二十幾家各國運營商的技術長在2014年制定第五代(5G)行動通訊的下世代行動網路(Next Generation Mobile Networks, NGMN)會議上，針對第五代行動通訊世代點對點需求，討論以運營商觀點預計提供未來推行的行動通訊服務，並在2015年3月正式發表NGMN的第五代行動通訊白皮書。在白皮書中提到第五代行動通訊主要需要滿足情境如圖1所示。
第五代行動通訊白皮書對於在密集地區的寬頻連接(Broadband Access in Dense Areas)服務，主要必須能讓各處都能享有寬頻上網，包含：達到使用者在生活中能便利且快速地使用影音功能應用(Pervasive Video)、提供所有元件都能相連溝通的智慧辦公室(Smart Office)、方便運營商提供各類快速的雲端服務應用(Operator Cloud Services)、在密集使用或臨時使用地區可提供影音和圖片分享的功能。
第五代行動通訊來臨 NGMN規範應運而生
而寬頻連接(Broadband Access Everywhere)的服務，須達到至少50Mbit/s起跳的速率，以及能提供低成本的網路布建(Ultra-low Cost Networks)以便在各處擴展新的商業運營模式；提供使用者高速移動(Higher User Mobility)的功能，讓使用者即便處在移動的物體中，如快速移動的高鐵、車輛等交通工具(Remote Computing)、移動式熱點(Moving Hot Spots)，或是透過飛機達到立體三度空間通訊等，也能順暢地使用行動網路。
除此之外，第五代行動通訊提供讓大量物件都能連上網的物聯網(IoT)架構，不但可串連起各式穿載裝置(Smart Wearables)和感應器網路(Sensor Networks)，也可讓裝置在靜態或是各類行動監視系統裝置也可透過網路操作。
第五代行動通訊也要能提供人們可透過無線控制真實或虛擬網路(Tactile Internet)等需要高度即時性通訊(Extreme Real-time Communications)服務；或是關於公眾安全等天然災害通訊(Natural Disaster)的生命線(Lifeline Communication)應用。
此外，第五代行動通訊系統延續蜂巢網路的特性，讓更多第五代行動通訊元件可透過蜂巢式網路達到更可靠的網路連接服務，讓運營商提供自動交通流量控制和駕駛(Automated Traffic Control and Driving)、工業界自動化的機器人聯網(Collaborative Robots)服務、與可透過感應器等設備提供更全面的電子化醫療系統(eHealth)、遠端手術操作(Remote Object Manipulation)，以及能在人口稀少地區提供自動宅配服務的立體網路連接(3D Connectivity)和公眾安全服務。
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| 圖1 第五代行動通訊使用情境 |
資料來源：NGMN
由於傳統的廣播是對全部使用者傳播資訊，但在第五代行動通訊因應個人通訊的蓬勃發展而提供可依據服務內容或是互動功能的類廣播服務(Broadcast-like Services)，讓新聞或是各類資訊可透過第五代行動通訊系統依據內容和需求提供在地、區域性或全國性的服務。如圖2所示，上述的情境又可被分類成其下幾種技術範疇。
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| 圖2 第五代行動通訊使用情境範疇 |
資料來源：NGMN
要能符合上述各類新的應用，現有的元件在硬體或是軟體都須要做調整，而NGMN也制定對於要能支援第五代行動通訊的元件提出須滿足可供運營商控制的元件(Operator Control Capabilities on Devices)、支援多頻多模(Multi-band-multi-mode Support in Devices)、功耗佳(Device Power Efficiency)、有效的資源使用和訊令傳輸(Resource and Signaling Efficiency)等四種特性。
超越現有IMT架構 IMT-2020邁向新願景
國際行動通訊組織(International Mobile Communications, IMT)制定了未來2020年行動通訊發展的框架和總體目標，其技術稱為IMT-2020。IMT針對2020年後的通訊願景，提出超越現有IMT架構，相關的應用情境包括：
增強後的寬頻傳輸，除了可針對現有的通訊服務提高其傳輸效能並給予用戶無縫的傳輸體驗外，還可進一步開拓新的應用領域和需求。這種寬頻應用情境可涵蓋不同的傳輸範圍，包括廣域覆蓋和熱點傳輸。對於廣域覆蓋的情況下，無縫的覆蓋以及較高的移動速度是主要需求，其數據傳輸速率亦須高於現有的數據傳輸速率。在熱點的應用上，主要針對具有高用戶密度的區域，其對於移動性的需求較低，但需要非常高的數據傳輸量，因此此類用戶的數據傳輸率比廣域覆蓋的用戶還高。然而，其高數據傳輸需求會小於熱點傳輸的應用。
此種應用對於數據傳輸量、時延和可靠性的要求非常嚴格。例如工業製造或生產過程的無線控制、遠程醫療手術、智慧電網配電自動化、運輸安全等。
該應用的特徵在於連接大量元件設備，其發送數據量極低且對於傳輸資料在延遲需求較無限制。此外，此元件設備需具有非常低的製造成本，且需有很長的電池壽命。
由於其他使用應用情境也有可能會出現，因此對於未來的通訊服務，符合其彈性應用以適應各式各樣的需求是不可或缺的。圖3為IMT預期在2020年後的一些使用情境範例。
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| 圖3 IMT對於2020年後的應用情境與範例圖 |
IMT-2020的願景為提供盡可能符合用戶體驗的固定式網路。其實現的方法包含：提升數據傳輸速率以達到峰值用戶和體驗感用戶的需求、提高頻譜效率、減少傳輸延遲和增強對於高移動性的支援。除了傳統的人對人或人對機器的通訊外，IMT-2020將實現透過連接大量的智慧元件、機器等的一個大範圍，毋須人為介入的物聯網(Internet of Things, IoT)技術。
IMT-2020能夠在無須過度負擔能耗、網路設備成本和部署成本的前提下，使未來的IMT技術可持續發展，並提供相較於現有技術的更多增強功能。以下八種關鍵功能的技術參數被IMT-2020用以評量行動通訊技術：
亦即每個用戶或設備在理想條件下可達到的最大數據速率，以Gbit/s表示。
行動用戶或裝置在任何覆蓋範圍內可實現的數據速率，以Mbit/s或Gbit/s表示。
在無線網路中來源端發送一個數據封包至目的端接收所需的時間，以毫秒(ms)表示。
在屬於不同的傳輸層和無線接入技術(Multi-layer/Radio Access Technology, RAT)的無線節點間在被限定傳送服務品質(QoS)與無縫轉移下，可以實現的最快速度(以km/h表示)。
每單位面積的設備連接數和進行通道存取的總數，以km2表示。
能源效率的計算可分為網路端和設備端兩個面向。網路端的能源效率是指網路端從用戶接收或傳送過程中，每單位無線接取網路(Random Access Network, RAN)的能量消耗所能傳遞位元的數量(以bit/Joule表示)，而設備端的能源效率是指每單位通訊模組能量消耗所能傳遞的位元數量(以bit/Joule表示)。
每單位的頻譜資源與單位蜂巢細胞涵蓋範圍的平均數據傳輸量，以bit/s/Hz表示。
每單位區域的數據服務總流量，以Mbit/s/m2表示。
圖4顯示IMT-2020的八項關鍵技術與目前IMT-Advanced的比較。對於圖4中關於IMT-Advanced的峰值數據速率、移動性、頻譜效率和傳輸延遲數值可參考國際電信聯盟無線電通信部門(ITU-R) M.2134的報告內容。
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| 圖4 IMT-2020的關鍵技術與IMT-Advanced的數值差異 |
IMT-2020的增強型寬頻通訊的峰值數據速率可達到10Gbit/s。然而，在某些條件和情境下，IMT-2020將支援至多20Gbit/s的峰值數據速率。IMT-2020將支援各種覆蓋環境下不同用戶需求的增強型寬頻通訊數據速率。對於大範圍的覆蓋情況下，例如在城市和近郊地區，用戶可感受到100Mbit/s的數據傳輸率。在熱點的情況下，用戶體驗數據速率將達到較高值，例如1Gbit/s的室內傳輸。
增強型寬頻通訊的頻譜使用效率預期將會比IMT-Advanced高三倍。其中相較於IMT-Advanced的效率增長會依使用情境有所不同，可能會在某些情況下高達五倍的頻譜使用效率。IMT-2020預計將達到10Mbit/s/m2的區域傳輸流量，尤其是在熱點的使用環境下。IMT-2020的無線網路存取能耗將小於目前部署的IMT-Advanced網路，同時還會提供增強型寬頻通訊的功能。因此在考慮網路能量消耗的前提下，將可以確保IMT-2020的系統流量相較於IMT-Advanced有足夠大的改善。
IMT-2020將能夠提供1毫秒的無線通道延遲，並在非常低的等待時間需求下完成服務。IMT-2020還支援高遷移率至500km/h，且提供可接受的服務品質量，特別適合高速列車的應用。在大量的機器類型通訊情境，IMT-2020預計可支援最多106/km2的連接網路密度。
圖5顯示每個關鍵技術用於增強型寬頻通訊，高可靠度低延遲通訊和大規模機器型通訊這三種使用情境的重要性，該圖使用一個三階指示來描述其相關度，分別為高度、中度和低度相關。
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| 圖5 各種關鍵技術在不同使用情境中的重要性 |
在增強型寬頻通訊的情境下，用戶體驗數據速率、區域傳輸流量、峰值數據速率、移動性、能源效率和頻譜效率都非常重要，但移動性和用戶體驗數據速率並不會同時在所有情境中同等重要。例如，熱點場所比在廣域覆蓋情況下，需要更高的用戶體驗數據速率，但卻僅需較低的移動性。
在一些超可靠度和低延遲通訊方案，低時間延遲將具有最高重要性，尤其是在攸關安全的通訊應用。有些應用則需高移動性的關鍵技術，例如在行車安全的應用上，然而在此種應用下，則無需較高的數據速率。
在巨量的機器類型通訊情況下，需要高密度的連接以支援網路中的大量設備數目，然而僅需低位元速率傳送且具非常低的移動性。因此，在長時間的運作壽命與低成本的設備在這種情境下是非常重要的。
IMT在規劃IMT-2020的發展時程，須特別考慮它們與實際可行性的關聯，而這取決以下重要的因素：用戶端的行為模式(包含用戶的需求和期待)、技術能力與技術開發程度、標準的制定及配合、頻譜相關的規劃、既有法律規範的限制、系統的布建時程。
相關聯的時程表如圖6所示，IMT-2020時間表顯示該標準完成的進度、頻譜可取得的時程與何時啟動IMT-2020布建。
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| 圖6 IMT-2020的發展進程與時間表 |
5G發展聲勢高漲 3GPP目光轉向RAN
第三代夥伴計畫(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)配合ITU-R規劃和NGMN需求，從2014年底開始討論第五代行動通訊系統技術的服務範圍，並在2016年開始討論第五代行動通訊在無線電接取網路端(RAN)的技術。
為因應IMT-2020提出的增強型寬頻通訊技術和超可靠度和低延遲通訊需求，第五代行動通訊系統改變原先第四代行動通訊系統的架構，打破原先基地台與核心網路各自獨立的實體硬體架構，用網路功能虛擬化(NFV)的技術讓未來的行動網路，可依據運營商所要提供的不同服務整合系統建置出對應功能；同時，套用雲端概念擴大涵蓋範圍，並提高流量和改良現有第四代行動通訊架構存在的延遲問題。除了架構改變外，第五代行動通訊系統搭配新實體層設計，來支援不同服務並改良延遲問題。
在各種不同的第五代行動通訊應用情境中，有不同的參數需求，例如在高速移動應用中為了達到服務不中斷的需求，所需的訊框長度通常都是很短的，如此可有利於快速且有效的排程，也能避免時變通道所造成的影響。
然而，在物聯網的極低功率消耗與高覆蓋範圍為主要的訴求下，傾向透過窄頻方式來傳輸，而此架構允許較長的訊框結構以累積能量來克服室內傳輸穿透率的問題，較長的訊框結構也有利於多路徑效應所造成的通道延遲問題。
為滿足第五代行動通訊各種極端的傳輸需求，需要一個具有彈性的訊框設計方法，愛立信(Ericsson)與華為等多家公司因此提出了自含式(Self-contained)訊框架構。此架構的最大特色為一個訊框中可以依據不同的應用需求同時具有下行與上行傳輸封包，使用多時分工的方式於相同的訊框中傳送(圖7)。
不同的應用情境可以根據各自通訊參數需求而有不同的訊框長度、參考訊號、上行與下行控制訊號等設計，但只能運作於其所屬的訊框中，因此不會影響到其他非相同應用的鄰近訊框。
此架構相較於現有長程演進計畫(LTE)的訊框設計，能允許多種傳輸應用共用訊框資源的方式有明顯差異。自含式訊框架構不僅帶來了設計上的彈性，可涵蓋各種特殊的應用，對於未來更新一代的通訊技術亦保留了未來擴充的可能性，可預見為未來第五代行動通訊系統實體層設計的新趨勢。
此外，第五代行動通訊系統和以往行動通訊系統最大的不同是更支援大量的非傳統使用者設備連上行動網路，提供機器型通訊服務，因此第五代行動通訊標準同時也制定支援機器型通訊服務需求的行動通訊系統和相關機器型元件。
因此，目前在無線電接取網路端討論的第五代行動通訊主要有下列幾個方向：第五代行動通訊所需的天線元件數量、第五代行動通訊系統所須達到的布建需求、高速移動的情境、在無線電接取網路端的第五代行動通訊雲端架構設計和核心網路的調整、無線電接取網路前端連線設計、長距離通訊的使用情境與布建、第五代行動通訊和非3GPP網路的互通設計、第五代行動通訊的車載運用、電子化醫療系統、物聯網、中繼器技術，以及其他第五代行動通訊的架構設計。
台灣廠商較關注的物聯網技術，在第五代行動通訊討論情境主要包括：
在低頻帶的大範圍布建，且物聯網元件可有移動的功能。討論的情境依據IMT-2020制定的規範，在每平方公里要能支援一百萬個物聯網元件。
大面積的巨型蜂巢室外網路，點對點的距離在0.5到10公里，每平方公里要能支援十個的物聯網元件，傳輸量達到10Mbit/s，且符合小於50毫秒的點對點低延遲需求。同時，並支援某種程度的認證和加密機制(Confidentiality)。
大面積的收訊效果較差的室內如地下室場景，每平方公里要能支援一千個物聯網元件，傳輸量達到1kbit/s，且符合小於1秒的點對點中度延遲需求。並支援某種程度的認證和加密機制。
5G網路生態丕變 台廠參與機率大增
由於第五代行動通訊系統除了提供手機或平板連接上行動通訊網路外，也將因智慧家庭/城市或是自動化工廠等服務的推行，整合現有無線網路頻段，提供大量電子產品透過第五代行動通訊系統連接上網。第五代行動通訊服務可望打破原先多為傳統行動通訊設備商建置蜂巢式網路的局面，而提供以無線通訊產品研發為主的台廠，更多在未來行動通訊系統上的發展空間。
(本文作者皆任職於財團法人資訊工業策進會智慧網通系統研究所)