5G相關技術、概念及應用場景 (1) - ITU-2020 及RAN端的演進




國際電信聯盟(ITU，International Telecommunication Union)針對每一個新世代的網路，都會開出所需的需求以及應用場景，而各大電信標準組織，再依照ITU所提出的需求，訂定標準並向ITU提交標準，供ITU審訂，以下為ITU從3G到5G所提出的需求:

  • 3G: IMT-2000
  • 4G: IMT-Advance
  • 5G: IMT-2020
ITU在IMT-2020中訂定了八個主要的KPI(參考自NMGM 5G White Paper)，請參閱下圖:

八個KPI如下:
  • 更好的使用者傳輸速率體驗(User Experienced Data Rate): 100 Mb/s以上
  • 更高的峰值傳輸速率(Peak Data Rate): 20 Gb/s
  • 單位面積在單位時間內更高的傳輸資料量(Traffic Capacity): 10~100 Mb/s/m2
  • 更高的頻譜使用率(Spectrum Effiency): 3倍以上
  • 更快的移動速度(Mobility): 500 km/h
  • 更低的延遲(Latency): 1ms以下
  • 更高密度的裝置連線(Connection Dencity): 100萬 devices/km2 
  • 更低的耗能(Network Energy Efficiency): 電力消耗為1/100以下 
這八個KPI主要是要滿足三大場景的應用:
  1. eMBB(Enhanced Mobile Broadband): eMBB指的是更快速的傳輸速率以及更好的使用者上網體驗
  2. URLLC(Ultra-reliable and Low Latency Communications): URLLC指的是更低的延遲，像是自動駕駛車和遠端醫療手術等應用
  3. mMTC(Massive Machine Type Communications): 指的是更大量、更密集的機器通訊(每平方公里100萬個以上的裝置進行連線)
更細節的應用場景可參考以下的圖片:
三個角落分別代表三種場景
由左而右分別為eMBB、mMTC以及URLLC(來源: ofcom)

為了使5G網路架構滿足上述的需求及應用場景，我們就必須在各方面改進4G的架構，包含RAN(Radio Access Network)以及核網(Core Network)，以下說明一些技術上的改變以及一些國際組織/電信商所提出的解決方案


RAN端

利用通訊技術提升速率

首先，如果要提升傳輸速率，最直觀的想法就是加速基地台和手機之間的傳輸速率，這邊又可以分為幾個做法，以下分別說明

首先，先來看一個公式:

Channel capacity = Frequency * Bandwidth * Numbers of area
(系統總容量/傳輸速率 = 頻譜效率 * 帶寬 * 小區數量)
  • 要提升系統的Capacity，不外乎上面三個參數，挑一個提升，或是都提升
  • 提升頻譜: 用更高頻率的頻譜，例如從900MHz提升到28GHz，波長越短，傳輸速率也就越快
  • 提升帶寬: 例如20MHz就可以提供4倍於5MHz的速率，而更高頻區段，能提供的帶寬也就越高，在毫米波(mmWave)的區段，甚至能提供100MHz的帶寬
  • 提升小區數量: 這裡指的小區數量，是將頻寬這個參數所涵蓋的範圍，切割為多個小區塊，分別傳送，例如將600Mhz~900Mhz的區段，切成每20MHz為一個區塊，所以最多可以切成30個區塊，如果我一次使用的小區數量越多，則我能傳送的速率也就越高

在開始說明之前，可以先參考以下兩張圖

QAM、MIMO和CA技術的演進
「3GPP LTE LTE-A LTE-A PRO MIMO CA QAM」的圖片搜尋結果
1G ~ 4.5G(LTE-A Pro) 的傳輸速率演進(來源:NETMANIAS)

以下做更細部的說明
  • High frequency spectrum(提升頻譜、提升帶寬): 

    • 來複習一下物理學裡面波的特性，首先波長越長，單位距離裡面波的數量就越少，反之則越多，舉個例子，今天波長為10公分和5公分，則一公尺內就會有10個和20個波，所以我們可以利用更短的波，去達成更快的傳輸速率，這樣說可能還是有點抽象，假設一個波可以傳送1個位元的資料，那如果波長變成一半，那同樣時間內，傳送的資料量就變成了2倍，現在台灣電信業者使用的頻譜為700Mhz、900Mhz、1800Mhz和2600Mhz，數字越大代表頻率越高，也就是波長越短，所以2600Mhz的傳輸速率會比其他的都來的快
    • 既然如此，那我們把波長弄到超級短不就好了，例如使用6Ghz或是30Ghz以上的頻譜，不就解決問題了，但是，波長越短，穿透力也會越差，所以傳送的距離也會越短，這樣基地台的密度就必須提升，才能夠實質上的提升單位面積的傳輸速率
    • sub-6Ghz: 目前為4G主要使用的頻段區域，像是台灣電信業者使用的700Mhz、900Mhz、1800Mhz和2600Mhz等，未來將往更高頻段佈建，提升速率，各國的使用情形，可參考下圖(來源:Huawei)
    • 毫米波(millimeter wave，mmWave): 指的是波長為毫米等級的波，波長為1mm~1cm，頻率為30Ghz~300Ghz，各國目前針對5G計劃使用的毫米波頻譜可參考下圖(來源:Huawei)
    • 提升帶寬: 越高頻譜所能使用的帶寬也就越大，每個小區帶寬更寬，傳輸速率也越快，例如一個帶寬10Mhz的小區，傳輸速率是一個帶寬5Mhz小區的2倍，以此類推
      • 備註：目前4G所使用的帶寬為5Mhz~20Mhz，每5MHz為一個增加單位，在sub-6GHz的高頻區希望帶寬能提升到100Mhz以上，而IMT-2020則希望6GHz以上的頻段，其帶寬可以至少在800MHz以上
  • CA(Carrier Aggregation)(提升小區數量): 
    • 最近電信業者不斷的在廣告上喊出3CA、4CA，其實就是這個概念，將好幾個小區塊的頻段做Aggregation，達到數倍的速率，有點像是把好幾根小水管綁在一起，變成一根大水管，目前LTE-A(4G)的5CA，是使用5個20MHz的小區做聚合，如下圖所示:
0116_CTE_Qorvo_F1.gif


    • Carrier Aggregation又可分為三種，可參閱下圖:
      • Inter-band CA: 像是使用800MHz和1.9GHz各一個小區
      • Intra-band non-contiguous CA: 像是使用1.9GHz底下兩個不連續的小區
      • Intra-band contiguous CA: 像是使用1.9GHz底下兩個連續的小區

  • MIMO: 簡單來說，就是利用更多根天線，達到Multiple Input Multiple Output
    • 我們可以看下面這張圖，這張圖(來源)是4*4 MIMO
    • 64T64R: 又稱Massive MIMO，使用的天現數量更為龐大，5G可能使用64T64R的技術，我們可以看下圖(來源:Huawei)

  • QAM(Quadrature Amplitude Modulation): 正交振幅調變，簡單來說，就是用一個波夾帶更多的訊息，原本一個波可能只能代表0或1這樣一個單位的資料，現在我們可以讓他利用調變，改變波型，夾帶更多的訊息，像是下圖，就是經由8種調變，這樣一個波就可以夾帶三個位元(8種可能)的資料了，類似的概念還應用在許多地方，像是SSD(固態硬碟)的SLC、TLC和MLC，目前4G最高應可支援256QAM，但是並非每台手機或是基地台都有支援，LTE-A Pro的256QAM，其傳輸速率會比LTE的64QAM提升33%
QAM8.gif

Wifi Aggregation(LTE-U LAA LWA)

頻譜是珍貴的資源，台灣的執照頻譜(Licensed Band)由NCC委員會進行標售，價格不斐，對電信商而言是一個不小的負擔，然而，使用者對流量的需求越來越高，基地台的負荷也越來越沉重，所以3GPP就打算結合免執照頻段(Unlicensed Band)，像是Wifi，降低基地台的負擔，同時提升使用者體驗，相較於基地台的佈建，Wifi的佈建是較為容易及低成本的



以下針對幾個解決方案(如上圖所示)進行簡單的說明：

  • LTE-U/LAA (LTE in Unlicensed band / LTE Assisted Access)：此想法始於Qualcomm的 CSAT(Carrier Sense Adaptation Transmission)技術，而後於3GPP R13確立標準(LAA)，簡單來說，就是將LTE和Wifi的頻段做CA(Carrier Aggregation)，其採用LBT( Listen-Before-Talk)機制，確認無人使用該頻段後，才進行使用，避免與其他設備爭奪免執照頻段
  • LTE-H/LWA (LTE-Hetnet / LTE-WLAN aggregation)：相較於LAA，LWA和LAA的差別在於，Wifi AP會受到基地台的控制(也可以說是由電信商佈署)，另外，對於手機晶片和基地台也必須有所修改，現在較新型的手機晶片(CPU)已經有不少支援LWA了
  • MPTCP：MPTCP的概念類似於前面兩者，只是他算是Transport layer的聚合，利用多條TCP連線的聚合，達成增加頻寬的目的，只要裝置有支援這個協定，而電信商又有提供MPTCP Proxy，就能運行
  • 下圖為一些比較：

以下提供一些參考資料：

利用分散式概念降低延遲: C-RAN

基地台架構的演進

首先，我們先來看一下基地台架構的演進，如上圖所示

一個基地台，可以分成三個部分：
  • Antena(天線): 主要用於接收和發射訊號(RF)
  • RRU(Remote Radio Unit): 主要用於將RF訊號轉換為Digital(數位)訊號
  • BBU(Base-band Unit): 主要用於處理和分解訊號，如壓縮、編碼等等，BBU有自己的作業系統，可以管控和其相連的RRUs，主要做為核心網路和RRU或其他通訊節點之間的溝通橋樑
基地台架構的演進(到4G為止)可以分為三個階段(如上圖的左到右三個階段)：
  1. 傳統基地台(Traditional base station)：傳統基地台的RRU和BBU為一體的，和RF天線之間利用Feeder cable(傳統的電視或廣播天線)連接，缺點是Feeder cable的頻寬很低，而且當天線不夠時，擴增困難/彈性低、成本(OPEX、CAPEX)高昂
  2. 分離式基地台(Distributed base station )：為了解決傳統基地台的問題，我們將RRU和BBU進行分離，RRU和BBU之間利用光纖線(Optical cable)連接，此舉增加了佈建的彈性，也加大了頻寬，這樣未來也更方便增加天線的部屬
  3. 整合型基地台(‘Integrated’ base station)：因為頻寬的大幅增加，還有技術的進步，我們可以將RF天線和RRU結合，一個RRU上面可以支援大量的天線(Massive MIMO)
  • 備註：RRU跟BBU之間的溝通介面，是使用一個叫做CPRI(Common Public Radio Interface)的協定，這中間可以通過很多不同類型的基礎設施網路，這裡不贅述
其實上面第三個階段，就是使用到了C-RAN的概念，C-RAN是由中國移動於2009年提出得概念，C的意思是Centralize、Cloud的意思，當原本綁在一起的功能進行拆分之後，對電信商而言，就增加了部屬的彈性，有了Cloud的概念，我們可以將BBU集體佈建於一個小型的Data Center，形成一個BBU Pool(或BBU Hotel)，而這個Data Center的多個BBU，就能跟數量龐大的RRU進行對接，而因為RRU跟BBU是使用光纖進行連接的，所以可以大幅提升頻寬和部屬的彈性

再來，針對5G時代的雲化、虛擬化概念，又將BBU再次切分為DU(Distributed Unit)和CU(Central Unit)兩個部分，由CU對底下的DU進行集中化的分層管理，下圖是3GPP TR 38.801所提出可能的幾種切割方式，詳細的切割方式決議，可參考3GPP TS 38.401: NG-RAN

BBU切割為DU+CU的8種Options

CU又可以導入SDN，切分為CP和UP，並利用Open Source讓RAN端更為開放、有彈性，如下圖所示

CU/DU架構的演進
C-RAN的內容可能沒有講得很好，這塊我也是第一次看，一些基礎知識不太充足，這部分容我慢慢補充及休

以下提供一些參考資料：

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