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5G的最终完成式何时会来?
从NSA到SA的挑战与考量

【作者: 籃貫銘】2020年09月16日 星期三

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台湾5G终於开台了,虽然说对多数的人来说仍是无感,但这电信服务史上至关重要的一个篇章,仍旧是翻开了它备受注目的第一页。然而,对多数的地区来说,包含台湾也是,我们其实仍未读到它真正的内容,什麽时候才能进入主轴,就是现在5G发展的重点了。


对5G有一定程度了解的人都知道,现在的5G布建多是属於NSA的规格,台湾也相同,也就是非独立式(Non-Standalone)的设置。目的是为了加速5G的普及,因此先行使用与4G LTE网路共存的方式,以提高5G无线网路的覆盖率。


先采用NSA架构当然是成本考量,因为它无需另建基地台,但需使用5G的天线和频段。简单的说,就是用现有的4G LTE基地台来提供5G的讯号,是一种折衷的过渡方法,尤其是5G的牌照费高达数百亿,任何一家电信商都必须想尽办法快速商转。


NSA易布建 但真5G应用还是要看SA

NSA架构的好处就是容易布建,从成本与时间的角度来看,它只需要在4G基地台上加装5G NR的模组,就能够向消费者提供「增强型行动宽频通讯(Enhanced Mobile Broadband;eMBB)」的服务,这是5G实现高速数据传输的重要技术。



图一 : 5G网路NSA与SA模式示意。(Source:GSMA)
图一 : 5G网路NSA与SA模式示意。(Source:GSMA)

但这个架构的限制是须要使用4G LTE的核心网路,也就是「演进式数据封包核心(Evolved Packet Core;EPC)」技术。然而这个技术对於5G网路另外两个特色应用「大连结」与「低延迟」,却是有点使不上力,主要的原因就是5G的网路服务倾向所谓的「切片式」,要能分段提供给不同的应用且更贴近终端使用者,但EPC在先天的设计上就不是这麽一回事。


所以理所当然的,要完美的达成5G时代所描绘的所有应用场景,走向独立式(SA)架构,後端采行5G的核心网路(5GC),我们才能真正见识到5G的好处与优势。


那是什麽时候?又要怎麽升级?


在一些新兴国家,如果现在要建设行动通讯网路,那直接选择5G SA架构是最好的方式,但那样的案例实在很少,多数的国家和区域都是面临着从NSA转换为SA的情况。


SA转换不困难 虚拟化技术是关键

但事实上,NSA要转换至SA其实也没这麽困难,它最主要的改动环节,就是在核心网路的部分,但由於5G使用了更高频率的波段,而且又追求频宽、低延迟、广连结的目标,因此天线端也要有所因应。


首先在天线端,5G的讯号设计采用了更高频段的频谱,包含所谓的sub-6 GHz(410 MHz至7125 MHz),以及30 GHz至100 GHz之间的频段,其中24250 MHz至52600 MHz的频率又被称作毫米波 (mmWave)。


但使用高频讯号有一个重大特色,就是能够带来更大的传输量,但同时期穿透力也越差。这意味着5G必须要有新的天线设计,以弥补其容量和覆盖范围的问题。而这个答案就是「Massive MIMO」它是5G网路的关键技术解决方案。



图二 : 5G网路的天线应用设计示意。(Source:Mitsubishi)
图二 : 5G网路的天线应用设计示意。(Source:Mitsubishi)

而要部属Massive MIMO要从三个方面来考虑,包括性能、安装和成本(Total Cost of Ownership;TCO)指标。在初始阶段,会从覆盖范围和容量最大化的角度来看,所以多会建议从4G的站点进行部署,以确保覆盖连续性,并减少基础建设的规划和优化成本。


不过当4G与5G的天线要同时并存时,其实也牵涉到原本基地台的工程设计,因为功率越强大的AAU(主动天线单元Active Antenna Unit),重量也越重,并安装在上是有一定的限制在,例如韩国就要求AAU的重量不超过25公斤,因此在部署上就会选择32T/16T的5G网路设备。


但对於束波成形(Beamforming)这类讲求精准传输的无线技术应用来说,例如运输和工业等,使用64T和32T的架构,就会比16T的系统好上许多。而後其端相应对的机站电脑和回程(Backhaul)建设的能力,也同样需要有所调整。


而NSA与SA主要的差异当然是在核心网路的部分,但5G的核心网路在定义上,就已朝向「全虚拟化」和「云原生」的方式设计,这意思是说「软体定义」的形式会是5G核心网路的主要成分。再加上3GPP还提供了标准化的CUPS技术(Control and User Plane Separation),让4G核心网路的控制和用户面可以分离,又让升级和迁移容易了许多。


5G商业模式是根本 影响布局与时程

所以对运营商来说,要从NSA升级到SA最困难的任务是在软体系统的设计与部署,他们要考量的是预计要提供的服务的内容与性能规,这里头就涉及了企业的核心运营模式和整体服务成本的规划,可以说是非常的复杂,因为这是一家电信商的经营命脉。


GSMA就曾做过调查指出,领先的电信商都一致认为,4G网路的虚拟化是存在许多挑战和风险,绝非轻易的事。像是确保IT平台上的运营商级服务层级保证机制(Service Level Agreement;SLA)就是一项巨大的挑战。再者虚拟化技术能否满足电信级的规范等。


目前4G核心网路EPC转换为支援5G网路,大致有两种典型的方案情境,也就是直接在基地台上加上NR讯号的类型(情境A),另一种则是除了加上NR的天线之外,还会把後端的实体EPC进行虚拟化(情境B)。


情境A是最快速的方式,它是直接使用升级为支援NSA的实体EPC,它的性能与容量都取决实体的EPC,但缺点就是不利於後续的独立网SA的建设;情境B则是要建立新的虚拟化EPC网路,使其支援NSA的系统,它在设计的初期也许较为缓慢,但一旦建置完成,後续要升级至5G独立式的SA时,就会相当顺畅且简易。



图三 : NSA的EPC升级策略。(Source:GSMA)
图三 : NSA的EPC升级策略。(Source:GSMA)

结语

从5G的功能与核心网路的规划来看,可以知道5G时代最大的挑战是创新服务的构思,也就是电信商究竟要如何发展其商业模式,以进一步扩大他们的服务领域,同时相关的数位内容与应用提供商,又该如何透过5G的eMBB、mMTC和uRLLC技术,来创造更具价值的服务,而这一切都会影响电信商从NSA前进至SA的时程与规模策略。


因为如果只是要下载速度更快,看片打游戏不延迟的话,那实在不需要,也没有升级至SA的商业价值。但如果我们想要更快的发展先进的行动网路服务,例如智慧城市、车联网和AIoT等,则5G的SA架构就有被实施的迫切性,而这才是5G网路存在的真正目的。


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