2018年6月，全球各大營運商、局端業者、手機業者、晶片業者、研究單位等在國際行動標準組織3GPP第80次RAN全會，共同完成5G標準第一個版本-R15。後續將在一年半的時間內強化5G標準R16版本，預計於2019年12月完成，這將是滿足國際電信聯盟(ITU)IMT-2020全部指標要求的完整5G標準。
國際電信聯盟催生5G
行動通訊從1G(類比)跨向2G(數位)，在GSM時代獲得巨大的成功，漫遊使得全球用戶能通訊若比鄰，行動通訊的發展不可限量。從3G、4G的成功進入人類生活，到近來剛制定完R-15版本5G標準，又更進一步要要將各式應用，一統在5G的服務框架下。
行動通訊的成功，有一重要因素是標準化，這使得終端能與不同廠商設備互通，提供營運商布建及用戶端設備選擇，有極大的便利。相關標準規格的制定，又以3GPP標準組織最為重要。3GPP在3G時代，基於ITU-R的IMT-2000的要求，在2000年代前後，完成了WCDMA的標準規格(R99,⋯)，全球也在2000至2010間，進入3G時代。後面因為頻寬及速率的需求增加，3GPP基於ITU-R的IMT-Advanced的要求，在2010年代前後，完成了LTE-A的標準規格(R10,⋯)，全球在2010至2020間，進入4G時代。但隨著行動通訊的日益成功及應用範圍擴展的需要，ITU-R又進一步，在2015年訂定了IMT-2020 and Beyond的需求，目標在2020年完成新的規格提案，也就是目前大家所聽到的5G。
首先看ITU-R IMT 2020 Vision中，定義了三大使用者情境(圖1)，除了繼續加快傳收速率、增大系統容量，以支援增強行動寬頻(Enhanced Mobile Broadband, eMBB)相關情境，另外更強調支持另兩種情境：巨量機器通訊(Massive Machine Type Communications, mMTC)及高可靠低時延通訊(Ultra-reliable and Low Latency Communications, URLLC)，這將包含各式與人們生活有關的通訊情境，亦是未來5G行動通訊將支援多樣化服務應用。
圖1 IMT for 2020 and Beyond的使用情境[1]
但5G相對於4G有甚麼指標的改變？ITU-R經過討論後，定義相關關鍵效能指標(KPI)，如下圖2。
圖2 從IMT-Advanced到IMT-2020的關鍵能力強化[1]
在八大指標方面，訂出支援上述三大情境相關服務所需的效能指標，並可以看出相對於IMT-Advanced的增強比例，由此5G相關技術、架構、系統的設計及討論，皆是以滿足這些指標為進行方向，並在2020年完成相關技術提案。
然而5G究竟是何時要完成？依據ITU-R所定義的IMT-2020時程如下圖3。
圖3 ITU-R所定義的IMT-2020時程
目前國際行動標準組織3GPP正依據此時程，3GPP ITU-R Ad Hoc Group負責人Giovanni Romano於2018年初遞交3GPP 5G初步提案到ITR-U，此提案是基於LTE的演進及5G NR現有版本，將持續修正以符合ITU-R的IMT-2020需求，最終的完整提案將包含R15及R16，預計在2019年7月提交ITU-R。
GPP同時開始進行自我評估(Self Evaluation)，確認所制定的5G標準規格，能符合ITR-R的IMT2020技術指標。2018年10月24、25日，3GPP將在歐盟布魯塞爾，召開「3GPP Workshop on 5G submission towards IMT-2020」，說明3GPP的IMT-2020提案，包含5G技術特色、提交樣本、自我評估結果、最終遞交的R15/R16內容及整體系統說明(圖4)。3GPP希望能藉此提供第三方獨立評估小組(目前已有10餘個，包含歐、美、中、日、韓、加、印、埃、台各方)足夠資訊，以順利評估3GPP在IMT-2020的提案，滿足IMT-2020的時程。台灣參與之獨立評估小組(Trans-Pacific Evaluation Group, TPCEG)目前正透過台灣資通產業標準協會(TAICS)TC1-前瞻行動通訊工作組擴大徵求NR評估文稿(目前初版TAICS TC01-18-0030-01-01 Initial Results of Peak Data Rate and Spectral Efficiency for IMT-2020 Evaluation)，展示台灣在5G的能量。
圖4 3GPP提交ITM-2020文稿概括
資料來源：3GPP ITU-R Ad Hoc Group
3GPP為5G標準規格主要制定者
在2012年，大家還在關注4G規格演進，4G系統測試，頻譜授權時，3GPP也還在考慮R12 and Onward時，台灣也正在思考B4G(Beyond 4G)要如何進行。但從2013年起，各國專家就在考慮布局行動通訊的下一步，2013年2月起，各國紛紛表示要加速切入5G，歐盟宣布5G公私夥伴(5GPPP)計畫，與全球合作，搶先布局5G，希望未來歐洲在5G扮演領頭羊角色，目前已執行到第二期，正要對第三期展開徵求，台灣在2015年中拜會歐盟，將從第二期開始參與5GPPP相關5G計畫。中國也在2013年成立IMT2020(PG)推進組，整合中國能量，及早在5G展開布局。韓國5G Forum、日本ARIB-2020則是日韓5G的推手，各國多紛紛展開5G技術的布局。台灣在2014年1月，召開5G發展產業策略會議，希望提早布局5G。並於2015年成立台灣資通訊標準協會，其中TC1即是負責3GPP 5G標準發展。2015年中ITU-R完成IMT-20202 VISION，各國也多同步完成對於5G的願景。同年9月，3GPP在美國鳳凰城，召開5G Workshop，正式表示開始5G標準規格制定，決定於2016初開始5G NR的技術研究(圖5)。當時多個地區國家相關標準組織及聯盟也都與會支持，如北美ATIS、韓國5G Forum、中國IMT2020(5G) Promotion Group、日本5GMF、台灣TAICS、歐盟5GPPP、NGMN、Small Cell Forum、印度TSDSI。
圖5 3GPP 2015年所訂5G時程
資料來源：3GPP
從2016年起，3GPP開始5G NR R14的研究項目(RP-160671 New SID Proposal: Study on New Radio Access Technology)[4]，針對3大情境能訂定單一技術框架去支持，基本上此NR必須滿足向前相容性，NR規格將分兩個Phases，Phase I已於2018.06完成，Phase II將在2019.12完成。並著重在下述技術：
1. NR物理層結構：波型(以OFDM為基礎，含NOMA)、基本訊框、通道編碼
2. 網路存取架構、介面、協定及程序：考慮支持Function Split各種可能(後面訂出8種)、中央單元(CU)/分散單元(DU)的Splitting架構、實現網路切片(Network Slicing)的影響、以及如何支持QoS/SON/D2D Sidelink
3. 基本的射頻討論
4. 3GPP在NR R14階段，陸續完成NR相關Technical Reports如下：
2016年3月RAN#71全會通過R15 5G Timeline(RP-161253)如圖6，其中規畫在2018.06完成R15的獨立式(SA)NR，也因為營運商希望能及早有5G NR基站在其4G網路與4G核心網路及4G基站共存，故規畫在2017.12完成非獨立式(NSA)NR後續的主要接取技術討論為EN-DC相關規格。
圖6 3GPP R15時程及產出(2016.03訂定)
資料來源：3GPP
3GPP RAN#75全會(2017年3月)通過NR的工作項目進行R15的技術規格制定，這是5G NR的第一個版本。至RAN#80全會(2018年6月)，最新修正的工作項目可參考RP-181474 Revised WID on New Radio Access Technology，將分別在2017底完成R15 NR NSA規格，2018年中完成R15 NR SA規格，2018年底完成支援Option 4/7 的R15晚期版本(Late Drop)，如圖7。
圖7 RAN#80全會(2018.06)訂定R15 Late Drop及R16的時程[3]
此外在5G Stage 1，3GPP SA1工作組先就5G的需求及情境先行訂定標準化條款(SMARTER)，SA2工作組制定 Stage 2的5G System相關標準。可以參考下面規格：
a. 3GPP TS 22.261,“Service requirements for next generation new services and markets”, Stage 1
b. 3GPP TR 23.799“Study on Architecture for Next Generation System”, Stage 2
c. 3GPP TS 23.501,“System Architecture for the 5G System”, Stage 2
d. 3GPP TS 23.502,“Procedures for the 5G System”, Stage 2
而R15 NR工作項目是要訂定在TR38.913中所定義的eMBB及URLLC的NR功能規格：
a. 頻率範圍考量上至52.6GHz。
b. 網路連接方式：
甲、單連接-NR基站連接至5G核網 (option 2)
乙、雙連接–EN-DC連接4G核網 (option 3/3a/3x)
丙、雙連接–EN-DC連接5G核網 (option 7/7a/7x)
丁、雙連接–NE-DC連接5G核網 (option 4/4a)
c. 物理層
甲、Numerologies有多種子載波間距(SCS)，15/30/60/120/240KHz)
i. SCS 15KHz、30KHz、60KHz適用於FR1(低於6GHz、450~6000MHz)的網路布建
ii. SCS可以是60KHz、120KHz適用於FR2(高於24GHz、24250~52600 MHz)mmWave的網路布建
乙、Waveform
i. DL：CP-OFDM、UL：CP-OFDM&DFT-s-OFDM
丙、Frame structure
i. 1Subframe固定是1ms，可以包1~16個Slots，視SCS而定。
丁、Channel Coding
i. LDPC Coding：用於資料通道PDSCHPUSCH
ii. Polar Coding：用於L1控制訊號通道PDCCH/PUCCH(多於11位元資料時)
戊、Modulation
i. QPSK、16QAM、64QAM、256QAM可用於上行及下行
ii. Pi/2-BPSK僅在上行採用DFT-s-OFDM時使用，目的是降低PAPR
己、Initial Access
i. PSS/SSS/PBCH一起傳送在一塊SSB(4 symbols×20RBs)
ii. PBCH所帶Minimum System Information，可用於解出SIB1，以得到Initial Access所需資訊
iii. Random Access的4道Procedure(Msg1、Msg2、Msg3、Msg4)，類似LTE
庚、Mobility
i. NR可用SS/PBCH Block及CSI-RS來做Mobility Measurement和Radio Link Monitoring
辛、MIMO
i. Single-user MIMO：下行最多8層傳送，上行最多4層傳送
ii. 同時支援多用戶的MU-MIMO
iii. Beamforming：DL/UL Beam Management、Beam Failure Recovery
壬、Carrier Aggregation
i. 6GHz以下，最大NR Carrier頻寬是100MHz
ii. 24GHz以上，最大NR Carrier頻寬是400MHz
iii. 將支持16個NR Carrier做聚合
癸、BWP(Bandwidth Part)
i. UE在一個NR Carrier最多配置 4個BWPs。
ii. 用於支持一個NR Carrier內，UE有不同頻寬的需求
iii. 藉由頻寬的調整，達到UE省電的目的
iv. 排程不同UE在不同地方採用不同Numerology
d. Network Interface
甲、定義gNB-CU和gNB-DU之間的F1-interface(目前支持的Higher Layer Splitting，是RRC/PDCP層在CU，RLC/MAC/PHY在分散單元)
NR R15除了延續LTE的特色外，在MIMO/Beamforming、Numerology、URLLC–Granted-based and Grant-free for DL/UL、Function Split、Network Slicing、Network Architecture 8 Options等方面，都將在R15及後續R16繼續完善。
NR R16主要是加強NR R15的技術，在今年6月RAN全會，通過R16相關的Study Item及Working Item，其中與RAN1有關的如圖8。
圖8 3GPP RAN1相關R16 SI/WI
其中2018年下半年將進行項目的目標簡述如下：
1. NR MIMO WI(RP-181453 WI Proposal on NR MIMO Enhancements)：
2. NR V2X SI(RP-181480 New SID: Study on NR V2X)：
3. RIM SI(RP-181430 New SI proposal：Study on remote interference management for NR)：
4. NR UE Power Consumption SI(RP-181463 New SID：Study on UE Power Saving in NR)：
5. eURLLC SI(RP-181477 New SID on Physical Layer Enhancements for NR URLLC)：
6. IIoT SI(RP-181479 New SID on NR Industrial IoT)：
由於在今年3月RAN全會通過決議，3GPP NR將不發展LPWA相關技術，這表示LTE的NB-IoT及eMTC將持續在 R16演進，成為3GPP 5G提案的一部分，所以未來與NR的共存性是必要的。相關兩個工作項目如下：
1. NB-IoT enhancement WI(RP-181451 New WID on Rel-16 NB-IoT)
2. eMTC enhancement WI(RP-181450 New WID on Rel-16 MTC enhancements for LTE)
這兩個項目在強化移動及排程外，更考慮MT及MO的EDT(Early Data Transmission)改進。
台灣5G亦步亦趨
各國正在陸續釋放NR的頻譜，目前在3GPP討論中，較確定如圖9。而日前NCC擬訂我國5G頻譜整備規畫，將優先釋出3.4GHz~4.2GHz，下階段考慮20GHz到30GHz的頻段，這和國際主流規畫一致，將有利於未來5G系統設備、終端與世界接軌。
圖9 5G主要使用頻段
台灣參與行動通訊標準，從WCDMA、WiMAX、LTE一直到5G，從以前的規格追隨到與大廠同步制定技術規格，從各公司單位的單打獨鬥到目前TAICS的協調統籌，雖然整體規模及影響還不如歐美中日韓等大廠的長久耕耘，但目前也在逐步擴大加深參與力度，積極參與3GPP R15/R16的規格制定，更希望擴大能見度，TAICS爭取2019年1月RAN1 Ad-Hoc會議在台灣舉辦，這時間正是R15 Late Drop完成，R15/R16各項目的Study Phase告一段落，將進行後續R16的工作項目的啟動時間，可以看到3GPP R16正式發展的技術工作項目，也較確定最後3GPP提交IMT2020文稿的最後範疇。
(本文作者任職於資策會智慧系統研究所)