短訊框期間/動態TDD 降低無線電介面延遲

　　4G/LTE的延遲表現優于3G，但仍然不如有線網際網絡的成效。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)和可調整訊框結構的動態TDD，動態TDD涵蓋網絡中不同的基地臺，并根據基地臺的流量負載，使用不同的上鏈到下鏈TDD分割(Split)。若是預期在6GHz以上頻段的5G超密度網絡，動態TDD會是主要的運作模式。而動態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收發器的建置也比分頻多工(FDD)收發器更容易更便宜。

　　在調整下行(DL)/上行(UL)分配會有部分限制的情況下，LTE-Advanced已經導入動態TDD，不過，TDD LTE-A的實體訊框結構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兩個上鏈/下鏈交換點，這等于是對空中介面延遲設定硬限制(Hard Limit)，顯然，這將無法達到5G無線電層的延遲目標。LTE-A的演進版本受限于其漸進式的技術演進，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(Numerology)和訊框結構設計來縮減延遲，因此，我們需要新的5G空中介面以取得所需要的實體層(Physical Layer)延遲。

　　一個好的訊框架構應該不能有任何交換點限制，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構。

　　彈性TDD的時槽結構

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

　　空中介面/系統架構翻新5G網絡節能效率再推升

　　針對5G所開發的空中介面和系統解決方案，其使用的裝置不但必須非常節能，也必須具備數年免充電的運作能力，以支援低成本、大范圍覆蓋的物聯網(IoT)應用。設計5G無線電系統時必須考量這些需求，而動態TDD技術能為5G系統帶來這方面的助益，尤其是它能提升休眠周期的效率，進而優化5G裝置的電池耗用。

　　除了提升裝置的節能效率，5G也將會是第一個針對基礎設施能源效率而設計的無線電系統，這在降低環境影響方面特別重要。另外，5G系統也提供經濟規模上的效益，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，在超密度網絡系統中，每個基地臺的消耗功率，會比現在大范圍覆蓋的大型基地臺減少許多。

　　由于超密度網絡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，例如現代超微型基地臺(Pico Cell)僅耗用幾瓦或數十瓦功率，而大型基地臺則耗用數百瓦，當然，它也能為更廣大的地理區域、上百到上千倍的用戶提供服務。

　　未來超密度網絡上，5G在任何指定時間所須支援的平均用戶人數會更少，但未來的用戶將使用多種傳輸需求不同的服務和應用程式，使得網絡必須靈活適應每個基地臺的傳輸條件。小基站或提供6GHz以上頻段的網絡要達成這個調適目標，必須具備以下特性，傳輸時間間隔更短且具備低消耗(Low-Overhead)訊框架構的動態TDD技術、含相位陣列(Phased Array)的大規模MIMO/波束成型技術、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)，或在數個小基站頻率層環境中，執行小基站層之間的整合及與大范圍覆蓋層的整合。試想一個網絡環境，包括一個使用數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頻寬的室內容量層，這種網絡最簡單的設計方式，是依照可覆蓋范圍和所須使用的服務，一次連結一個網絡層;但在某些情況，如需要超可靠性、始終不變的延遲特性時，單純的一次連結一個網絡層已無法滿足需求，此時必須緊密整合各個網絡層才能提升系統的效能。

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

　　多層式5G網絡示意圖

　　高密度小基站系統設計將成5G網絡要件 高密度小基站系統設計將成5G網絡要件

　　5G將會是一個包含不同技術、超快速、超彈性的通訊網絡，對終端使用者來說它是無感覺的，但對營運商來說是一個容易管理的網絡。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網絡的關鍵要件，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，因此小基站的系統設計要有彈性。厘米波和毫米波層都支援一套共同的特性如動態TDD、大規模MIMO/波束成型技術、裝置對裝置通訊、低消耗且訊框規模更小的訊框結構，各網絡層之間的差異處則顯現在所使用的中頻寬或高頻寬、MIMO/波束成型技術的實施體系(Scheme)、以及協調和降低干擾的方案。

　　同時，為支援各式各樣的服務和需求，系統的設計也必須是彈性的。例如，為支援車輛對車輛通訊，網絡必須支援超高可靠性的關鍵通訊功能，對于低成本的物聯網應用，如濕度感測器傳回的濕度報告，就只需要低可靠性的通訊;而高資料速率的機器對機器應用，可由厘米波或毫米波系統支援，但低成本的物聯網應用只需要低功率的大范圍覆蓋網絡。因此研究人員選擇5G的技術元件時，必須仔細考量能源效率，以及基礎設施的成本和終端使用者的設備。

　　最后一項挑戰則是將各式各樣支援5G使用案例的解決方案，以及多種網絡層，藉由統一的網絡運作控制功能，整合成統一且一致的使用者體驗，不同的5G網絡層，將與其他既有無線技術及其演進技術，整合成一個系統，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體驗。

　　5G的服務體驗與解決方案