作者：蔡宜學/廖書漢/楊豐銘

全球5G技術研發與標準討論越來越熱絡，其中扮演火車頭角色的兩大組織--國際電信聯盟(ITU)與第三代合作伙伴計劃(3GPP)，近期更密集召開臨時會議，并確認5G標準將朝向增強型行動寬帶、大量機器通訊及高可靠低延遲通訊等三大方向發展。

長期演進技術的未來發展是目前全球電信營運商及通訊大廠積極布局的重要項目。國際通訊聯盟(ITU)將規畫于2020年訂定第五代(5G)全球無線行動寬帶通訊規范IMT-2020相關文件。在2014年11月17日至21日于美國舊金山舉行的第三代合作伙伴計劃(3GPP)服務需求工作組(SA1-Service)的國際標準會議中，便決定于2015年2月舉行的3GPP服務工作組會議提出第十四版本(Release-14)的標準工作項目，將決定5G的需求規范。

5G三大發展方向底定
緊接著在2015年2月2日至12日于中國三亞市舉行的一次3GPP服務需求工作組的國際標準會議中，正式通過由英國電信營運商沃達豐(Vodafone)主導之SMARTER工作項目，其用以探討并決定5G的需求規范。

在同年3月9日至13日于中國上海舉行的3GPP國際標準會議中，由無線擷取網絡工作技術規范組(Technical Specification Group-Radio Access Network, TSG RAN)主席Dino Flore提出該工作技術規范組之5G的討論時程。

值得注意的是，在2015年9月17日至18日于美國鳳凰城舉行的3GPP第五代全球無線行動寬帶通訊工作會議(Workshop on 5G)中，來自全球各地行動通訊大廠的代表均熱烈參與技術提案以及討論，會中決議次世代無線擷取技術(Next Generation Radio Technology)將會朝向增強型行動寬帶(Enhanced Mobile Broadband)、大量型機械式通訊(Massive Machine Type Communications)，以及高可靠低延遲式通訊(Ultra-reliable and Low Latency Communications)等三大方向發展。

在同年10月19日至21日于加拿大溫哥華舉行的3GPP服務需求工作組國際標準會議中，也達成決議將SMARTER工作項目分割為四個子工作項目，分別為增強型行動寬帶、大量型物聯網(Massive Internet of Things)、緊急型機械式通訊(Critical Machine Communications)以及網絡運行(Network Operation)；其中除了網絡運行屬于核心網絡相關的通訊技術外，其余皆與無線擷取網絡工作技術規范組所決議的三大方向發展相呼應。

同時在2015年10月19日至23日于中國成都舉行的3GPP網絡架構工作組(SA2)國際標準會議中，通過由中國移動與諾基亞(Nokia Networks)共同主導之NexGen(Study on Architecture for Next Generation System)工作項目，用以探討并決定5G的網絡架構。

緊接著同年12月8日至12日在西班牙巴塞隆納錫切斯舉行的第三代合作伙伴計劃國際標準會議中，通過由中國移動與NTT DoCoMo共同主導之Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies工作項目，用以探討并決定5G的網絡截取技術使用情境與需求規范。

為了趕上IMT-2020的制定時程，加速第五代全球無線行動寬帶痛訊發展，于2016年1月28、29兩日在西班牙巴塞隆召開無線擷取網絡工作技術規范組臨時會議(TSG RAN ad-hoc meeting)，全力討論并訂定無線擷取網絡工作技術之使用情境與需求規范之草案。

國際電信標準組織協力　ITU/3GPP催生5G
ITU根據1992年日內瓦會議所制訂的協議和章程，扮演提供會議和論壇的角色，使ITU的成員可以在技術領域、發展領域或者電訊政策等各方面互相切磋，共同促進電信建設，以及合理使用各種電信措施。

在ITU當中，每個領域的部門都有自己的管理組織，透過各部門的管理組織，執行該部門的活動和策略，達成該部門所設定的任務目標。在全球化的背景下和世界電訊市場自由化的潮流下，促成ITU的組織重整分成三個主要領域的架構如下：

一、國際通訊聯盟電信標準部門(ITU Telecommunication Standardization Sector, ITU-T)的任務是著重于電信技術標準的層面，此一部門藉由研究技術標準、技術標準的運作和關稅問題，以及采取相關建議的方式，規畫ITU的電信標準化事宜。

二、國際通訊聯盟無線通信部門(ITU Telecommunication Standardization Sector, ITU-R)的主要任務在于確保所有無線通信業者，包括使用衛星通訊系統的業者，能以合理適當有效率且符合經濟效益的方式使用無線電頻譜。同時，此一部門也從事和無線電通訊相關的研究并提出建議。

三、國際通訊聯盟電信發展部門(ITU Telecommunication Development Sector, ITU-D)的任務包括促使ITU成為聯合國下轄的專業機構，并且在聯合國的發展體制下負責執行各種有關計劃。同時，電信發展部門也致力于推動技術合作和援助活動，以提升電信之發展，或者促使電信活動易于發展。

3GPP是一個成立于1998年12月的國際標準化組織機構。由五大區域之六個主要的成員組成，包括歐洲電訊通訊標準化機構(European Telecommunications Standards Institute, ETSI)、日本的電波產業會(Association of Radio Industries and Businesses, ARIB)和情報通訊技術委員會(Telecommunication Technology Committee, TTC)、中國通訊標準化協會(China Communications Standards Association, CCSA)、韓國情報通訊技術協會(Telecommunications Technology Association, TTA)和北美的電訊通訊產業解決方案聯盟(Alliance for Telecommunications Industry Solutions, ATIS)。而在2015年1月1日，印度電信標準化發展協會(Telecommunications Standards Development Society of India, TSDSI)正式成為3GPP的主要的成員(如圖1所示)，致力于制定電信產品并滿足區域通訊標準服務的需求，同時促進國際通訊標準服務間的互操作性。

圖1　國際標準化組織機構與3GPP的關聯性 圖片來源：3GPP

歐美亞電信商積極投入5G研發
由Vodafone主導之5G的需求規范工作項目SMARTER，其全名為New study item on New Services and Markets Technology Enablers。該工作項目將根據5G研究單位之報告來選取對應之技術項目。

其最終目標是發展高階的使用情境，并確認對應之高階的潛在需求規范，以提供3GPP電信營運商新型態的電信服務以滿足市場需要。選取第五代無線寬帶通訊技術項目的分析過程也須考慮既有的3GPP系統的服務和需求，包括發展向下兼容的機制。

2015年2月2日至12日于中國三亞市舉行的3GPP服務需求工作組的國際標準會議中，正式通過用以探討并決定5G的需求規范之SMARTER工作項目。為加速該工作項目的研究進度已先行于同年3月27日舉行一場在線討論會決定提案的形式。

緊接著在同年4月13日至17日于墨西哥洛斯卡波斯舉行的服務需求工作組的國際標準會議中，開始正式討論相關5G的服務需求提案。
之后在2015年8月17日至21日于塞爾維亞貝爾格萊德舉行的需求工作組的國際標準會議中，匯集電信大廠提出多達五十余件的系統服務使用情境及需求。

同年9月17日至18日在美國鳳凰城舉行的5G工作會議(Workshop on 5G)中，決議次世代無線擷取技術將朝向增強型行動寬帶、巨量機械式通訊以及高可靠低延遲式通訊三大方向發展(如圖2所示)。

圖2　次世代IMT系統的能力規范 圖片來源：3GPP

在2015年10月13日至17日于加拿大溫哥華加開一場服務需求工作組的臨時會議中，增加了十余件系統服務使用情境及需求，并決議將所匯集到的使用情境與需求規范進一步分成四個子研究項目來分析(如表1所示)，分別為增強型行動寬帶、巨量物聯網、緊急通訊以及網絡運作。緊接著同年11月16日至20日在美國安納罕舉行的服務需求工作組的國際標準會議中，將原先在SMARTER中的七十二件系統服務使用情境及需求分類匯整至四個子研究項目，并產出TR 22.891 v1.2.0的技術報告草案。

5G新技術崛起　網絡切片量身訂制網絡
隨著新形態通訊市場的垂直區段細分，3GPP須提供多樣化的使用情境。其中網絡切片(Network Slicing)是一項全新的網絡及服務模式，能量身訂制網絡、云端及管理服務，滿足消費者及企業多項服務的客制化需求。

預計新用途的使用情境將滿足新一代各式各樣的網絡需求。例如將有對應于不同功能的網絡需求，如網絡收費、策略管理、網絡安全與裝置移動性等。

如行動寬帶的使用情境，可能需要如依據應用層收費和依據應用層策略控制，而其他使用情況可使用簡單網絡收費或策略管理來提升效率。且不同使用情境的網絡需求也將有巨大的差異。

為了有效的處理大量垂直細分的網絡服務模式，有必要將不同的服務模式彼此隔離。

例如，當發生大量電表之網絡行為都不正常之場景下，對于行動寬帶的用戶或與健康和安全相關的應用程序都不應產生負面的影響。

此外，支持新的垂直細分還須有獨立區段管理，及針對每個垂直區段的需要提供分析和服務的功能。

圖3提供一個高層次概念的示意圖。網絡切片主要針對核心網絡作分割，但為支持多個切片或不同網絡切片資源分割，可能須針對特定的功能進行物理層的設計。

圖3　支持網絡切片服務模式的使用情境 圖片來源：3GPP TR 22.891 v1.2.0

潛在服務需求規范：
一、3GPP須允許網絡營運商提供網絡切片的網絡服務模式，即獨立的網絡功能和參數設定以搭配多個企業或虛擬網絡營運商等。
二、網絡營運商應能動態切割網絡，以滿足不同多樣的使用情境。網絡營運商應能識別某些終端或一群終端與用戶組是對應關聯到一個特定的網絡切片。
三、3GPP應能使用戶設備基于訂閱之服務或終端之類型，從一個特定的網絡切片獲得服務。

潛在營運需求規范：
一、營運商應當能針對不同市場或服務，建立和管理符合要求標準的網絡切片。
二、3GPP應能隔離操作不同的網絡切片，并防止在一個切片中的數據通訊對其他切片服務產生負面影響。
三、網絡營運商應能授權第三方在容許內透過適當的應用程序編程接口(API)來管理網絡切片之設定。
以下將介紹網絡切片的使用情境，以及如何實現網絡虛擬化？

．支持大量的設備聯機
在未來物聯網成長的速度相信會大過一般的行動網絡，因此在基地臺端必須要能夠承載相當大量的終端設備，在后端的核心網絡必須要能夠同時應付許多的終端連結，所以在排程設計上也會是一個挑戰。

在3GPP標準，對于UE能夠支持的傳輸等級稱作UE-Category，在R11以前分為1~10共10個等級，其中Cat.1-5為R8所定義，Cat.6-8為R10定義，Cat.9-10為R11定義，而在R12時，為了因應MTC所要的需求，更低的傳輸速率及更低的功耗，因此又再新增Cat.0的等級，相關的速率及配置如表1所示，Cat.0及Cat.1都是能夠支持MTC的配置，對于將來行動穿戴裝置或智能家電等都是其可應用的范圍，而在R13版本的Cat.M或NB-IoT(Narrow Band–Internet of things)，更是降低其傳輸的數據上限及帶寬，目的就是為了要再降低設備成本及功耗。

對于降低終端設備成本，在LTE中提出幾項方法，其中一個是半雙工(Half Duplex)的設計，在MTC的環境中，不需要這么高的傳輸速度，因此可以使用半雙工的方式來減少設備的成本，在半雙工的使用上只需要多一個切換器去改變發送或接收的模式，比起全雙工(Full Duplex)所需的組件，使用半雙工的成本更為低廉，并且也能夠降低電力的消耗，無疑是在MTC需求下有效降低成本的方法。

半雙工模式在3GPP R8時就有定義，而在R12時對于半雙工分別列出type A 與type B兩種類型，其中Type B為專為Cat.0所用，如表2所示，其兩種差別在于type A下，UE在發送上行訊號時，其前面一個子訊框(Subframe)的下行訊號中最后一個符元(Symbol)不接收，用來作為保護區間(Guard Period, GP)，而在type B下，UE在發送上行訊號時，其前面的子訊框與后面的子訊框都不接收下行訊號，使得保護區間加長，對于設備的要求更加得降低，并且也使訊號的可靠度上升。

另外可以注意到的一個新技術為NB-IoT，NB-IoT為R13所提出的標準，其目的是朝向一個更低復雜度和低吞吐量所設計的新無線接入系統，來解決蜂巢式物聯網(Cellular IoT)的需求，其下行訊號使用NB-OFDMA系統(圖3)，上行使用FDMA的接入系統，在NB-OFDMA下，使用72個帶寬為2.5KHz的子載波(Subcarrier)傳輸，使頻譜有更高的使用效率，并在同一個蜂巢網絡允許大量的設備同時使用，提供更廣的覆蓋范圍，其能夠使用在一個LTE的資源區塊(Resource Block, RB)內(180kHz帶寬)，或者是在沒有使用到之RB旁的保護區間(GP)，亦或是使用獨立出來的一個專用頻譜，而在上行使用的是FDMA的系統搭配GMSK(Gaussian-shaped Minimum Shift Keying)或者是PSK(Phase Shift Keying)的調變，其可以提高頻譜的使用效益，并且降低組件的復雜度，可以發現NB-IoT為一個不同以往LTE系統的一種新設計規格，可說是為了物聯網而獨立出來的一個系統。

圖3　NB-OFDMA頻譜

在Cat.1及Cat.0或更低的UE等級中，其最大傳輸速度也限制在1Mbps以下，并且只支持一根天線，目的也是減少組件成本及不使用過于復雜的算法。

而在延長使用電力方面，在3GPP R12標準中定義一種電力節省模式(Power Saving Mode, PSM)，PSM為一種特殊的終端狀態，可以最小化電力的消耗，一般認為比空閑模式(Idle Mode)下更省電，終端在PSM下，可以決定要多長的時間去啟動傳送或接收數據，終端就不用維持在開機狀態，相當于休眠的模式，因此終端的電力使用便獲得大幅的降低，無疑是對物聯網終端的一項重要技術。

若UE支持PSM，在Attach或TAU(Tracking Area Update)的程序中時，會向網絡申請一個啟動定時器(Active Timer)，這個定時器決定UE要保持多久時間去監聽傳呼(Paging)訊號，當超過定時器的時間，UE便會進入省電模式，在此期間不再監聽呼叫訊號，近似于關機的狀態，但UE還是注冊在網絡中，因此不需要重新鏈接或建立數據封包網絡(Packet Data Network, PDN)的聯機，直到UE要再對外傳送數據，或者TAU的周期到了，才會回復到聯機的狀態，于表3可以看到若是TAU周期為1小時，而1個星期發送一次資料，兩個2A電池可以使用超過136個月，相當于11年左右。

而在R13標準，也定義改進非連續接收模式(Enhanced Discontinuous Reception, eDRX)，其為延長原本DRX的時間，使UE在DRX的次數及頻率上可以減少，以達到更省電的目的，但UE在進行長時間的DRX周期后，本身的定時器可能會發生不準確的情況，就會讓UE與核心網絡之間發生不同步的情況，因此基地臺必須時常與UE進行同步，而在UE離開eDRX模式時，也要發出多筆傳呼訊號，讓UE在時間不同時依舊可以收到傳呼訊號(圖4)。

圖4　PSM與eDRX示意圖

在提升覆蓋率的部分，3GPP于R13版本中，定義其能夠提高15至20dB的覆蓋率，主要使用提高數據及參考訊號的能量、錯誤重傳及降低系統性能的要求等，在基地臺發送訊號給MTC終端時，透過提高發送的能量(Power Boosting)，使終端在更遠處或被遮蔽時依舊能夠收到訊號，或者是給定一個功率水平，但將其集中發送在某一帶寬，以提高其功率頻譜密度(PSD Boosting)，而要使用提高功率或提高PSD取決于所考慮的信道或信號上，由于不需要過高的性能表現，因此在傳送資料時可以考慮更低的調變指數，如BPSK，以及使用更短的CRC，而在MTC架構下的UE，也可以透過組合的PSS和SSS多次累積能量，來做同步訊號的處理，雖然會增加同步處理的時間，但卻可以使接收范圍更廣，而在基地臺接收PRACH的部分，可以透過降低其門坎值(Threshold)和提高誤警率(False Alarm Rate)來使UE更容易與基地臺聯機，進而改善系統覆蓋率。
而要應付大量的終端聯機，核心網絡的排程設計也相當重要，其主要透過幾項來使核心網絡更符合物聯網的要求，一為使用容忍高延遲的通訊(High Latency Communications)在一般行動通訊，為了達到高傳輸速度及效能，對于其傳輸延遲有相當高的要求，但在MTC通訊中，僅限于低數據量傳輸，因此能夠容忍更高的傳輸延遲，這里面就必須在核心網絡中各項協議中去作調整，另外可能也會有專為MTC架構所設計的MME(Mobility Management Entity)系統，在核心網絡中能夠承載更多的終端設備。

5G通訊的雙面發展
在未來萬物聯網的時代，終端連上網絡的數目相信是比現在要大上好幾倍，從前的無線通信總是追求要更大的傳輸帶寬與更快的數據傳輸，但在未來卻可能是要更低的傳輸速度，更低的電力消耗，更簡易的硬件設計，在將來5G的行動通訊，一方面勢必會提高傳輸效能，透過如LAA或Massive MIMO等技術，以達到5G所期望超過10Gbps的傳輸需求，使用戶能夠使用到更高質量的數字行動通訊服務。

另一方面，也為了要使智慧終端應用能夠廣泛實現，在MTC這塊的發展也為將來5G通訊不可或缺的技術，在目前已經看見諸多標準陸續在制定，都是為了以后物聯網的需求，而在芯片商，也積極在推出LTE MTC規格的Cat.0或Cat.1，可望利用其低成本、低功耗、小尺寸等優勢，進攻物聯網的市場，而在R13版本提出更低復雜度及更省電的Cat.M及NB-IoT類型，期望也在不久的將來也能夠商品化，使LTE能夠搶進物聯網市場。