專欄文章

上篇中介紹了3GPP Rel.15 NR對於高可靠度資料傳輸設計，然而除了對於資料傳輸的可靠度增強外，控制信道以及控制層面的增強也是必須的。本篇對此作概括的介紹。   確保控制信道的傳輸可靠度一向都是通訊系統設計的重點，因此一般控制信道的傳輸大多採用較低的調變編碼機制(Modulation and Coding Scheme, MCS)(ex: BPSK/QPSK)，除此之外NR也引入了其他控制相關的增強，以下介紹Rel.15 NR中控制相關的可靠度增強設計：   PDCCH aggregation level 一個實體下行控制通道(Physical Downlink Control Channel, PDCCH)可由單個或多個控制通道單元(Control Channel Element, CCE)傳送，使用CCE的多寡又可稱為“PDCCH aggregation level”，當使用較大的aggregation level時可提升傳輸的可靠度，然而也會占用較多的無線資源。相較於LTE PDCCH支援到最大為8的PDCCH aggregation level，NR PDCCH設計支援了1, 2, 4, 8及16的PDCCH aggregation level。   Multi-slot PUCCH 承載上行控制訊息的實體上行控制通道(Physical uplink control channel, PUCCH)同樣也有針對可靠度增強的設計，NR PUCCH設計上支援五種格式，包括短格式及長格式，其中屬於長格式的PUCCH format 1, 3, 4還支援了multi-slot的PUCCH repetition傳輸方式。對此基地台可配置包括2, 4, 8 slot的PUCCH repetition，還可配置不同slot之間的跳頻機制(Inter-slot frequency hopping)增加可靠度，然而標準有限制此機制並不能與slot內的跳頻機制(Intra-slot frequency hopping)同時使用。   CQI report enhancement 在上篇的介紹中提到了NR針對高可靠度資料傳輸中引入了以區塊錯誤率10-5為目標設計的MCS table，然而在選擇下行傳輸的MCS時基地台需參考終端對於通道品質的回報，因此也須對此做相應的增強。NR除引入了對應的CQI(Channel quality indicator) table，基地台可配置終端以塊錯誤率10-1或10-5為基準回報對應的CQI index。   另外當uRLLC與eMBB業務應用於同一載波上時，在控制層面也需增強以增進資源的有效運用，因此Rel.15版本引入了downlink pre-emption的機制。   Downlink Pre-emption 此機制主要為支援NR基地台於必要時可擷取已排程的eMBB資源給uRLLC業務使用，並透過下行控制信息格式2-1(Downlink Control Information, DCI format 2-1)告訴終端已被截取的資源。     圖、Rel.15 NR DL pre-emption   為因應高可靠度通訊的應用，Rel.15 NR中除了在資料傳輸設計上可靠度的加強外，也制定了相關機制以因應控制信道以及控制層面的增強。另外也引入Pre-emption機制以增強uRLLC與eMBB業務的多工運用，然而在Rel.15版本中此機制僅制定於下行，Rel.16版本將會制訂延伸增強。   參考資料 [1] 3GPP TS 38.213 (Rel.15) 3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Network; NR; Physical layer procedures for control (Release 15). [2] 3GPP TS 38.214 (Rel.15) 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; NR; Physical layer procedures for data (Release 15). [3] Li, Zexian & Uusitalo, Mikko & Shariatmadari, Hamidreza & Singh, Bikramjit. (2018). 5G URLLC: Design Challenges and System Concepts. 1-6. 10.1109/ISWCS.2018.8491078. [4] “Ultra Reliable Low Latency Communication for 5G New Radio”, IEEE Workshop on 5G Technologies for Tactical and First Responder Networks, Rapeepat Ratasuk, Principal Research Specialist, Nokia Bell Labs, October 23rd , 2018.

前期介紹了3GPP對於低延遲通訊的支援，而在前期中提到像是工廠自動化、遠端遙控、車連網等應用除了需低延遲的傳輸外，還需具備高可靠度的傳輸，3GPP於Rel.15版本制定的新無線介面—New Radio (NR)中也考量了高可靠度通訊的支援，本篇針對高可靠度資料傳輸設計作概括的介紹。   ITU針對5G 高可靠度低延遲通訊(URLLC)訂下無線端1ms延遲，並同時具備錯誤率低於10-5的指標，過去的通訊系統中，靠著混合式自動重送請求(Hybrid Automatic Repeat Request, HARQ)機制，未正確接收的封包可藉由重傳即可有效提升傳輸可靠度；然而在有延遲需求指標下，需在有限時間(有限重傳次數下)達成可靠度指標，因此在實體層的設計上需做增強，以下介紹Rel.15 NR中高可靠度資料傳輸相關設計：   Micro-Diversity (Rank-1 MIMO) 在多天線系統下於訊號良好時可以多路複用(multiplexing)的傳輸方式提升傳輸速度，反之可以分集(diversity)的傳輸方式提升傳輸可靠度，因此對於高可靠度通訊，可採用rank-1 MIMO的傳輸方式，以享有空間分集的增益。 Specific MCS table for URLLC 為顧及傳輸效率，對於eMBB業務的傳輸，NR以塊錯誤率(Block error rate, BLER)10-1為目標設計調變編碼機制(Modulation and Coding Scheme, MCS)的對應表。考量某些情境下僅允許以一次傳輸達成高可靠度低延遲的指標，因此在NR中也引入了以塊錯誤率10-5為目標設計的MCS table，意即在同樣的訊號品質下採用保守的調變編碼策略，來提高傳輸的可靠度。   Blind repetitions (i.e. K-repetition) 一般HARQ機制下，接收端會透過通知傳送端封包是否正確接收，傳送端依據通知再重新傳送封包，為減少一來一回所需的時間，NR也引入了K-repetition機制，在不等待接收端的通知下連續傳送K次相同的封包。這樣的機制在上行的部分也設給與UL Grant-free Transmission搭配使用，以達成低延遲高可靠度通訊，基地台可配置“repK”與“repK-RV”參數，前者為連續重複傳送的次數，支援到up to 8次；後者為指示連續重複傳送所用的冗餘版本(Redundancy Version, RV)順序，支援(0,2,3,1)、(0,3,0,3)，以及(0,0,0,0)三種。 PDCP layer data duplication 除了在實體層的增強外，NR也引入了上層封包複製(Higher-layer packet duplication)的解決方案，透過封包資料匯聚通訊協定(Packet Data Convergence Protocol, PDCP)上的封包複製，於不同載波/細胞上傳送相同資料增加傳輸可靠度。     圖、NR PDCP duplication   為達到低於10-5的封包錯誤率指標，Rel.15 NR在實體層的資料傳輸上設計了不少機制可提升可靠度，然而除了資料傳輸的增強，也需確保實體層控制信道的可靠度，相關介紹將於下篇揭曉。   參考資料 [1] 3GPP TS 38.214 (Rel.15) 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; NR; Physical layer procedures for data. [2] Li, Zexian & Uusitalo, Mikko & Shariatmadari, Hamidreza & Singh, Bikramjit. (2018). 5G URLLC: Design Challenges and System Concepts. 1-6. 10.1109/ISWCS.2018.8491078. [3] “New Service & Applications with 5G Ultra-Reliable Low Latency Communications”, 5G America white paper, November 2018.

最近幾年，汽車業界在「科技化」方面也有長足的發展，而「電腦輔助駕駛」更是其中的熱門話題之一，除了汽車本地端透過各式偵測器與電腦系統即時運算所提供的車道維持、自動定速跟車或是防碰撞輔助…等技術，來協助汽車駕駛掌握路況。   圖：高通的 C-V2X 技術，將可透過 5G 通訊讓車輛、交通設施、行人與雲端運算緊密結合（圖片來源：CNET）。   不過上述的功能僅限於「輔助」，而「無人駕駛」才是汽車業界最終極的目標，能夠具備即時觀察與思考能力的「自駕車」，並非單靠汽車內的電腦就能完成，「無線通訊」才是其中的關鍵，早在 2017 年就成立的 5GAA 就展開 C-V2X 計劃，試圖打造車輛與其他物聯網設備的即時通訊網，包括路上行駛的其他車輛，以及其他相關的交通設施（例如：紅綠燈），甚至是路上的其他行人。   圖：高通目前已有多款整合車聯網技術的晶片平台（圖片來源：高通）。   目前 C-V2X 已經可以在 4G 網路上運行，但考量到全面運行時會遇到短時間內大量車輛、設施相互溝通的資訊交換，5G 的低延遲反應能力被認為是這套系統所需要的終極解方，尤其是行經於道路上的車輛如何有效率的交換車身上鏡頭拍攝的即時影響與雷達偵測的數據，更是整套系統判斷車輛應該如何即時反應的重要關鍵。 由行動晶片設計大廠高通所主導的 C-V2X 解決方案包括了車對車（V2V）、車對基礎設施（V2I）、車對行人（V2P）與車對雲（V2C）…等不同通訊方式，並已經整合到自家的 Snapdragon 平台中，也透過如此複雜的資訊溝通架構，讓未來的自駕車不僅能妥善行駛於道路上，甚至還能即時接收來自於前方道路的交通警報，除了避免可能的交通擁塞，更能避免後續可能發生的其他意外。   圖：於美國邁阿密巡航測試的福特的自駕車原型車，預計於 2022 年，就會有內嵌 C-V2X 技術的產品上市（圖片來源：CNET）。   福特政府關系暨行動與先進技術全球總監 John Kwant 也提到，福特在自駕車的技術上也注意到所謂的「弱勢導路使用者（Vulnerable road users）」，像是行人、自行車等，未來也將為這類用路人提供信號發佈能力，在他們需要過馬路時，自駕車系統可以進一步辨識並自動讓道，等於在道路上形成「隱形力道」來保護這些人。 不過目前整個汽車業界並未統一標準，以美國來說，監管機構就支持了 5G 於汽車業的發展，但歐盟交通運輸單位卻更傾向於透過 Wi-Fi 802.11p 的規範來推展車聯網的技術。此外，包括電動車大廠特斯拉，以及 Google 母公司 Alphabet 的自駕車公司 Waymo…等企業，目前也尚未加入 C-V2X 的 5GAA 協會之中。 但無論如何，5G 的普及化將進一步推動智慧車聯網的發展，目前在台灣即將開台 5G 的遠傳電信也正推動 5G 基礎為基礎的自駕巴士測試，而另一家即將開台 5G 的中華電信，也不約而同透過公車為載體，展示由 5G 通訊實現即時監控車輛安全、具備先進駕駛輔助系統的相關技術，也讓人相當期待未來 5G 商業普及後的相關應用。   相關連結： [1] When 5G comes to cars, we start to get invisible force fields – CNET. https://www.cnet.com/news/when-5g-comes-to-cars-we-start-to-get-invisible-force-fields/ [2] C-V2X | Cellular Vehicle-to-Everything | Qualcomm.  https://www.qualcomm.com/products/automotive/c-v2x  

隨著科技的進步，電源完整性的問題愈來愈被重視，而電源完整性的議題可以分為四個層面，分別為：晶片、晶片封裝、電路板及系統層面。     電路板上，一般會有電壓調節模組(Voltage Regulator Module, VRM)、積體電路(Integrated Circuit, IC)，和其他的元件，在VRM端附近會放置容值較大的Bulk電容，來保持電源供應電壓的穩定，而IC端附近會放置一些去耦合電容，因為當IC內部做切換時會產生較大的瞬態電流，流經電路上的電阻電感，電源遞送網路的電壓會產生波動和變化，因此電路板的電源完整性設計在於要有良好的電源遞送網路設計。   圖一、電路板示意圖 解決電源完整性的方法，有四種，分別為(1)降低上時脈的切換時間、(2)減少電流切換速度、(3)減少串聯電感、(4)擺放多顆電容，而方法(1)與方法(2)對於現在高速電路的設計與運用不太實際，所以最適當的方法應該是方法(3)或方法(4)，而業界最常使用的方式為方法(4)。 良好電源遞送網路的設計，在於如何兼顧IC的工作電壓與成本，因此板廠會定義出一個目標阻抗(Target Impedance)，我們期望我們設計出的電源遞送網路阻抗可以低於目標阻抗之下，目標阻抗設計太高IC無法正常運作，而阻抗設計太低成本高。 要使電源遞送網路的阻抗低於目標阻抗，我們需要去擺放去耦合電容，而電容的擺放有兩種方法，一種為放置相同容值的去耦合電容，如圖二，另一種為放置不同的容值，如圖三所示。   圖二、擺放相同容值去耦合電容的阻抗圖   圖三、擺放不同容值去耦合電容的阻抗圖    參考資料 [1] Henry W. Ott. (1976). Electromagnetic Compatibility Engineering. Location:Wiley

功率放大器通常是無線通訊前端系統中最耗電的元件。如何提升毫米波互補式金氧半導體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)功率放大器效能一直是重要的研究課題。   為了要達到較高的輸出功率，功率放大器輸出級的電晶體需要提供夠大的電壓與電流的擺幅(swing)。CMOS功率放大器常見的提升輸出功率的方式有直接並聯功率結合(direct-shunt)、變壓器功率結合(transformer power combining)技術與電晶體堆疊(stacked-transistor)技術[1]。 l 直接並聯功率結合技術 使用較大閘極總寬度(gate width)的電晶體來設計功率放大器，可以有較大的電流擺幅。然而，較大尺寸的電晶體的寄生效應也較為嚴重，可能導致高頻的增益不佳。比較直覺的方式是將數個尺寸較小的電晶體直接並聯起來，再設計適當的匹配網路來完成整個功率放大器。 l 電晶體堆疊技術 除了增加電流的擺幅，亦可採用增加電壓擺幅的方式來達到提升放大器的輸出功率。常見的方法即是使用電晶體堆疊 (stacked FET)技術，如圖一(a)所示。堆疊的電晶體數量愈大，所需要的直流電壓也愈高。因此會受限於系統可提供之電壓。 l變壓器功率結合技術 如圖一(b)所示，使用變壓器功率結合技術除了可以提高輸出功率，變壓器經過適當設計可同時達到阻抗匹配，因此可以以較小的面積來實現功率放大器設計。目前使用變壓器功率結合技術來設計CMOS功率放大器是最常用的方式。   圖一、(a)堆疊電晶體功率結合技術，(b)變壓器功率結合技術 使用變壓器功率結合技術的功率放大器，其兩路徑放大器為差動操作，可在兩電晶體間可以加入中和化電容(neutralization capacitor)，如圖二所示。藉由加入中和化電容可以消除電晶體閘極與汲極間的寄生電容 (gate-to-drain capacitor，Cgd)，以提升電路整體的穩定性與放大器的增益。   圖二、中和化電容技術 我們整理了幾篇近幾年28 GHz左右的CMOS功率放大器文獻，其特性比較表如表一所示 [2]-[7]。這些電路所使用的製程包括28 nm，40 nm，65 nm與90 nm CMOS。其中僅有一篇為單端的設計，其餘皆為採用變壓器功率結合技術的設計。而這幾個功率放大器的飽和輸出功率(saturation power，Psat)都落在20 dBm以下，對應的最大功率附加效率(power-added-efficiency，PAE)都可以達到30%以上，甚至超過40%。功率放大器的性能除了輸出功率與效率外，增益也是非常重要。因為如果功率放大器增益過低，實際使用還需要另加一驅動放大器。驅動放大器的功耗(power consumption)也會影響系統整體的效率。因此我們在表中比較了一項文獻中常用的性能指標(FoM)，包含了輸出功率、增益、效率與操作頻率。單以PAE來看，[7] 的功率放大器PAE較其他差，但此功率放大器的增益較高，實際在系統中可以不需要額外的驅動放大器，因此整體系統的效率不一定會較差。因此我們以FoM來比較時，就可以看出這部分的影響 此外，5G毫米波系統是採用相位陣列的方式來實現。系統中需要許多功率放大器，因此功率放大器所需要的晶片面積也是重要的考量。在表一中，我們也列出單位晶片面積的輸出功率 (power density)提供參考。 表一、28 GHz CMOS功率放大器比較表     參考文獻 [1]  H. Wang, J.-H. Tsai, K.-Y. Lin, Z.-M. Tsai, and T.-W. Huang, “MM-wave integration and combinations,” IEEE Microwave Magazine, vol. 13, issue 5, pp. 49-57, July/Aug. 2012. [2]  S. Shakib, H.-C. Park, J. Dunworth, V. Aparin, and K. Entesari, “A highly efficient and linear power amplifier for 28-GHz 5G phased array radios in 28-nm CMOS,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 51, no. 12, pp. 3020-3036, Dec. 2016. [3]  Y. Zhang and P. Reynaert, “A high-efficiency linear power amplifier for 28GHz mobile communication in 40nm CMOS,” in IEEE RFIC Symp., July 2007. [4] K.-C. Chiang, T.-C. Tsai, I. Huang, J.-H. Tsai, and T.-W. Huang, “A 27-GHz transformer based power amplifier with 513.8-mW/mm2 output power density and 40.7% Peak PAE in 1-V 28-nm CMOS,” in IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. Dig., June 2019, pp. 1283-1286. [5] B. Park, S. Jin, D. Jeong, J. Kim, Y. Cho, K. Moon, and B. Kim, “Highly linear mm-Wave CMOS power amplifier,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 64, no. 12, pp. 4535-4544, Dec. 2016. [6]  S. N. Ali, P. Agarwal, J. Baylon, S. Gopal, L. Renaud, and D. Heo, “A 28GHz 41%-PAE linear CMOS power amplifier using a transformer-based AM-PM distortion-correction technique for 5G phased arrays,” in IEEE Int. Solid-State Circuits Conf. Dig., Feb. 2018, pp. 406-407. [7]  Z.-J. Huang, B.-W. Huang, K.-Y. Kao, and K.-Y. Lin, “A high-gain continuous class-F power amplifier in 90-nm CMOS for 5G communication,” in 2019 Asia-Pacific Microwave Conference Technical Digest, Dec. 2019.  

5G毫米波通訊目前以28/39GHz為主要操作頻段，為滿足高頻與高速傳輸效能需求，以低溫共燒陶瓷封裝技術之AiP逐漸受到重視，該基板材料具有低介質損耗特性，並具有天線與射頻元件高度整合之優勢。   隨著毫米波無線通訊發展與應用，例如5G通訊系統，汽車雷達與高解析成像系統等，高增益與高輻射效率之毫米波天線系統在此應用上顯得相形重要。AiP封裝技術可將毫米波陣列天線與射頻元件進行模組化整合，使得各元件間電性連接損耗可達最小化功效。以低溫共燒陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic, LTCC)技術為主之AiP封裝，由於基板具有低介電損失與絕佳的熱傳導性，且易於嵌入射頻被動元件於多層基板內，達到射頻模組微型化與高度整合優勢，目前在E-Band車用雷達乃至於更高頻段THz皆有相關應用案例。 圖一為LTCC AiP封裝架構，低溫共燒陶瓷技術為將多層陶瓷生胚網印相應金屬層線路，並透過穿孔填充金屬，將各層陶瓷生胚進行疊壓對位，之後再進行燒結成型。由於陶瓷生胚內含高分子材料，因此，在燒結過程中必須有效控制升溫曲線，使得高分子黏著劑與溶劑緩慢裂解揮發，並藉由玻璃相與陶瓷間潤濕性達到基板燒結緻密度。一般用於LTCC金屬層材料以銀膠為主，由於銀熔點為961℃，因此，低溫共燒製程溫度需控制在1000℃以下。由於以LTCC技術實現之AiP，具有多層積板厚度(12.5~250μm)與介電常數(4~75)選擇範圍大之優點，且材質介電損耗低。目前對於極高頻且性能要求高之應用領域，以LTCC製程為主之AiP仍然有不可替代的高頻效能表現。   圖一、LTCC AiP封裝架構 日系被動元件大廠TDK於2019發佈可應用於5G毫米波頻段之LTCC AiP天線模組，如圖二所示。該AiP模組為不同介電材料疊壓燒結而成，包括4x4天線陣列佈排於低介電常數材料層，以及帶通濾波器配置於低介電損耗材料層，從而獲取各元件最佳效能表現。該系列AiP模組可支援毫米波頻段26GHz、28GHz與39GHz，且在環境耐受性與基板散熱能力皆優於以樹脂基板為主之AiP。目前該LTCC AiP模組也成功導入5G通訊基站射頻前端模組上。   圖二、5G通訊應用之LTCC AiP封裝架構   參考資料： [1] Yueping Zhang, Junfa Mao, “An Overview of the Development of Antenna-in-Package Technology for Highly Integrated Wireless Devices”, PROCEEDINGS OF THE IEEE, Nov. 2019. [2] TDK’s LTCC AiP Technology Supports 5G Communications, TDK Front Line Vol.3. (https://www.tdk.com/tech-mag/front_line/003)

5G毫米波天線與晶片集總化封裝可減少電性連接傳輸損耗，隨著高通於2018年發佈全球首款手機端毫米波天線模組，天線封裝(AiP)技術發展持續受到關注，於此，相關技術成熟度將為毫米波通訊市場帶來商機。   隨著5G時代來臨，帶動全球5G通訊產業發展，現今通訊產品功能日益強大，內部電子元件與模組需求增多，特別在5G手機通訊模組將包括Sub-6GHz與mmWave頻段，同時需跨網支援4G功能等。因此，在高度模組化與產品內部空間不足限制下，系統整合晶片(SoC)與系統構裝(SiP)等先進技術陸續被晶片廠採用，乃至於5G毫米波頻段天線封裝(AiP)與天線整合晶片(AoC)技術相繼導入。毫米波頻段其波長尺度在1-10mm量級，天線亦具相同尺度大小，為減少天線與主動元件連接之傳輸損耗，毫米波天線有必要繼承既有SiP技術實現天線與晶片模組整合封裝，國內晶片廠、半導體製造商與封測廠已積極投入研發。然而天線整合晶片(AoC)為將天線與主被動元件整合設計於單一晶片，在成本與效能考量下，以偏向Terahertz(THz)應用居多。因此，目前AiP仍為5G毫米波應用首選封裝技術。 圖一所示為AiP封裝與傳統分離式天線架構比較，AiP相較於分離式天線配置具有電路佈排面積小之優勢。另外，天線到RF端口傳輸路徑短，減少訊號傳輸損耗，有助於提升發射端效能與改善接收端雜訊指數，並能有效降低組裝成本與加速產品上市時間。 圖一、AiP封裝 與分離式天線構型示意 常見AiP封裝技術可分為低溫共燒陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic, LTCC)、嵌入式晶圓級球柵陣列(Embedded Wafer Level Ball Grid Array, eWLB)及高密度互連(High-density Interconnect, HDI)三種方式，並依照電性、熱機械可靠度與成本等因素選擇合適的封裝方案。表1為三種封裝技術之材料特性與製程參數比較表，其中eWLB有較高密度內部互連佈排，但卻有較高的材質損耗。LTCC有最低的內部互連密度與材質損耗，且製程供應商也較多，但LTCC整體封裝成本相對偏高。相形之下，目前HDI封裝技術不論在成本與整體效能仍為普遍的AiP封裝技術方案。 表一 、三種AiP封裝技術特性比較表  參考資料  [1] Yueping Zhang, Junfa Mao, “An Overview of the Development of Antenna-in-Package Technology for Highly Integrated Wireless Devices”, PROCEEDINGS OF THE IEEE, Nov. 2019. [2] “Challenges Grow For 5G Packages And Modules”, Semiconductor Engineering. Jul. 2019.

隨著5G新興應用的興起，無線通訊發展除了講究速度要又快又穩以外，對於包括VR、工業物連網(IIoT)、車聯網等應用，還需能夠低延遲的傳送/接收，3GPP於Rel.15版本制定的新無線介面—New Radio (NR)中也考量了低延遲通訊的支援，本篇針對低延遲相關設計作概括的介紹。   ITU針對5G 高可靠度低延遲通訊(URLLC)訂下無線端1ms延遲的指標，對於增強型行動寬頻通訊(eMBB)也訂下了無線端4ms的指標，因此Rel.15 NR在制定初期即有考量對於低延遲通訊的相關設計支援，相關設計如下： 5G flexible numerology 首先，5G NR支援了不同的參數集(numerology)配置，相較於LTE主要採用15kHz SCS(subcarrier spacing)的子載波間距配置，NR對於資料傳輸支援了包括15, 30, 60, 120kHz的子載波間距配置。由於一般排程單位間隔(slot)為14個符元時間，當採用越高的子載波配置時，符元時間(symbol time)會隨之減少，進而降低了傳輸延遲。 mini-slot排程 承上段所述，由於子載波配置的選用上尚有其他因素考量，因此在NR也設計了mini-slot，亦可稱為non-slot based排程，此類資料在PHY層傳輸上將採用PDSCH Type B的配置，Rel.15 NR支援包括2, 4, 7 symbols的mini-slot傳輸。 UL Grant-free Transmission 由於LTE、NR的上下行傳輸為由基地台所排程，上行傳輸需由終端發起排程需求後待基地台排程資源(UL grant)才能傳輸，因此一般上行的延遲較下行大，而Rel.15 NR版本也支援了UL Grant-free的傳輸方式，以RRC信令配置固定周期的Configured grant，此種方式又可分為Type 1及Type 2。Configured grant Type 1中RRC會提供包括傳輸可用資源的週期以及開始啟用的時間資訊；Configured grant Type 2中RRC僅提供週期資訊，啟用/停用則是再由PDCCH控制。 圖、NR UL Grant-free Transmission   上述介紹為針對無線端低延遲傳輸的protocol設計，實際上設備能力也需加強以支援資料的快速處理，另外雖然ITU的延遲指標為僅針對無線端的延遲，實際上使用者感受的是包括後端的End-to-End延遲，因此在後端、核心網路等也需有相應的增強提升。    參考資料  [1] 3GPP TS 38.300 (Rel.15) 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; NR; NR and NG-RAN Overall Description; Stage 2. [2] Li, Zexian & Uusitalo, Mikko & Shariatmadari, Hamidreza & Singh, Bikramjit. (2018). 5G URLLC: Design Challenges and System Concepts. 1-6. 10.1109/ISWCS.2018.8491078. [3] “Ultra Reliable Low Latency Communication for 5G New Radio”, IEEE Workshop on 5G Technologies for Tactical and First Responder Networks, Rapeepat Ratasuk, Principal Research Specialist, Nokia Bell Labs, October 23rd , 2018.

3GPP於Rel.15版本制定了新的無線介面—New Radio (NR)，新的無線介面將能支援從1GHz以下的頻段到~60GHz的超高頻頻段，因此碼框的設計上與4G LTE相比有顯著的變化，並引入了參數集(Numerology)的設計，本篇對此做概括地介紹。          從4G LTE演進到5G NR，3GPP仍是採用了基於正交頻分多工技術(OFDM)的波形，而採用OFDM波形有一重點就是參數集(Numerology)的選用，參數集主要代表OFDM選用的子載波間距(Subcarrier Spacing, SCS)以及循環字首(Cyclic Prefix, CP)的配置。在LTE時由於主要為針對~3GHz頻率以下，室外宏基站的布建場景，主要採用15kHz SCS與4.7us的CP配置而並未強調這個參數集的配置。       由於NR設計上需支援從1GHz的低頻段到超高頻的毫米波頻段，在低頻段的運用上考量基地台的涵蓋範圍較大，須採用較低的子載波間距與較長的CP以應對較大的信號延遲擴展；在超高頻段則採用較大的子載波間距以應付較大的相位雜訊，同時在超高頻段上預期的涵蓋範圍較小，信號的延遲擴展較低頻段來的小。       因此Rel.15 NR設計上支援了不同的參數集配置，支援了15kHz, 30kHz, 60kHz, 120kHz及240kHz的子載波間距配置，不過240kHz僅支援於SS Block；而在CP的配置上主要採用Normal CP的配置，除了在60kHz SCS的配置上同時支援Normal CP與Extended CP的配置。       NR在碼框設計上延續了LTE的碼框設計，在傳輸上切分以10ms作為一個frame，並以1ms作為一個subframe，每個frame將會對應到一system frame number (SFN)。然而為支援不同的參數集配置，subframe內又可分成一個或數個slot，slot為一般排程的單位，在Normal CP的配置下一個slot包含14個OFDM symbol，因此slot的長度會隨著不同的子載波配置而有所不同，且為了能符合subframe的長度，在特定symbol的CP會稍做調整，如圖一所示。 圖一、參數集與碼框設計         為支援5G的各種應用以及各種頻率範圍，NR引入了參數集的設計，並採用延展性高的碼框設計，然而若採用不同參數集的混用時，子載波之間將無法維持正交性而產生干擾，將需再配置保護頻帶。   參考資料 [1] 3GPP TS 38.211 (Rel.15) 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; NR; Physical channels and modulation [2] Yazar, Ahmet & Pekoz, Berker & Arslan, Huseyin. (2018). Flexible Multi-Numerology Systems for 5G New Radio.

2020年台灣也將邁入5G時代，而綜觀目前全球已商用/試商用的5G網路中，不少電信業者採用了Option 3系列的非獨立組網架構，LTE-NR雙連結則為此架構下不可或缺的技術，本篇將針對LTE-NR雙連結技術作進一步解析。   在Option 3系列的非獨立組網(NSA, Non-Standalone architecture)架構下，將需仰賴"雙連結技術(DC, Dual Connectivity)"整合LTE與NR兩套不同的無線傳輸技術，其中LTE eNB將作為主節點MN(Master Node)，NR gNB作為次節點SN (Secondary Node)，因此可稱為LTE-NR雙連結技術(EN-DC, LTE-NR Dual Connectivity)。過去在3GPP Rel.12版本已發展了LTE雙連結技術，然而在Rel.15版本將此技術做強化延伸至LTE-NR雙連結技術。   ⦁ 資料分流乘載Split bearer技術延伸應用     為有效整合LTE eNB與NR gNB無線傳輸，過去於LTE DC中發展了MCG*註1(Master Cell Group)資料分流乘載(Split bearer)，在MCG split bearer中以主節點為資料分流點，並透過X2介面分流至次節點。然而在EN-DC下以主節點的LTE eNB作為分流點將會大幅增加LTE eNB端的處理能力需求，因此延伸發展了SCG(Secondary Cell Group)分流乘載，以作為次節點的NR gNB作為資料分流點。相關乘載方式如圖一所示。 圖一、EN-DC 用戶平面乘載方式(bearer type)   ⦁ LTE-NR無線資源控制(Radio resource control, RRC)獨立運作支援     在過去LTE DC，無線資源控制信令(RRC)為由主節點與用戶間傳送，而在LTE-NR DC下，NR端的無線資源控制信令也能夠支援直接由次節點傳送，此方式下主節點與次節點的無線資源量測控制能夠獨立運作；然而由於用戶無線資源控制的連結控制仍然是由主節點掌控，因此次節點並無法釋放RRC連結，或是使用戶切換至RRC閒置狀態。   ⦁ 控制平面的傳送分集支援     LTE-NR DC除了在用戶平面上支援資料的分流乘載外，也延伸支援對於信令無線電承載(SRB, Signaling Radio Bearer)的分流支援，可將主節點的無線資源控制信令複製於次節點傳送，可達到傳送分集的效果，增加控制平面的可靠度。   以Rel.12 LTE DC技術為基礎，3GPP於Rel.15版本將此技術進一步增強，使DC技術得以延伸支援不同無線電技術之間的整合，更能活用於各種5G布建場景。   註1：在LTE-NR雙連結架構下，LTE端及NR端各自能以載波技術(CA)串聯，因此MCG(Master Cell Group)指的是多個與主節點相關的細胞，SCG(Secondary Cell Group)則為多個與次節點相關的細胞。   參考資料： [1] 3GPP TS 37.340 (Rel.15) 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and NR; Multi-connectivity; Stage 2 [2] “5G Radio Access Network Standardization Trend”, NTT Docomo Technical Journal Vol.19 [3] Yilmaz, Osman & Teyeb, Oumer & Orsino, Antonino. (2019). Overview of LTE-NR Dual Connectivity. IEEE Communications Magazine. PP. 1-7. 10.1109/MCOM.2019.1800431.