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產業技術評析

5G行動通訊技術發展探討
發表日期:2017-11-01
作者:陳梅鈴(工研院IEK)
摘要:
目前5G行動通訊技術主要以滿足三大使用情境為發展重點,分別為增強型行動寬頻服務、巨量多機器型態通訊、超高可靠度和超低延遲通訊。

全文:

一、5G應用需求方向與標準制定規劃
 

ITU-R將5G系統正式命名為IMT-2020,並設定IMT-2020使用情境主要可分為增強型行動寬頻服務(eMBB;Enhanced Mobile Broadband)、巨量多機器型態通訊(mMTC;Massive Machine Type Communications)、超高可靠度和超低延遲通訊(URLLC;Ultra-reliable and Low-latency Communications)三大方向,其中增強型行動寬頻涵蓋多種不同服務應用案例(如AR/VR、UHD/Hologram、高移動性等),對於網路系統需求將著重在高傳輸速率、高密度、廣域覆蓋率、高移動性、多種高傳輸速率終端、固定移動融合網路、小型基地台布建等;巨量多機器型態通訊以滿足大量的終端(例如感測器、穿戴式裝置)使用案例為主,特別著重在新型態垂直服務,例如智慧家庭、智慧城市、智慧節能、智慧醫療、智慧穿戴、庫存管理;超高可靠度和超低延遲通訊著重領域如商業控制應用、感知網路、無人機/機器人等,以改善延遲性、可靠性、持續性為主,可藉由改善無線網路介面、優化網路架構、專用的核心網路和接取網路來達成。
 

在5G標準制定規劃時程上,3GPP已於2017年第一季完成5G NR(New Radio)研究項目(Study Item),目前正式進入5G NR工作項目(Work Item)階段,在各大業者同意加速標準時程的制定下,預計2017年12月完成eMBB Non-Standalone 5G NR空中介面(Air Interface)標準制訂,工作項目包括確認Non-Standalone與Standalone eMBB的共通性、兼容性,以及界定NR頻段(和LTE相關頻段的組合)的優先性。Standalone 5G NR和5G核心網路標準則預計2018年6月完成,預計2019年可以先支援大規模的Non-Standalone 5G NR試驗和布建。
 

二、5G行動通訊技術範疇
 

5G技術範疇主要可分為九個面向進行說明,分別為增強空中介面技術(radio interface)、網路層技術、增強型行動寬頻情境的技術、增強型大量機器型態通訊的技術、增強型超高可靠度/低延遲通訊的技術、改善網路能源效率的技術、終端技術、強化隱私和安全性的技術以及提高速率的技術。
 

(一)增強空中介面技術:相關技術包括Filtered OFDM(FOFDM)、Filter Bank Multi-Carrier Modulation(FBMC)、Pattern Division Multiple Access(PDMA)、Sparse Code Multiple Access(SCMA)、Interleave Division Multiple Access(IDMA)、Low Density Spreading(LDS);前瞻天線技術(如3D-beamforming、AAS/Active Antenna System、Massive MIMO、Network MIMO);TDD-FDD協作等。
 

(二)網路層技術:未來的IMT系統需要更彈性的網路,例如SDN、NFV的網路架構可以讓各節點的處理過程最佳化,並改善網路操作效率。另外還包括集中化、合作式系統,例如C-RAN。而無線接取網路架構也需要支援基地台之間的協調排程,相關技術如SON(Self Organizing Network)。
 

(三)增強型行動寬頻情境的技術:相關的技術包括以中繼技術為基礎的多重跳接式網路,其可以有效增強各節點用戶的服務品質;透過建置Smallcell改善用戶的服務品質;強化適應性媒體串流標準(Dynamic Adaptive Streaming over HTTP)可以改善用戶者的體驗,也可以因應更多的影音串流需求;eMBMS(Evolved Multimedia Broadcast and Multicast Service)可以節省頻寬資源、改善頻譜效率;IMT系統和WLAN間的協調,可以將流量從行動網路卸載到非授權頻譜的網路。
 

(四)增強型大量機器型態通訊的技術:未來的IMT系統必須要能連接上大量的M2M終端,且必須持續朝向低成本、低複雜度終端型態、高覆蓋範圍精進。
 

(五)增強型超高可靠度/低延遲通訊的技術:為了達到超低延遲性,資料層和控制層需要明顯的強化(如透過SDN、NFV等技術讓資料層和控制層能彼此溝通);空中介面和網路架構也需要新的技術解決方案(如cyclic pre-fix based OFDM/OFDMA、UFMC(Universal Filtered Multi Carrier)、FBMC、GFDM(Generalized Frequency Division Multiplexing)、SC-FDM/SC-FDMA(Single-carrier Frequency-Division Multiple)等,未來相關的服務如智慧醫療、無線工業自動化、AR等都需要超高可靠度的技術。
 

(六)改善網路能源效率的技術:能源的耗用主要和通訊協定(protocol)相關,可藉由降低RF傳輸功耗、節省電路電源來改善網路能源效率;藉由資源管理來分配不同使用者的流量,如不連續傳輸(DTX/discontinuous transmission)、基地台和天線的雜訊降低(base station and antenna muting)、多接取技術(如3G、4G、WiFi等)間的網路流量調節。
 

(七)終端技術:行動終端將變得更人性化,可做為個人辦公室、娛樂等多用途,晶片、電池、顯示器都會有更精進的突破,且可以同時連上一個或多個網路覆蓋範圍下的基地台。
 

(八)強化隱私和安全性的技術:強大且安全的解決方案,以因應新通訊技術、新服務等所帶來的安全和隱私問題。
 

(九)提高速率的技術:主要是為了達到更高的速率、改善網路容量,其中與頻譜相關的主要技術包括載波聚合(Carrier Aggregation)、使用高頻段技術(mmWave);與實體層相關的技術包括提升頻譜效率,如更進一步的實體層技術(調變技術如FOFDM、編碼技術如疊加式編碼)、更進一步的空間處理(Spatial Processing)(如network MIMO、Massive MIMO,將天線數量提高到16根以上)。
 

三、領導廠商5G行動通訊技術布局重點
 

電信業者在5G NR網路試驗上,南韓SK Telecom、KT、日本NTT DoCoMo、KDDI、中國移動、美國Verizon、AT&T等皆計畫2017~2020年間進行5G NR試驗,其中中國移動更明確訂出各個工作時間點,預計2017年啟動5G外場試驗,2018年啟動5G網絡預商用試驗,2019年進行商用化規模試驗,力爭2020年實現5G網路規模商用。
 

在晶片廠商發展上,Qualcomm在2016年底推出了5G NR Prototype,主要由Qualcomm的Snapdragon X50 5G Modem、PMX50 PMIC、SDR051收發器晶片、LTE Modem的Snapdragon SoC所組成,其中X50 5G Modem僅支援28GHz mmWave;Intel 於2017年第二季推出同時整合6HGz以下和28GHz頻段的高低頻整合5G數據機晶片樣品(Goldridge),支援關鍵5G NR技術功能,包括低延遲訊框結構、先進頻道編碼、大規模陣列天線MIMO與波束成型(Beam Forming)。
 

在5G基地台發展上,2016年底Ericsson、華為已搶先推出5G NR基地台,Ericsson更於2017年初推出新款5G NR基地台,從原有的低頻擴展至支援中高頻,並宣布將與Qualcomm、NTT DoCoMo、Vodafone、Telstra Australia等公司合作展開最新的5G NR標準測試。中興通訊也在2017年初發布5G高低頻全系列預商用基地台,支持3GPP 5G NR新空中介面、5G主流頻段(包括15GHz、28GHz、60GHz等多個頻段),並採用Massive MIMO、波束追蹤(Beam Tracking)、波束成型等5G關鍵技術。
 

四、結論
 

目前5G行動通訊技術主要以滿足三大使用情境為發展重點,分別為增強型行動寬頻服務、巨量多機器型態通訊、超高可靠度和超低延遲通訊。在標準制定上,3GPP先針對增強型行動寬頻服務進行技術標準制定,預計2017年底完成eMBB Non-Standalone 5G NR空中介面標準制訂,讓服務提供商可以在2019年建置大規模的Non-Standalone 5G NR網路,加速5G商用網路於2019年實現。
 

從5G技術發展方向來看,主要可歸納為三大重點發展項目,第一、以新興無線接取技術達到5G的高傳輸、高容量、大頻寬的技術需求,例如多天線技術(Massive MIMO)、高頻技術(mmWave)、超高密度網路(UDN)、頻譜分享技術等。第二、滿足物聯網應用時代,對於巨量裝置的大連結需求,且能夠達到關鍵性任務的控制及自動化,主要發展技術如機器型態通訊(MTC;Machine Type Communication)、終端到終端(D2D;Device to Device)、低功耗裝置設計、高可靠度之通訊技術。第三、透過網路虛擬化技術如C-RAN、SDN、NFV以及網路自動化技術(如SON)等提升整體網路性能,以達到網路效能優化,並透過提高網路資源分配效益,增進網路傳輸速率、可擴充性及降低能源使用。
 

基於5G技術發展方向和我國產業發展現況來看,在擁有良好IC製造及IC設計能量基礎下,我國廠商持續布局5G智慧型手機、Smallcell、物聯網/車聯網等關鍵晶片將占有優勢。在天線技術上,我國天線廠商多以提供給終端產品居多、局端設備較少,但在具備天線技術能量下,微小化天線模組將為我國天線業者爭取5G商機所在。在通訊IT化技術上,由於各家電信業者發展應用服務的方向各有不同,如何為電信業者打造一個彈性化的網路架構,將是我國資通訊廠商未來發展的重要課題。
 

(本文作者為工研院IEK執行產業技術前瞻研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2020-04-08

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