擁抱衝擊:5G Release 16如何增加資料傳輸率

作者 : Jessy Cavazos,是德科技5G產業解決方案行銷團隊

最新的5G Release 16究竟提高多少速率?還帶來哪些可提高5G系統傳輸容量的功能更新?

5G新無線(New Radio;NR)第16版(Release 16)建立在第15版(Release 15)的基礎上,提高了延遲和頻寬的標準,同時也增加更多其他功能。5G規格的載波聚合(CA)和雙連結(DC)特性可增加不同頻率範圍和運作模式的資料傳輸速率,但究竟提高多少速率呢?此外,還有哪些功能更新有助於提高5G的系統傳輸容量?

本文總結第三代行動通訊合作計畫(3GPP)最新釋出的Release 16內容,針對諸如CA和DC等關鍵概念加以解釋,並提供範例量化Release 15和Release 16之間所增加的資料傳輸率。讀者們將會對於這些趨勢如何影響產業及其解決方案的挑戰有一些初步的認識。

Release 16的簡介

Release 16針對Release 15的規格進行了一連串的功能增強,並進一步讓5G的觸角延伸到新的垂直領域,例如增加支援NR免授權(NR-U)、NR車聯網(V2X)側鏈以及工業物聯網(IIoT)。

最新版本提升了第一型頻率範圍(FR1;410MHz-7.125GHz)以及涵蓋毫米波(mmWave)頻率的第二型頻率範圍(FR2)之CA功能。Release 16為FR1和FR2頻率範圍帶來許多新的頻段組合,讓行動網路營運商得以重新調整頻段並增加所能提供的服務。此外,還增強了多輸入/多輸出(MIMO)功能,包括在FR2的256正交振幅調變(QAM)下行調變。1提供3GPP Release 16的關鍵特性彙整。

13GPP Release 16進一步增強了功能及其運作特性,並將5G擴展到新的垂直應用領域。(資料來源:Keysight Technologies)

CADC的概念

Release 16的關鍵目標之一在於為不同頻率範圍和運作模式提高其資料傳輸速率。為了瞭解Release 16如何達成此一目標,區分DC和CA是相當重要的。這二者都能組合多個組成載波(CC)的傳輸速率,主要差異在於其CC來自哪個基地台。以CA來看,由相同的基地台產生來自CC的訊號。而採用DC時,則由不同的基地台產生CC訊號。這一因素影響了在協議堆疊上形成的傳輸速率,如圖2所示

2CADL結合組成載波(CC)的傳輸速率,但分別位於協議堆疊的不同分層。(圖片來源:Keysight Technologies)

CA和DC有多種不同類型。4G無線允許傳輸單個CC訊號並支援CA和DC功能。另一方面,5G在獨立(SA)模式下提供與4G時相同的功能,但取決於頻率範圍不同,有些方面仍必須加以考慮。此外,在5G NR時允許以DC的一或多個CC組成一個或多個CC。這種功能產生了大量的CC組合之可能性。

34G5G技術提供廣泛的CADC選擇。(圖片來源:Keysight Technologies)

此外,應用於CA和DC的頻譜存在差異。頻段組合可以是同頻連續(intra-band contiguous)、同頻非連續(intra-band non-contiguous)或跨頻(inter-band)。同頻連續是指不同的CC均位於同一頻譜。同頻非連續是在CC之間至少存在一種差距,但仍位於相同頻譜。跨頻則是指一個CC可能位於其中一個頻段,而其他CC則在不同的頻段。

4CADC技術利用三種類型的頻段組合。(圖片來源:Keysight Technologies)

最後,要記得的是不同的5G網路架構使用DC模式。5顯示最主要的4種選擇。Option 2利用5G核心網路(5GC)。而在非獨立(NSA)模式,Option 3採用演進封包核心(EPC)。4G基地台負責控制平面層與裝置溝通,但可能還有分別來自LTE和NR的資料平面層。而在Option 4,5GC和5G基地台負責控制平面層。

55G技術提供4種主要的DC架構選擇。(圖片來源:Keysight Technologies)

量化Release 16提高的資料傳輸率

在瞭解這些重要概念後,接著聚焦本文的關鍵問題:資料傳輸率的增加。從FR1開始,用於同頻連續組合的聚合頻寬(aggregated bandwidth)從Release 15時的200MHz到了Release 16增加到300MHz。

Release 16還包含同頻非連續組合的上行鏈路(UL)和下行鏈路(DL) CA,以及增加在FR1的跨頻DC (Release 15僅支援FR1和FR2之間的DC)。

在FR2,Release 16為同頻非連續組合提高了頻率區分等級,從1.4GHz增加到2.4GHz。這個版本增加DL的不對稱頻寬,以及一個緊鄰對稱頻寬和UL CA的頻率區分級。

Release 16也提供FR2同頻組合的DL CA。這項新功能帶來了重大挑戰,因為它需要處理來自不同CC的獨立波束。

整體而言,Release 16增加了頻段組合數及其跨FR1和FR2的複雜性,但也結合了FR1和FR2頻率範圍。然而,從資料傳輸率來看,這到底代表著什麼呢?

範例1:同頻非連續獨立式CA FR2

現在討論在以下條件時同頻非連續的獨立式CA FR2案例:

  • 120kHz子載波間隔
  • 每個CC有400MHz通道頻寬
  • MIMO 2×2通訊
  • 時分雙工(TDD)最大化DL的傳輸速率

在Release 15中,此例的最大的頻段組合是CA-n260(3A),這個組合允許3個CC位於相同的頻帶,且其中至少有一個間隔。由於Release 15最大通道頻寬是400MHz,因此總共可達到1.2GHz的聚合頻寬。一個1.4GHz的最大頻率劃分級可實現64QAM的最大化調變,從而實現大約9Gbps的最大傳輸速率。

在相同的條件下,Release 16能夠倍增其傳輸速率。該頻段組合變成CA-n260(6A),可實現6個CC並讓整個聚合頻寬增加到2.4GHz。利用2.4GHz的最大頻率劃分級和256QAM調變,系統可大幅增加到24Gbps的最大傳輸速率。

雖然FR2採用SA模式的情況並不多,對於支援最大頻寬達400MHz的裝置而言,仍然會是一項挑戰。然而,即便在NSA架構下,Release 16所增加的傳輸速率仍值得注意。

範例2:同頻非連續NSA DL

如同範例1,保持相同的次載波間隔—MIMO 2×2與插槽規格配置,而且僅改變每個CC的通道頻寬到100MHz—Release 16的最大傳輸速率仍比Release 15的最大傳輸速率更快2倍以上。

在這些條件下,Release 15的頻段組合變成DC_2A-n260(4A)。這一頻率組合允許4個CC,以及達到400MHz的總聚合頻寬。使用1.4GHz的最大頻率劃分級和64QAM調變,可實現的最大傳輸速率只達到約3Gbps。

在Release 16時,頻段組合變成DC_2A-n260(8A)。這個頻段組合可實現8個(而非4個) CC,因而能夠達到800MHz的聚合頻寬。利用2.4GHz的最大頻率區分級--取代1.4GHz和256QAM調變,最大傳輸速率跟著來到8Gbps。

Release 16的設計挑戰

不論是SA或是NSA模式,Release 16大幅增加了系統傳輸容量。然而,複雜性也跟著呈現指數級的增加,因為頻段組合的數目更大,有更多的CC,而且頻段數也更高了。

在FR1 SA模式中,所有的CA類型——同頻連續、同頻非連續以及跨頻等等,其所產生的組合數都會增加,特別是同頻組合,比起Release 15時更多了12倍以上。

而在NSA模式,由Release 16定義的頻段組合數是Release 15版定義頻段組合數的4倍以上,在同頻組合中則從大約900種增加到4,000種。複雜性也隨著CC數的增加而呈指數級提高了,在相同頻段組合中支援多達6種不同頻段。

在FR2,增加的幅度更大,因為在這些頻率中有更多的頻譜可用。在NSA模式中可組合的CC數可能達到17個DL CC。而在SA模式中,有些在Release 16定義的頻段也會增加,預計到了第17版(Release 17)還會更進一步地增加。

此外,在FR1+FR2的情況下有更多的頻段組合。以CA來看,頻段組合的數目是Release 15的25倍以上,可能聚合的DL CC數達到10個,而在UL時可達到9個。至於在NSA,Release 16時的頻段組合大約會從300種,增加到9,000種。

這種複雜度帶來了新的挑戰。工程師將會面對更高的頻率和更高頻寬。在Release 16,濾波器設計和效能最佳化也變得更複雜。工程師必須處理多個CC,有時是在不同的頻段,以及在協議堆疊的較高傳輸速率。針對FR2跨頻DL CA,還必須分別處理訊號波束,而如果正著手處理MIMO增強任務,則必須處理多個天線面板。

目前業界已能提供克服這些挑戰的解決方案了,涵蓋整個裝置的工作流程並且跨所有測試領域——RF以及效能指標。例如高通(Qualcomm)和聯發科技(MediaTek)最近都採用了Keysight S8701A Protocol R&D Toolset來管理5G CA所需的頻譜需求。

(參考原文:Brace for impact: How will 5G Release 16 increase the data rates,by Jessy Cavazos)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年2月號雜誌

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