第三代合作夥伴計畫(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)標準組織自Rel-14已開始進行第五代行動通訊系統新無線電(5th Generation Mobile Communication New Radio, 5G NR)技術研究與制定，將針對增強的行動寬頻(Enhanced Mobile Broadband, eMBB)、大量的機器型態通訊(Massive Machine Type Communications, mMTC)及超可靠低延遲通訊(Ultra-reliable and Low Latency Communications, URLLC)這三大類應用需求發展全新的通訊技術。
3GPP擬於2019年6月向國際電信聯盟(International Telecommunication Union, ITU)遞交初版的5G提案，並於2020年2月向ITU遞交細部的5G提案。故國際通訊大廠無不積極於標準會議中進行技術布局。圖1為ITU-R對5G的技術提出的八大性能指標(8 KPIs)及三大應用需求說明。
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| 圖1 ITU定義5G系統(IMT-2020)必須滿足八大性能(8 KPIs)及三大應用需求 |
本文主要針對3GPP在5G NR的時程規畫、系統架構以及無線存取網路第一工作組(RAN Working Group 1, RAN1)相關技術發展方面進行介紹。
確保5G順利開展 規畫NR發展時程
為確保長程演進計畫(LTE)到5G技術發展能滿足國際電信聯盟的時程，在2016年6月無線存取網路第72次全會會議(RAN Plenary#72)中初步對NR工作項目(Working Item, WI)的時程進行討論，並於文件RP-161253中訂定出較明確的里程碑作為技術發展的參考。
該會期決定對原本2018年6月要完成的R-15目標並未改變，但詳細的定義NR所須完成的技術內容，包含所開發技術可同時支援獨立(Standalone, SA)的新無線電架構與非獨立(Non-standalone, NSA)的新無線電架構。其中，非獨立的架構係指以LTE為控制平面錨(Control Plane Anchor)，而獨立的架構係指以NR本身為控制平面錨。並且，初步將發展NR時程分為第一時程(Phase I)和第二時程(Phase II)兩個階段，對應的3GPP標準規範版本為R-15和R-16。
該會期所訂定之相關NR工作計畫時程，則如下所述：
首先，要求無線存取網路第一/二/三/四工作組與服務及系統面第二工作群(System and service Aspect working group #2, SA2)確保所進行的NR設計滿足向前相容性(Forward Compatibility)，並在無線存取網路第75次全會會議時進行報告。
而會影響通訊協定第一層(L1)的目標功能需求(Functional Requirements)應在2017年3月完成。在獨立與非獨立NR架構下，通訊協定第一層(Layer 1, L1)與通訊協定第二層(Layer 2, L2)應完成共同基礎技術的第三階段(Stage 3)的設計，以及獨立NR架構所須相關的元件或準則。其中，共同的第三階段的設計目標完成時間是2017年12月。而獨立NR架構所須相關的元件或準則第三階段的設計目標完成時間為2018年3月。
另外，預計通訊上層(Higher Layer)相關研究非獨立NR架構的完成目標期限於無線存取網路第75次全會會議再決定，獨立NR架構完成目標期限為2018年6月，但此次會期中並未達成決議。
在無線存取網路第74次全會會議中由營運商KDDI與AT&T提出(RP-162468)新無線電開發時程建議。主要為要求先前在文件RP-161266中所提的Option 3/3a的網路架構(即非獨立的新無線電架構)的研發時程應在2017年12月完成，以便相關業界可及早進行產品開發；但此建議在此次會期中並未通過。圖2所示為文件RP-161266中所提之3/3a新無線電系統架構。
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| 圖2 3/3a新無線電系統架構 |
之後，在2017年3月無線存取網路第75次全會會期中，對於新無線電的第一時程技術發展規畫確定了新的里程碑規畫(RP-170741)，摘要如下：
對所訂的eMBB及低延遲(Low Latency)設計於2017年12月完成L1與L2-User-Plane在非獨立的新無線電架構第三階段設計目標時程不變，並確保兩種架構的技術共通性與向前相容性。至於獨立的新無線電架構Stage 3設計目標，完成時間為2018年6月。
此外，於2018年3月對NR eMBB訂定一個符合RP-161266新無線電系統架構3之非獨立新無線電架構的中繼(Intermediate)可實現及穩定(Freezed)的ASN.1版本。並且，依此版本於2018年9月完成滿足非獨立的新無線電架構及獨立的新無線電架構之完整和穩定的版本。圖3為決議的新訂里程碑的示意圖(RP-170741)。
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| 圖3 新訂里程碑的示意圖(RP-170741) |
第一時程相關技術議題說明
3GPP在5G需求討論時包含了多種技術研究領域及議題，並於標準規範38.913針對不同應用情境訂定如表1所示之技術指標及技術目標數值。
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| 表1 標準規範38.913針對不同應用情境訂定之技術指標與技術目標數值 |
然而，基於在2018年6月完成Rel-15的時程規畫下，在2016年9月無線存取網路第73次全會會議中，初步對新無線電對於應完成的技術目標進行調整，延後部分新無線電技術目標的研發開始時間，並在2017年3月之前對這些議題將暫時不安排相關會議討論時間。
無線存取網路第73次全會會議中決定下列項目將不安排在NR第一階段的工作項目中進行，包括：40GHz以上的通訊波形(Waveforms above 40GHz)、大量的機器型態通訊(mMTC)、成對頻段之彈性雙工(Flexible Duplex of Paired Spectrum)、與非3GPP系統之互聯研究(Interworking with Non-3GPP Systems)、無線中繼(Wireless Relay)、衛星通訊(Satellite Communication)、地對空及輕航空通訊(Air-to-ground and Light Air Craft Communications)、超長距覆蓋(Extreme Long Distance Coverage)、邊緣連結技術(Sidelink)、車對車與車間普及通訊(V2V and V2X)、多媒體廣播/多播服務(Multimedia Broadcast/Multicast Service)、共享頻段與非授權頻段(Shared Spectrum and Unlicensed Spectrum)、地域性與定位功能(Location/Positioning Functionality)、公共與緊急警示(Public Warning/Emergency Alert)，以及新自優化網路功能(New SON Functionality)。
而由於無線存取網路第一工作組在技術討論進行時程不如預期般順利，因此在2016年12月無線存取網路第74次全會會議中再增加新的技術議題延遲項目，內容包含以下幾項：
本技術議題僅在2017年1月的NR ad-hoc會議中進行討論。且經該會期討論後，此議題並未列入R-15的工作範疇。之後，無線存取網路第75次全會會議中雖然有標準參與公司想把此議題放入第二時程中的「新無線電之非正交多重存取」研究項目(Study Item, SI)範疇中，但仍未獲得通過。
現階段NR技術討論以分時雙工(Time Division Duplex, TDD)設計為主。因此對於須特別考慮分頻雙工(Frequency Division Duplex, FDD)進行相關的設計則先延後，先進行具備共同特性的相關實體層技術研究開發。
・Multi-connectivity constituted with more than two nodes(gNBs and/or eNBs)
超過兩個以上的多點連接架構相關討論先暫緩進行，但是雙連結(Dual Connectivity, DC)架構仍持續在研究項目中進行。
而此次會期由於歐洲電信營運商堅持不延後「以上行為基礎的移動(UL Based Mobility)」技術項目的進行，因而在會議中未取得共識。最後，在會議中做成註解：「List of items for which there is no consensus for scope reduction UL based mobility」。
雖然在無線存取網路全會會議中對上述議題同意進行暫緩開始進行研究，然而現在進行中的工作項目仍應對上述這些項目保有向前相容性的考量，亦即在研究設計上應考慮未來加入這些技術項目的可能性，或可使這些項目有效率地運行。
在2017年3月無線存取網路第75次全會通過NR研究項目完成，並訂定NR主要的工作項目技術範疇；相關敘述記載於文件RP-170847新無線電工作項目中。相關的無線存取網路工作組，將依據研究項目的結果於2017年4月開始NR工作項目的研究。
第一時程相關技術進展
在NR研究項目的設計主要考慮向前相容以及彈性(Flexibility)兩個特性。此階段技術無線存取網路第一工作組對於NR技術討論議題則包括：
目前的設計考慮傳輸時容許多種係數、符元等級(Symbol Level)的對準，延長的循環前置(Extend Cyclic Prefix, ECP)以及迷你時槽(Mini-slot)等等的架構。並且，考慮以載波聚合(Carrier Aggregation, CA)或是雙連結的架構運作在1GHz左右的連續或不連續頻寬。
針對多波束(Multi-beam)的架構進行同步通道設計、兩階段式的系統廣播訊息提供，以及可傳送多次隨機存取前置訊號(Random Access Preamble)發送的四步驟隨機存取流程(4-steps Random Access Procedure)等等的設計。
基於高頻架構下可形成多個粗/細波束的特性以及R-14 1 LTE系統之全維度多重輸入多重輸出技術的增強(Enhancements on Full-Dimension MIMO for LTE, eFD-MIMO)進行研究範疇的設定。
主要考慮能將上行的控制訊號與下行控制/資料以時間上分隔的方式安排在同一個時槽(Slot)內，以減少延遲(Latency)的情形。
針對增強的行動寬頻的應用上，資料傳送以低密度奇偶檢查碼(Low-density Parity-check Code, LDPC Code)為主，控制訊號則基本上以極碼(Polar Code)來進行。
以循環前置正交分頻多重存取(CP-OFDM)為主，但離散傅立葉轉換-單載波-正交分頻多重存取(DFT-s-OFDM)也列入在鏈路預算(Link Budget)受限的狀況下(基站涵蓋邊緣地帶等等)。
除了訂定研究的範疇外，特別考慮了可讓超可靠低延遲通訊與增強的行動寬頻能動態分享資源(Resource)的使用狀況。
完成適用頻段範圍0.5~100GHz之通道模型校對(Calibration)，細節記載於TR 38.901。
第二時程相關技術議題發展
在無線存取網路第75次全會會議通過部分NR研究項目在2017年第三季後陸續開始進行，但為了確保新無線電技術的開發時程，無線存取網路第76次全會會議中由日本軟體銀行(Softbank)與德國德意志電信(Deutsche Telekom)提出提案(RP-171475)，建議無線存取網路第一工作組應延後無線存取網路第75次全會會議中所通過之新無線電第二時程相關的部分新研究項目開始時程。
經討論後基於下列前提決定延後無線存取網路第一工作組部分新無線電研究項目的開始進行時間，包括：不更動相關研究項目的研究目標、完成時間以及所安排的會議單元時間(Time Unit)；不影響無線存取網路第二工作組及無線存取網路第四工作組的工作安排；無線存取網路第三工作組所領導的研究項目將依該群組工作負擔狀況另外討論。
至於受影響的研究項目，則包含以下幾項：
新無線電之授權頻段輔助之非授權頻段存取研究項目，此為基於LTE的授權頻段輔助之非授權頻段存取研究結果延伸至高頻段的頻段。
新無線電後端網路整合研究項目，亦即在新無線電進行後端網路無線中繼的研究。
新無線電之非正交多重存取研究項目。在新無線電高頻頻段進行非正交多重存取技術研究，包含上行方向。
遞交IMT-2020之標準技術自我評估研究項目。對所發展的新無線電技術進行驗證，確保滿足IMT-2020所提之需求。
上列研究項目的開始時間，將延後至2017年第四季進行。
新無線電支援非地面通訊研究項目，包含衛星與航空器的通訊。
上述研究項目為無線存取網路全會的工作範疇，故不更動原本的研究計畫，維持第三季開始進行。
新無線電之車對所有通訊評估研究項目。將對高頻段的車用通訊通道模型與相關法規等等進行研究，先以電子郵件討論方式來開始進行。
由於先前此項目在無線存取網路第一工作組第三季的進行方式為電子郵件討論，並無安排任何會議單元時間，故繼續以電子郵件討論方式進行。
新無線電之技術遞交內容與時程討論
為了滿足於2019年遞交給ITU-R組織5G技術規範的時程，無線存取網路第76次全會會議中對於新無線電的技術遞交的內容與時程規畫進行了離線討論(Offline Discussion)，主要內容為釐清技術文件的遞交時程，以及討論可能的遞交技術內容，討論摘要如下：
ITU-R接受提案的期間為2017年10月至2019年7月(約為6月底至7月初)。可先遞交一份初步的技術內容，例如R-15的技術規範。之後，再繳交確定的技術內容，例如R-16的技術規範。
提案的可能內容為透過單一無線介面技術(Radio Interface Technology, RIT)或無線介面技術組合(Set of Radio Interface Technologies, SRITs)來滿足ITU-R對5G的技術提出的八大性能指標及三大應用需求。所遞交提案的基本要求為：若提出單一無線介面技術，則須滿足至少三項測試應用情境需求，包含兩項增強的行動寬頻測試情境，以及一項超可靠低延遲通訊測試情境；若提出無線介面技術組合，則須滿足每一個單一無線介面技術各自滿足至少兩項測試情境需求，且所形成的無線介面技術組合須滿足至少涵蓋三大應用的四項測試環境需求。
還有，在2020年2月前完成遞交完整的技術規範，包括：所遞交的提案須滿足至少涵蓋三大應用的五項測試環境需求，才可算是通過驗證；每一個單一無線介面技術仍須各自滿足至少兩項測試情境需求；目前3GPP可能的提案為單一無線介面技術如NR或LTE，以及無線介面技術組合如NR+LTE。
本次會議中將依據此離線討論，到無線存取網路第77次全會會議召開前繼續以電子郵件的方式討論相關內容，圖4為離線討論相關時程說明。
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| 圖4 離線討論相關時程 |
5G相關時程規畫 3GPP持續討論中
本文介紹3GPP在5G NR的時程規畫、系統架構以及無線存取網路第一工作組相關技術發展。3GPP對發展NR時程分兩個時程階段，各自對應標準規範R-15與R-16版本。並擬定於2018年3月優先完成非獨立的新無線電架構技術規範中繼版本，同年9月完成滿足非獨立的新無線電架構及獨立的新無線電架構之完整及穩定的版本。
無線存取網路第一工作在NR技術發展主要考慮向前相容以及彈性兩個特性進行設計，在第一個發展時程中優先完成非獨立的新無線電架構及獨立的新無線電架構中共通的技術部分。
截至完稿的當下，3GPP對於遞交給ITU-R組織5G技術提案會採用單一無線介面技術或無線介面技術組合來滿足5G的技術的八大性能指標及三大應用需求，仍在持續討論中。您可以在http://www.taics.org.tw/獲取更多關於5G更詳細技術細節。
(本文由台灣資通產業標準協會提供；作者為工業技術研究院資訊與通訊研究所技術副理)