對5G世界來說，今年是讓人非常振奮的時刻，除了Release 16標準和後續階段的5G新空中介面（5G NR）應用得以拓展至許多新產業，3GPP宣佈完成了獨立組網（SA）的5G新空中介面（5G NR）規範。加上去年12月完成的非獨立組網（NSA）的5G 新空中介面規範這個意義重大的里程碑，象徵著我們向2019年5G商轉的目標又跨進一步。
獨立組網規格除了支援5G NR獨立部署並與新設5G核心網路並存，更促成各種全新端對端網路功能，包括從網路切片（network slicing）到支援細分度更高的服務品質（QoS）。這些網路功能對於實現新商業模式至關重要。
藉由5G NR提供獨立組網部署選項後，包括電信營運商、行動裝置製造商、以及app開發者都迫切想獲得更多資訊，包括：
- 5G NR的獨立組網行動寬頻平台在真實世界的表現如何?
- 5G NR的獨立組網下的使用者經驗和非獨立組網有何差別?
- 獨立組網模式對5G NR與LTE TDD網路的容量有何助益?
今年高通在上海世界行動通訊大會（Mobile World Congress Shanghai）上發表了新的5G NR網路容量與使用者經驗模擬。這項模擬研究是在東京進行，採用的基礎是5個月之前發表的初始平台，除了讓外界更了解5G NR的獨立組網部署資訊外，同時提供量化分析數據以預估真實世界中運作效能，以及5G與Gigabit LTE裝置在新的獨立組網模式部署模式下的運行所提供的用戶體驗。
模擬結果詳述如下：
東京5G NR sub-6 GHz 網路—下載模擬
不同於高通先前在法蘭克福與舊金山進行的模擬，此次針對東京建構的模型是一個獨立組網模式5G NR網路（如下圖1所示），使用20個現有大型基地台，新設置的5G NR基地台和現有LTE基地台共同併行。東京5G NR網路在3.5 GHz 頻譜的100MHz頻段上運行，底層的Gigabit LTE TDD網路則使用3個分散的LTE頻段（3x20MHz）。在模擬基地台與裝置之間的訊號傳播方面，是根據東京的高解析度3D地圖建構模型，藉以精準模擬路徑損耗、遮蔽效應、繞射、建築物穿透損耗以及干擾等狀況。
此外，模型也計算射頻能力，精準呈現真實世界的效能，像是5G NR的大規模多重輸入多重輸出能力（massive MIMO capability），在LTE TDD網路上以4x4 MIMO模式同時使用256個天線陣列傳送訊號。
各式各樣多元的流量模型也被運用來模擬各種常見的使用者經驗—包括瀏覽、下載、以及串流傳輸—混用各種不同功能的裝置。
圖1: 東京獨立組網模式5G NR sub-6 GHz 網路下載容量模擬結果
這個模擬環境中含有超過1.2萬個活躍使用者裝置，各自擁有不同的功能，隨機散佈在網路各處，室內與戶外的使用者比例大約各50%。這項模擬研究顯示下載容量方面的變化：從僅在LTE TDD網路中運行各種不同功能的LTE裝置，轉換到在獨立組網模式下的5G NR網路中運行多重模式5G NR裝置，並增加各種先進Gigabit LTE裝置混用，其下載容量增加將近5倍。另一項頗具說服力的效益，則是頻譜效率中位數提高3倍。
此外，模擬平台也透過各項關鍵績效指標（KPI）讓外界瞭解在各種不同流量模式下的用戶體驗，包括瀏覽（像是尖峰時段的流量、網頁、社群網路訊息推播）；從雲端儲存服務下載3GB的HD電影；以及可調適位元率的360度環景影片串流（8K解析度，120 fps畫面更新率）。
圖2顯示在東京網路運行的5G NR裝置。這個裝置達到下載資料率為357 Mbps，在8K解析度/120 fps視訊位元率下播放影片效率達到100%，右邊顯示的是位元率分佈圖。圖2亦顯示在模擬平台中運行裝置的各項KPI，包括資料傳輸率、訊號品質、頻譜效率、MIMO排行、以及頻段數/頻寬。
圖2: 獨立組網模式下5G NR sub-6 GHz 視訊串流體驗與關鍵績效指標
此外，模擬平台也可讓我們在不同訊號品質下比較各種裝置在網路中的流量模式：包括第10個百分位（細胞邊緣/嚴苛的訊號條件）、第50個百分位（中間使用者）或第90個百分位（理想訊號條件）。
以下總結關鍵發現：
- 瀏覽下載速度增加3倍 — 4G LTE使用者中位數的102 Mbps對比5G NR使用者的333Mbps（如圖3所示）
- 反應速度加快約3倍，瀏覽下載延遲的中位數從48ms下降到14ms（如圖3所示）。
- 使用者在嚴苛訊號條件下，享受到的檔案下載速度約加快4倍。90%的5G使用者享受到131 Mbps，對比LTE網路的32Mbps（如圖3所示）。
- 第10個百分位的串流影片品質，LTE使用者的480/30 FPS/8-bit色彩深度，提高到5G使用者的8K/120 FPS/10-bit以上色彩深度（如圖3所示）。
圖3: Cat 9 與5G NR 用戶體驗的比較
這些發現證明5G的目標不光是提供更高的資料傳輸率，還要在各種細胞邊緣情境發揮一致的效能，藉此為各種新應用與使用情境開路。
最後，模擬平台提供系統覆蓋的比較，包括各種裝置類別在特定流量類型下的運行狀況。以下圖4顯示整體效能的量測數據：
- 5G NR帶來最巨大的影響是提供數千兆位元（multi-gigabit）速度的傳輸、低延遲、一致的效能以及增加傳輸容量。
- Gigabits LTE的重要性在於提供高速覆蓋層，確保在跨出5G NR覆蓋區域時仍能有良好的用戶體驗。
圖4: 東京網路模擬的KPI 指標 – 突發流量模式- 第90個百分位的裝置排名
東京5G NR sub-6 GHz 網路— 上傳模擬
各界對5G速度探討甚多，但幾乎都在討論下載速度，以及下載速度如何提升與造就各種新體驗，極少談到上傳的速度與能力。事實上，上傳和下載一樣重要，因為app開發者也需要預估5G網路能提供何種上傳效能，才能著手規劃新一代應用程式，或改善既有的版本。
因此，高通在5G NR網路能力與用戶體驗平台中加入首次開放的細部模擬上傳，透過所提供的量化分析數據，讓外界能預估真實世界上傳效能，以及在TDD頻譜上運行5G NR與Gigabit LTE裝置所呈現的用戶體驗，包括在4G/5G NR網路上運行獨立組網多重模式下的運行狀況。
如圖5所示，模擬研究顯示，5G NR網路的上傳容量將比僅在LTE網路中混用各種不同功能的LTE裝置中提高近3倍。
圖5: 東京SA 5G NR sub-6 GHz 網路上傳容量模擬結果
圖6 顯示的例子是一個5G NR裝置，其流量模式是將一份PowerPoint簡報檔上傳到雲端。該裝置達到的上傳速度為78 Mbps，在30秒內完成傳輸。圖中還顯示多項裝置層級的KPI，包括訊號品質、頻譜效率、MIMO排行、以及頻段數量/頻寬。
圖6: SA 5G NR sub-6 GHz 網路中檔案上傳經驗與各項KPI
另一項重要的用戶體驗實例為直播影片播放。直播影片的品質端賴於上傳品質，如今有眾多社群媒體平台納入直播功能，使用者對直播服務的興趣也快速攀升。圖7顯示是一般LTE UL CAT 13 使用者與5G NR網路使用者的質播影片比較。在模擬中，5G使用者直播影片可達到4K畫質，不會因封包丟失導致影片畫質減損，而CAT 13 LTE則沒有足夠的頻寬直播超過240p以上品質的視訊，而且時常因封包丟失導致直播畫面中斷。
圖7: SA 5G NR sub-6 GHz 網路對比UL CAT 13 直播影片
實現5G承諾: 從模擬到現實
高通這次的5G網路容量與用戶體驗模擬展現了5G網路的強大潛力，讓各界藉此機會瞭解未來真實世界的預期效能，以及在TDD頻譜上5G與Gigabit LTE網路帶來的用戶體驗，包括在各種新獨立模式下運行的網路。這些發現還提供量化數據，反映5G NR在下載與上傳的實際能力，協助各界根據這些結果規劃各種新服務與經驗。
除了此次模擬，高通也計畫在2018下半年進行多項大規模試營運，將和各家OEM廠商、基礎設施業者及營運商聯合運用Qualcomm Snapdragon X50 5G 數據機進行測試，並預備在2019上半年推出第一波5G消費裝置。
※資料來源：高通OnQ部落格
