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5G的最終完成式何時會來?
從NSA到SA的挑戰與考量

【作者: 籃貫銘】   2020年09月16日 星期三

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台灣5G終於開台了,雖然說對多數的人來說仍是無感,但這電信服務史上至關重要的一個篇章,仍舊是翻開了它備受注目的第一頁。然而,對多數的地區來說,包含台灣也是,我們其實仍未讀到它真正的內容,什麼時候才能進入主軸,就是現在5G發展的重點了。


對5G有一定程度了解的人都知道,現在的5G布建多是屬於NSA的規格,台灣也相同,也就是非獨立式(Non-Standalone)的設置。目的是為了加速5G的普及,因此先行使用與4G LTE網路共存的方式,以提高5G無線網路的覆蓋率。


先採用NSA架構當然是成本考量,因為它無需另建基地台,但需使用5G的天線和頻段。簡單的說,就是用現有的4G LTE基地台來提供5G的訊號,是一種折衷的過渡方法,尤其是5G的牌照費高達數百億,任何一家電信商都必須想盡辦法快速商轉。


NSA易布建 但真5G應用還是要看SA

NSA架構的好處就是容易佈建,從成本與時間的角度來看,它只需要在4G基地台上加裝5G NR的模組,就能夠向消費者提供「增強型行動寬頻通訊(Enhanced Mobile Broadband;eMBB)」的服務,這是5G實現高速數據傳輸的重要技術。



圖一 : 5G網路NSA與SA模式示意。(Source:GSMA)
圖一 : 5G網路NSA與SA模式示意。(Source:GSMA)

但這個架構的限制是須要使用4G LTE的核心網路,也就是「演進式數據封包核心(Evolved Packet Core;EPC)」技術。然而這個技術對於5G網路另外兩個特色應用「大連結」與「低延遲」,卻是有點使不上力,主要的原因就是5G的網路服務傾向所謂的「切片式」,要能分段提供給不同的應用且更貼近終端使用者,但EPC在先天的設計上就不是這麼一回事。


所以理所當然的,要完美的達成5G時代所描繪的所有應用場景,走向獨立式(SA)架構,後端採行5G的核心網路(5GC),我們才能真正見識到5G的好處與優勢。


那是什麼時候?又要怎麼升級?


在一些新興國家,如果現在要建設行動通訊網路,那直接選擇5G SA架構是最好的方式,但那樣的案例實在很少,多數的國家和區域都是面臨著從NSA轉換為SA的情況。


SA轉換不困難 虛擬化技術是關鍵

但事實上,NSA要轉換至SA其實也沒這麼困難,它最主要的改動環節,就是在核心網路的部分,但由於5G使用了更高頻率的波段,而且又追求頻寬、低延遲、廣連結的目標,因此天線端也要有所因應。


首先在天線端,5G的訊號設計採用了更高頻段的頻譜,包含所謂的sub-6 GHz(410 MHz至7125 MHz),以及30 GHz至100 GHz之間的頻段,其中24250 MHz至52600 MHz的頻率又被稱作毫米波 (mmWave)。


但使用高頻訊號有一個重大特色,就是能夠帶來更大的傳輸量,但同時期穿透力也越差。這意味著5G必須要有新的天線設計,以彌補其容量和覆蓋範圍的問題。而這個答案就是「Massive MIMO」它是5G網路的關鍵技術解決方案。



圖二 : 5G網路的天線應用設計示意。(Source:Mitsubishi)
圖二 : 5G網路的天線應用設計示意。(Source:Mitsubishi)

而要部屬Massive MIMO要從三個方面來考慮,包括性能、安裝和成本(Total Cost of Ownership;TCO)指標。在初始階段,會從覆蓋範圍和容量最大化的角度來看,所以多會建議從4G的站點進行部署,以確保覆蓋連續性,並減少基礎建設的規劃和優化成本。


不過當4G與5G的天線要同時並存時,其實也牽涉到原本基地台的工程設計,因為功率越強大的AAU(主動天線單元Active Antenna Unit),重量也越重,並安裝在上是有一定的限制在,例如韓國就要求AAU的重量不超過25公斤,因此在部署上就會選擇32T/16T的5G網路設備。


但對於束波成形(Beamforming)這類講求精準傳輸的無線技術應用來說,例如運輸和工業等,使用64T和32T的架構,就會比16T的系統好上許多。而後其端相應對的機站電腦和回程(Backhaul)建設的能力,也同樣需要有所調整。


而NSA與SA主要的差異當然是在核心網路的部分,但5G的核心網路在定義上,就已朝向「全虛擬化」和「雲原生」的方式設計,這意思是說「軟體定義」的形式會是5G核心網路的主要成分。再加上3GPP還提供了標準化的CUPS技術(Control and User Plane Separation),讓4G核心網路的控制和用戶面可以分離,又讓升級和遷移容易了許多。


5G商業模式是根本 影響布局與時程

所以對運營商來說,要從NSA升級到SA最困難的任務是在軟體系統的設計與部署,他們要考量的是預計要提供的服務的內容與性能規,這裡頭就涉及了企業的核心運營模式和整體服務成本的規劃,可以說是非常的複雜,因為這是一家電信商的經營命脈。


GSMA就曾做過調查指出,領先的電信商都一致認為,4G網路的虛擬化是存在許多挑戰和風險,絕非輕易的事。像是確保IT平台上的運營商級服務層級保證機制(Service Level Agreement;SLA)就是一項巨大的挑戰。再者虛擬化技術能否滿足電信級的規範等。


目前4G核心網路EPC轉換為支援5G網路,大致有兩種典型的方案情境,也就是直接在基地台上加上NR訊號的類型(情境A),另一種則是除了加上NR的天線之外,還會把後端的實體EPC進行虛擬化(情境B)。


情境A是最快速的方式,它是直接使用升級為支援NSA的實體EPC,它的性能與容量都取決實體的EPC,但缺點就是不利於後續的獨立網SA的建設;情境B則是要建立新的虛擬化EPC網路,使其支援NSA的系統,它在設計的初期也許較為緩慢,但一旦建置完成,後續要升級至5G獨立式的SA時,就會相當順暢且簡易。



圖三 : NSA的EPC升級策略。(Source:GSMA)
圖三 : NSA的EPC升級策略。(Source:GSMA)

結語

從5G的功能與核心網路的規劃來看,可以知道5G時代最大的挑戰是創新服務的構思,也就是電信商究竟要如何發展其商業模式,以進一步擴大他們的服務領域,同時相關的數位內容與應用提供商,又該如何透過5G的eMBB、mMTC和uRLLC技術,來創造更具價值的服務,而這一切都會影響電信商從NSA前進至SA的時程與規模策略。


因為如果只是要下載速度更快,看片打遊戲不延遲的話,那實在不需要,也沒有升級至SA的商業價值。但如果我們想要更快的發展先進的行動網路服務,例如智慧城市、車聯網和AIoT等,則5G的SA架構就有被實施的迫切性,而這才是5G網路存在的真正目的。


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