公分(釐米)因此亦稱為釐米波(cmWave),電波特性則介於低頻與高頻之間,適用TDD的傳送方式。

由於5G NR於2018年6月正式公布,世界各國5G頻段的使用及拍賣便如火如荼展開,圖3顯示世界各國的5G頻段使用狀況。

圖3 各國5G頻段使用

1. 低頻部分,歐洲與美洲諸多國家有使用此頻段,亞洲國家較少,一般以FDD的方式分為上行(UL)與下行(DL)各自獨立頻寬。

2. 中頻部分,因為涵蓋範圍遠大於高頻的毫米波,所以中頻可作為5G的基本涵蓋,各國均有,其頻率大略位於3.5GHz或5.8GHz,以TDD的方式運作。

3. 高頻部分,5G若要傳輸速度高於10Gbps就必須使用毫米波的特性,因此各國均有,其頻率大略位於28GHz或38GHz,以TDD的方式運作。

台灣的通訊傳播委員會(NCC)計畫於2020年標售台灣的5G頻段,主要分布於中頻3.5GHz(總頻寬270MHz)及高頻28GHz(總頻寬2,500MHz)。

5G承續4G正交頻分多工(Orthogonal Frequency Division Multiplex, OFDM)依低頻到高頻不同頻段特性,將頻譜的使用方式大致分為四種模式(圖4-1):

圖4-1 5G依需求之可變頻段

1. 室外大涵蓋(荒野、高山等),頻率範圍:低頻FDD,OFDM的子載波間距(Subcarrier Spacing)為15kHz,頻道之最大頻寬為50MHz,此部分特性與4G LTE相同,因此可作為4G之延伸,最快下行速度約可到0.3Gbps。

2. 室外一般涵蓋(鄉村、城市等),頻率範圍:中頻TDD,OFDM的子載波間距為30kHz,頻道之最大頻寬為100MHz,由於頻寬較寬,因此最快下行速度大約可到1~3Gbps。這是最常見的設定。

3. 室內一般涵蓋(辦公室、量販店等),頻率範圍:中頻TDD,OFDM的子載波間距為60kHz,頻道之最大頻寬為200MHz,室內訊號較無干擾的問題,因此使用5.8GHz的ISM免費頻段,頻寬更寬,最快下行速度大約可到1~5Gbps。

4. 特殊小涵蓋(熱點、超密集區等),頻率範圍:高頻TDD,屬於毫米波,可運用MIMO及波束成形提升速度,OFDM的子載波間距為120kHz,頻道之最大頻寬為400MHz,頻寬最寬,因此最快下行速度可超過10Gbps。

5G在OFDM訊號下,每個頻寬會有非常多個子載波,為了便於管理會將每12個連續子載波合稱為一個資源塊(Resource Block, RB),此方式與4G LTE相同,基地台給每位使用者的頻率資源是以RB為最小單位,例如使用者A資料量很少,基地台便可能分配1個RB給此使用者。使用者B資料量非常多,基地台便可能分配100個RB給此使用者。

如圖4-2所示,5G的RB數量與子載波間距及總頻寬均有關係,例如子載波間距為30kHz情況下,若總頻寬為50MHz,最大RB數為133。若總頻寬為100MHz,最大RB數則增為273,代表在最大極限下,某使用者可能獲得273個RB配置而達到最快的傳輸速度。如果在尖峰時間基地台有很多人在使用,則此273個RB必須分配給全部的使用者,每位使用者得到RB數減少,使用者的平均傳輸速度就會降低。

圖4-2 5G RB數量

eMBB七項技術之二:多樣時槽變化

5G在頻率領域(Frequency Domain)依電波特性做不同的OFDM子載波變化,相對應到時間領域(Time Domain)的時槽(Slot)配置,亦可依不同需求而有多樣變化。如圖5所示,eMBB的時槽變化有三個特點:

圖5 5G可變時槽

1. 時槽的時間可多樣變化。

2. 同一個時槽內含有下行與上行資料(一般的設定方式),其上行與下行的資料比例可依需要而快速變化。

3. 需要超快反應的uRLLC有對應的迷你時槽(Mini Slot),可隨時插入既有時槽格式,做最快的資料傳送。

5G的1個時框(Frame)為時10ms,內含10個子時框(Subframe)。而時槽與子載波間距之關係如下所述(圖6):

圖6 時槽與子載波間距之關係

1. 子載波間距為15kHz:延續4G LTE的類似方式,每時槽持續1ms,內含14個OFDM訊符(Symbol),每個訊符依不同調變方式而含有不同資料量,例如若gj16QAM調變,每個訊符含有4位元的資料(24=16)。若用256QAM調變,每個訊符含有8位元的資料(28=256),傳送速度大增,不過此時訊號品質必須非常乾淨,空氣中幾乎不能有任何雜訊的存在。

2. 子載波間距為30kHz:每時槽持續0.5ms(=500μs),內含14個OFDM訊符,每個訊符依不同調變方式而含有不同資料量,這是5G最常見的時槽格式。

3. 子載波間距為60kHz:每時槽持續0.25ms(=250μs),內含14個OFDM訊符,每個訊符依不同調變方式而含有不同資料量。

4. 子載波間距為120kHz:每時槽持續0.125ms(=125μs),內含14個OFDM訊符,此種時槽適用於毫米波,由於時間短,可非常快速傳遞資料。

5. 迷你時槽:迷你時槽為獨立的結構,內含2個或4個或7個OFDM訊符,可做突發短暫的傳遞之用,適合uRLLC所使用。

・時槽之種類(圖7):

圖7 時槽種類

種類一:每個時槽內含14個訊符,包含了下行與上行資料,此些資料可為一般訊務或做控制之用。下行與上行傳送之間會有保護間隔(Guard Time),對於室內訊號,傳遞距離近,此保護間隔可以小一點。對於室外訊號,傳遞距離較遠,此保護間隔可以大一點。由於一個時槽的時間內便有上行下行的資料傳遞,整體的反應會加快(相對於4G-FDD)。

種類二:每個時槽內含14個訊符,單純做全部的下行或全部的上行傳輸,適合定向全速傳送,傳送速度更快,可與種類一的時槽相互搭配。而FDD(下行與上行分別為不同頻率)便屬於此類。

種類三:此為特殊迷你時槽,內含2個或4個或7個OFDM訊符,專屬作為資料量不大但需要即時傳遞的uRLLC之用,即時有需要便即時占用訊務通道,可有最快反應,適合行動車或遠端視訊手術等,下行上行總延遲時間可小於1ms。

結合上述的時槽結構,說明時槽配置方式之案例(圖8):

圖8 時槽配置方式之案例

・室內型

採用子載波間距為30kHz之格式,每時槽500μs含14個OFDM訊符,由於室內訊號路徑較短,下行與上行之間只要1個保護間隔。Slot0至Slot2主要做下行傳送及少量上行,Slot3主要做上行傳送。

・室外型

採用子載波間距為30kHz之格式,每時槽500μs含14個OFDM訊符,由於室外訊號路徑較長,下行與上行之間需要3個保護間隔。Slot0與Slot2主要做下行傳送,Slot3主要做上行傳送。

・毫米波

採用子載波間距為120kHz之格式,每時槽125μs含14個OFDM訊符,毫米波一般應用在路徑較短的環境,Slot0至Slot2主要做下行傳送,Slot3的上下行之間有3個保護間隔。Slot6與Slot7主要做上行傳送。由於毫米波的每個OFDM訊符時間極短,因此可以傳送大量的資料。

eMBB七項技術之三:新進編碼技術

行動通訊(2G/3G/4G/5G)於處理資料時加入了編碼技術,可以將空氣中傳送的訊號在接收後,經過解碼技巧(Decode)將錯誤修正為正確。相較於4G,5G需要在很短的時間內傳送更即時、更大量的資料,因此編碼技術的突破是5G得以推出的一大功臣。

圖9顯示通訊系統上重要的編碼技術,從2G的卷積碼、3G/4G的渦輪碼(Turbo Code),5G的編碼技術分為兩大方向:第一種屬於控制的資料,資料量不大,但需要較高的準確度,故採用由中國主推的極性碼(Polar Code);另一種則屬於使用者的真正內容,資料量非常大,採用最新的低密度奇偶檢查碼(Low Density Parity Check Code, LDPC),其特性為高效率、低複雜度、低延遲等,細部內容可參考相關資料。

圖9 編碼技術之比較

在實際的模擬測試下,如圖9所顯示,LDPC整體傳輸效果優於4G的渦輪碼,於高編碼率(High Coding Rate)時效果更好。

eMBB七項技術之四:Massive MIMO運用

數位通訊中有四大基本技巧提升傳送速度:

1. 頻寬越大,傳送速度越快:一般5G室外型頻寬為100MHz,速度會遠快於4G的20MHz頻寬。而毫米波的400MHz頻寬,速度更快。

2. 調變方式的變化:每個時槽中內含14個OFDM訊符,每個訊符若用16QAM調變,每訊符攜帶4位元的資料。在雜訊極少的環境(訊號乾淨),訊符可改為256QAM調變,每個訊符攜帶8位元的資料,傳送速度更快。

3. MIMO的運用:MIMO可同時傳送數個資料通道,增快速度。例如N×N的MIMO架構,傳送速度可為原來的N倍。

4. 波束成形的運用:波束成形可將基地台的發射電波集中到需要的方向(例如在天線的右下方或左上方等),而在TDD的運作下只對需要的手機方向發射訊號,不需要的手機便幾乎收不到訊號,如此運作方式可大幅減少整體訊號的干擾,手機通訊品質提升,傳送速度便會增快。下一段落將細部介紹。

如表2顯示,5G頻率與MIMO/波束成形之實務運用,由於低頻的波長很長,天線體積很大,要做到高值N×N的MIMO或波束成形,天線太大,實務上機率甚低。

表2 MIMO與Beamforming之實務運用

eMBB七項技術之五:毫米波運用

5G的毫米波使用400MHz頻寬及24GHz以上的高頻率,波長在1公分以下,短波長的特性非常適合運用在MIMO及波束成形。

波束成形的原理請見圖10,圖中的每個天線元件利用發射電波的相位差(Phase Shift)可造成整體天線電波的方向轉向,而天線元件之間必須相隔波長的一半,因此外觀同樣大小的天線,波長越短便可以放入越多的天線元件,波束成形的效果越好。

圖10 波束成形原理

圖中的毫米波天線,由於波長夠短(小於1公分),所以在手機上便可以做到8×8或16×16的波束成形。5G的高頻毫米波,由於頻寬很大(最多可到400MHz)而且有高值N×N的MIMO及波束成形等特色,所以最快的下行傳輸峰值可達到10Gbps以上。

毫米波屬於短波長,有利於MIMO及波束成形,但在空氣中訊號衰減快速,電波範圍很小,每個基地台的涵蓋範圍大概只有100公尺(中頻基地台涵蓋範圍約數百公尺)。圖11顯示5G網路規畫中頻與高頻基地台的搭配方式,中頻(或低頻)基地台做網路的基礎涵蓋,基地台之間的距離可達數公里(鄉村地區)或數百公尺(都會地區)。高頻的毫米波基地台則做網路的特殊小涵蓋,可能大城市的每一個路口都須要架設一個小型基地台,因此整體基地台的數量會非常多,大約是4G基地台數量的3~4倍,架設經費及困難度提升,這也是通訊業者的一大挑戰。

圖11 5G基地台搭配方式

eMBB七項技術之六:頻譜聚合

5G網路若強調傳輸速度要越來越快,則不同頻段(中頻、高頻)或不同通訊系統(如4G)之間必須相互結合,將不同的資源一起聚合,速度就可以越來越快。

5G的頻譜聚合可分為四大部分:

1. 不同通訊系統間的聚合:傳統4G LTE一般屬於中低頻的電波,涵蓋範圍較廣,而5G大多為中高頻的電波,強調高速,但涵蓋可能稍小,因此5G與4G的結合可兼顧涵蓋範圍及傳輸速度(圖12)。

圖12 5G/4G的頻譜聚合

2. 不同頻段間的聚合:5G的中頻與高頻可相互結合,提升整體的速度。

3. FDD與TDD的聚合:5G的低頻與高頻可相互結合,提升整體的速度。

4. 授權頻段與非授權頻段的聚合:ISM頻段是國際間給工業、科學、醫學等目的之免照頻段,此頻段一般落在2.4GHz與5.8GHz,5G的授權頻段(從政府標到的頻段)與ISM非授權頻段(免照頻段,5.8GHz)可相互結合,提升整體速度。

eMBB七項技術之七:4G/5G核心網路

5G網路的布建是由4G既有基礎逐漸轉變而成,並非一蹴可幾,所以必定有4G與5G網路共存的現象。

如圖13所示,5G網路可大致分為兩大種類:

圖13 5G SA/NSA網路

1. 非獨立組網(Non-standalone, NSA):5G網路與4G網路並存,NSA手機藉由4G LTE網路獲得控制層與使用者層資料,同時間亦由5G NR網路獲得使用者層資料(資料量很大),而5G的控制資料(資料量不多)則由4G網路一併傳送。

2. 獨立組網(Standalone, SA):5G網路獨立存在,SA手機由5G NR網路獲得全部控制層與使用者層資料,手機完全不接收4G訊號。

由於5G強調資料的快速傳遞,因此有別於4G網路的核心設備僅置於一處,5G利用雲端技術將核心設備分散置於雲端,手機經由5G基地台可快速連至雲端核心,讓上行下行資料的反應速度大幅提升。

如圖14所示,4G網路採單一式核心,核心設備僅置於一處,4G手機的資料經由4G基地台、IP網路,再傳至核心設備(含交換機及App伺服器等)。

圖14 4G/5G核心網路差異

5G網路採分散式核心,核心設備置於雲端多處,核心設備又分為核心雲(Central Cloud)及邊際雲(Edge Cloud),5G手機的訊息經由5G基地台,快速連結至邊際雲做資料的交換及處理,整體反應快速。核心雲除了有邊際雲相同功能,另外連結至4G核心設備,可做5G與4G的相互連通。

展望5G發展

4G LTE的通訊規格,一般以人與人相互連通為主要目的。但5G NR的通訊規格,則大幅擴大了此範圍,將物與物相連或人與物相連均納入應用範疇,因此複雜度更高、不確定性也更高。

3GPP的R15在2018年揭開了5G的序幕,隨著網路架設後的真實問題及缺失,接下來的R16及R17會有更多的調整修正及創新技術的加入。靠著人類先進的智慧研究及集思廣益,將5G的潛能發揮至何種程度?且讓我們拭目以待。

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