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3GPP R12聚焦新應用 5G衝刺傳輸力
硬底子的技術表現

【作者: 陸向陽】   2015年03月19日 星期四

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ITU定義,凡一個基地台在固定通訊下達1Gbps下行速率,移動通訊時達100Mbps,以及其他相關要件的,即可稱4G,包含3GPP R8、WiMAX Rel 2(Rel=Release)均達此標準,但由於WiMAX陣營轉弱,4G幾乎已與3GPP陣營的LTE標準劃上等號。


3GPP R8標準早於2008年底頒佈,R8即為LTE(Longterm Evolution),LTE定義了5種裝置端速率(Category 1~5,Cat. 1~5),其中Category 4即可達下行150.8Mbps速率,如此即可稱4G,之後的3GPP R10標準則定義Cat. 6~8,3GPP R11則增訂了Cat. 9~10。


而3GPP R10標準於2011年頒佈,即稱為LTE-A(Advanced),2015年3月將完成訂立的3GPP R12,也可稱為LTE-B(Beyond 4G,B4G),LTE-B之後可能有LTE-C,而後進入5G,但也可能取消LTE-C,直接從LTE-B進入5G,目前看來實際發展偏向後者,即省略LTE-C的過渡階段。



圖一 :  原規劃LTE-C之後進入5G,而今多認為R14已屬5G,省略LTE-C。(圖片來源:Huawei)
圖一 : 原規劃LTE-C之後進入5G,而今多認為R14已屬5G,省略LTE-C。(圖片來源:Huawei)

不過,基地台業者華為(Huawei)在2014年10月提出4.5G概念,即是R12之後的R13標準,4.5G目標最高傳輸率10Gbps(固定下行)、延遲在10mS(毫秒)內,且每平方公里的覆蓋面積內能有100,000個Connection(連線),預計2016年登場。



圖二 :  華為於2014年10月提出3GPP R13、4.5G理念。(圖片來源:Huawei)
圖二 : 華為於2014年10月提出3GPP R13、4.5G理念。(圖片來源:Huawei)

華為雖提出4.5G概念,但不是所有業者都認同,例如全球行動通訊系統協會GSMA(Global System for Mobile Communications Association)就認為4.5G只是個行銷詞,不是具體的技術分界。


但也有業者同樣提出4.5G,如Alcatel-Lucent,不過與華為的4.5G定義並非全然一致,Alcatel-Lucent強調融合Wi-Fi分流技術、善用5GHz頻段資源等可稱為4.5G,此一般也稱為LTE-U(U=Unlicensed Spectrum,免執照的頻譜)。


日本行動電信商NTT DoCoMo也在2014年5月與6家設備業者進行試行,開始發展測試5G網路,目標比現行4G的基地台整體能耐強1,000倍,移動通訊速率強100倍(10Gbps),延遲降至5mS等,僅為原有4G延遲的1/10,預計列入R14標準,並於2020年完成。


所以,4G之後的標準,嚴格而論從3GPP R8 Cat. 4之後即算,但實際商業化發展又是另外一回事,LTE商業服務約於2009年北歐率先全球開通,LTE-A商業服務則於2013年南韓率先全球開通,2014年台灣也開通LTE,但是否達100Mbps則不盡然,有的電信商在LTE階段即提供100Mbps速率,有的遞延至採行LTE-A設備時才達100Mbps速率。


之所以遞延至LTE-A才達100Mbps,主要是因為頻譜資源因素,由於LTE標準不具有載波聚合技術(Carrier Aggregation,CA),要找到足夠的連續頻譜來提供100Mbps傳輸,實務上有困難,而載波聚合技術登場後,可將不連續的頻譜結合起來使用,因而較容易達到100Mbps速率。


因此3GPP R9/R10/R11均可視為4G之後,而即將定案的R12,以及技術研擬提案中的R13也都是,有4.5G之稱的R13,有5G之稱的5G亦是。以下我們將再三個層面來細談,即R12、R13、R14。


而讀者可能已發現,3GPP標準中的奇數較少被提及,如3GPP R9、R11等,事實上奇數較偏向正規階段性標準的後續增訂、修訂,為補強性質。


3GPP R12(2015年)LTE-B

由於眾多業者對3GPP R12標準有高度期許,使標準定案時間一延再延,原訂2014年12月定案又延了一季,預估2015年3月定案,但也可能又延。


R12更加強化載波聚合技術,原本只能聚合2、3個載波將擴展5個(2個上行,3個下行),而過去只能FDD LTE與FDD LTE聚合,TDD LTE與TDD LTE聚合,無法混聚,R12將可以混聚。



圖三 :  目前Qualcomm頂級的Snapdragon 8xx系列晶片已能實現3個通道的載波聚合。(圖片來源:Qualcomm)
圖三 : 目前Qualcomm頂級的Snapdragon 8xx系列晶片已能實現3個通道的載波聚合。(圖片來源:Qualcomm)

R12也強化過去演化多媒體廣播服務(eMBMS),一般也稱LTE Broadcast。這項技術期望取代過去的地面電視廣播電台,改用LTE基地台提供視訊廣播,未來可能直接手機轉播足球賽事,而非透過數位電視天線,或有線電視同軸纜線。


另外越來越多人是在室內或高樓使用手機,所以R12也強化室內傳輸表現,提出LTE-Hi(Hotspot/indoor)技術,強化穿牆通訊能力,或將原有的MIMO技術立體化、高度化,稱為3D MIMO、elevation beamforming等


此外頻譜資源越來越不夠用,開始試圖取用5GHz頻段來加速傳輸,即前述的LTE-U。不過,是以LTE技術來取用5GHz,或使用Wi-Fi技術來取用5GHz,尚未有定論,且初期可能僅在使用者資料的下行方面採用5GHz,使用者上行資料與系統通訊控制資料仍不使用5GHz,後續才進一步允許將上行資料使用5GHz,但控制資料仍然不會。



圖四 :  左圖為LTE-U第一階段實現構想,右圖為第二階段。(圖片來源:CableLabs.com)
圖四 : 左圖為LTE-U第一階段實現構想,右圖為第二階段。(圖片來源:CableLabs.com)

除了人們透過手機連上LTE系統外,物聯網(IoT)逐漸盛行,3GPP陣營也希望把握此機,因而提出MTC(Machine Type Communication)技術,讓LTE基地台可以同時間服務多個感測節點(Sensor Node)連線,但為小資料量的連線。


進一步的,3GPP期望LTE基地台提供動態的鄰近地區服務,最初稱為LTE D2D(Device-to-Device),而後稱為LTE Direct,LTE Direct可以讓覆蓋區內的手機用戶上傳訊息,而後相同覆蓋區內的其他手機收到訊息,可提供即時的訊息服務,如附近有人暈倒需要會急救的人,演唱會附近有人要轉賣門票等。


LTE Direct立意雖佳,但電信商短期內不曉得如何用此服務增加營收,因此對開通此技術、服務保持保守觀望,可能只用於救災,電信商反而對能實現收視收費服務的eMBMS感興趣。


R12其他方面的強化也包含支援更多天線數的傳輸(更趨向Massive MIMO)、用來加速傳輸的新型態載波(New Type Carrier,NTC)、異質網路(HetNet)、基地台間更良善的溝通協調機制(CoMP)、提升小型基地台(Small Cell)表現等。


3GPP R13(2016年)4.5G

R13目前規劃在R12的一年後定案,即2016年3月。前述的LTE-U,有可能不在R12提供,而挪到R13中,或R12僅提供初步,至R13才更加完整完備,如載波聚合在R10已初步提供,但R12接續強化,發展模式相同。


另外,確定在R12提供的MTC、3D MIMO等,則在R13中再進行強化精進,3D MIMO提升成Full-Dimension MIMO。另也提議提供室內定位功能,但由於R13仍在技術草擬階段、提案階段,難以肯定。


值得注意的是,為了提高傳輸率,預估未來使用小型基地台的數量將大幅增加,所以不單是R12,包含後續的R13、R14等,均會持續針對小型基地台的運作、需求等,持續修訂標準。



圖五 :  Small Cell泛指覆蓋範疇小於Macro Cell傳統基地台的Pico Cell、Micro Cell、Femtocell基地台。(圖片來源:qulsar.com)
圖五 : Small Cell泛指覆蓋範疇小於Macro Cell傳統基地台的Pico Cell、Micro Cell、Femtocell基地台。(圖片來源:qulsar.com)

而前面提到,華為提出的4.5G期望達到100,000個Connection,其實是針對物聯網需求而提出,也就是R12 MTC技術的再精進。另外目前流行的軟體定義網路(SDN)、網路功能虛擬化(NFV)等,也將在R13標準中討論是否要導入運用。


值得注意的是,R13標準有業者提案加入使用者設備中繼站(UE Relay)技術,即是把手機當成基地台的中繼站,扮演過水基地台,幫其他手機轉傳資訊,此期望在救災時發揮價值,例如某災區的基地台已失靈,也能透過手機與手機不斷轉傳,來擴大可通話、傳訊的覆蓋範疇。事實上在有了手機與手機直接互通的LTE Direct後,提供UE Relay亦成合理必然。


3GPP R14(2020年)5G

R13能見度已弱,R14自然更難掌握,目前已知5G的技術重點均在提升速率,不似R12標準提出MTC、LTE Direct等多種新應用,而為了達到更高速率,各業者均不約而同朝更高頻的頻段、更廣的連續頻寬、更多的收發天線等方向發展。



圖六 :  2014年5月NTT DoCoMo與6家設備商試行的5G技術重點。(圖片來源:NTT DoCoMo)
圖六 : 2014年5月NTT DoCoMo與6家設備商試行的5G技術重點。(圖片來源:NTT DoCoMo)

以前述NTT DoCoMo與6家電信設備商的技術試行實測為例,其中Alcatel-Lucent、Fujitsu仍使用5GHz以下的頻段,另4家已朝5GHz(含5GHz)以上頻段發展,包含NEC、Ericsson、Samsung、Nokia等。其中NEC用5GHz頻段,Ericsson用15GHz,Samsung為28GHz,Nokia為70GHz


其中許多家更深化使用Massive MIMO技術,如NEC、Ericsson,即同時間使用更多天線進行收發,遠多於現有LTE-A的4根、8根天線,如24根。而更進一步了解,Samsung的28GHz頻段技術,已能在2km覆蓋距離內提供1Gbps的傳輸率。


2014年5月的試測後,不到半年的2014年10月,Samsung再宣佈固定通訊下已能達7.5Gbps,而在時速120km時的移動通訊速率為1.2Gbps。



圖七 :  華為提出5G的超服務立方概念。(圖片來源:Huawei)
圖七 : 華為提出5G的超服務立方概念。(圖片來源:Huawei)

不過,試行也不純然在比較傳輸率,相關技術可行性的驗證也是重點,如Fujitsu是為了實證用無線寬頻頭端設備(Remote Radio Head,RRH)為密集佈建的基地台協調、分配頻譜的技術。NEC則是測試大量天線下的時間域(Time Domain)波束成形(beamforming)技術。


而Alcatel-Lucent把重點放在IoT、M2M的MTC通訊上,期望測試出最適合MTC通訊採行的電波波形。


最後,簡言之,5G期望在多個面向的技術表現都提升,包含頻譜頻率的延伸(300MHz~300GHz)、頻譜資源利用率的提高(64QAM256QAM)、相同覆蓋面積與空間中有多更快的連線,另外也包含更少的傳輸延遲,在更快速移動下仍能通訊等。


不僅如此,通常離基地台越遠傳輸率也降低,或移動速度越快傳輸率也會降低,此方面也期望盡可能減少衰退程度。總之,多數創新通訊應用估已在R12標準內大量增列,5G將著重在硬底子的技術表現。


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