【ATU Book-5G】5G Small Cell 有甚麼解決方案？

前言

從 2019 各國電信業者搶先開台、提供 5G 服務，到近期全球各國無不投入 5G 相關建設，根據國內資策會 MIC 的預估，全球電信業者將在 2020～2025 年花費高達 1.1 兆美元來建設網路，其中將近八成都會投資在 5G 網路上，各國及各大廠已加緊 5G 應用試驗以及 5G 技術，這將萌生很多新應用、新產品，表示全球電信業者對 5G 技術寄予厚望，準備迎接接下來的數位轉型及龐大市場商機。
5G 應用除了既有的智慧型手機升級之外，還有小型基地台 (Small Cell) 的應用需求，以下就 5G Small Cell 技術及目前的解決方案做一個介紹。

1. 什麼是 Small Cell？

Small Cell 顧名思義就是小型的基地台，與一般電信商布建的大型基地台一樣，扮演的角色是基地台，與用戶界接，而不是類似 WiFi AP。在 4G 時代，Small Cell 的主要功能就是用來提升覆蓋率，像是一些大型基地台比較沒有辦法涵蓋到的訊號死角，就可以採用 Small Cell 來彌補，但是主要的網路涵蓋還是由大型基地台來負責。

有別於 4G 時代，Small Cell 對於 5G 時代的重要性可說越來越重要，在上一篇介紹中提過，5G 訂出了三個應用情境，分別為增強行動寬頻 (eMBB)、巨量物聯通訊 (mMTC)、高可靠低遲延通訊 (URLLC) 三大方向，因此在高頻寬、傳輸速率、高密度、廣域覆蓋率、高移動性、多種高速率終端連線等等的需求是非常高的。舉例來說，體育賽事、大型會議、機場、車站等人潮聚集場景的網路品質、室內的覆蓋及容量都必須被滿足，因此布建高彈性的小型基地台是非常重要的。

圖1 ： 5G 三大特性及終端應用場景 (來源:ITU)

除此之外，5G 的行動邊緣運算和企業專網更是小型基地台的強力推手，行動邊緣運算將處理、儲存和管理等功能移至小型基地台。藉由將資源集中在網路端，行動邊緣運算得以減少延遲時間、增進效率並加速服務和應用的提供。企業專網則是利用 5G 具備「高速率」、「低延遲」與「廣連結」三大特性，透過小型基地台來佈建區域網路。

2. 5G Open RAN架構

以往傳統基地台的資源、技術都掌握在部分大廠手中，電信業者若有基地台建設需求，都必須向這些傳統電信設備商大廠 (如 Ericsson、Nokia 等) 購買基地台設備，而 Open RAN 打破了這些軟硬體高度整合常態，將過去電信專屬設備轉向"虛擬化"發展，將原本整合的軟硬體專屬系統設計，改為由軟體控制，例如底層可以使用通用硬體 (如 x86 白牌伺服器)，如此一來可跳過傳統電信設備商，直接向硬體設備業者 (如盟創、中磊等) 來採購電信設備，除了有利於高靈活性的下一代無線網路，台灣網通廠商更有機會切入此傳統封閉的電信設備系統，建構新商業模式。目前日本的樂天電信就是首間採用 NEC 生產的 5G Open RAN 的設備來建設基地台。

圖2 ：電信設備供應鏈

Open RAN 聯盟專注於無線接取網路的"開放式架構"和"標準化介面"開發，搭配開放原始碼和白牌網路元件等軟/硬體資源配合，並研究如何導入AI／ML 等智能技術，共同完成網路智慧化、架構和介面開放化、硬體設備白盒化與軟體開源化四大方向。傳統的基地台功能在聯盟的規劃下也被分成 RU (Radio Unit)、DU (Distribution Unit)、CU (Central Unit)三個主要單元，其中除了 RU 為較封閉專屬的單元，DU 與 CU 都可以使用通用型的平台或工業等級 PC。

① 中央單元 (Central Unit, CU)

用於控制面的 RRC 和用戶面的 IP、SDAP 和 PDCP 運作，一個中央單元可以透過數個介面管理數個分佈單元。

② 分佈單元 (Distributed Unit, DU)

包含 RLC、MAC 和 High-PHY 等基頻處理。

③ 無線電單元 (Radio Unit, RU)

包含 Low-PHY 與射頻信號處理。

先前提到的日本樂天電信，他的基地台的 RU 採用 Nokia，但 DU 虛擬化，使用廣達 x86 伺服器及 Altiostar 的通訊協議，軟體化 RAN 部分，在行動核心網路部份，使用 Red Hat 的 OpenStack 及思科的 NFVI 和 VNF，底層硬體則使用廣達的伺服器，預估可以降低 50% 的傳統 4G 網路部署成本。

3. 小型基地台有甚麼解決方案？
如同上一節所述，以 Open RAN 聯盟所規劃的架構來說，很多功能都由軟體來帶虛擬化硬體，目前小型基地台主要核心可拆分為兩部分，RU 負責處理最底層的射頻以及 MPU 負責執行 DU & CU 以上的通訊協議，而第一大類就是採用通用的英特爾 x86 來執行 DU & CU，RU 的部分則使用 Xilinx FPGA 來針對 5G 射頻設計。

圖3 ：小型基地台解決方案之一