2017年轉眼已過了幾個月,而5G依舊為眾所矚目的焦點。在今年1月初的國際消費電子展(CES)中,高通(Qualcomm)在專題演講時介紹了重大的5G技術進展,並宣示該公司致力於5G技術上尋求突破的決心。此外,近期AT&T與Verizon也各自發表聲明,表達在2017年至2018年初於美國進行5G現場測試的意圖。

而在今年3月初,在克羅埃西亞杜布羅夫尼克(Dubrovnik)舉辦的第三代合作夥伴計劃(3GPP)無線接取網路(RAN)全體會議中,全球行動通訊巨擘共同研討了5G新空中介面規格第一階段(Phase 1)標準的基礎工作項目,預計這將在日後納入採用6GHz次頻段(Sub-6GHz)和毫米波(mmWave)頻段的全球5G標準3GPP Release 15中。

種種跡象顯示,2017年正成為5G發展的關鍵一年。儘管嶄新的無線世代即將到來,5G相關話題的熱門程度仍將持續居高不下,但此項技術未臻成熟,而且有著相當大的發展空間。本文將從此次在Dubrovnik會議上的部份要點,包括首項工作項目的提案內容,進一步探討2017年有關5G技術發展的新興趨勢與走向。

5G行動通訊標準逐漸成形

在針對5G標準從頭開始定義嶄新的網路之際,兩種截然不同的架構(以時間區隔)正逐漸浮上檯面。簡單來說,3GPP必須定義用於與現有「演進封包核心」(Evolved Packet Core;EPC)架構(例如4G)搭配的基本元件,以加速新技術的採用。而此一混合式系統又稱為「非獨立式」(Non-Stand Alone;NSA)架構。它將採用現有的基礎架構,提供新的5G功能與優勢,並同時加快商業化與佈署。

另一種架構則為「獨立式」(Stand Alone;SA) 架構,主張較長的時程,以重複運用混合式系統提出的元件來定義新的5G核心網路(5GCN)。這兩種途徑都必須歷經從無到有的漫長建置,協定中的較低層級(尤其是Layer 1與Layer 2) 將成為5G新無線電(5G NR)技術的基礎區塊;而3GPP在這方面的定義上已有長足進展。

另外,值得注意的是,5G NR RAN1工作小組提出了以正交頻分多工(OFDM)為基礎的彈性參數實體層(PHY,Layer 1)早期架構,最多可包含8個次載波(如圖1)。該實體層將針對低於6GHz與介於24至40GHz之間的頻帶運作。鑑於目前的頻譜提案為數眾多,RAN4必須詳加審核候選頻譜組合,以確保效能可讓各方滿意,繼而達成目標。而現階段,增強型行動寬頻(EMBB)可望做為優先使用案例。如果要達到端對端低延遲,僅憑藉實體層之力是不夠的;畢竟系統中的其他元素也必須妥善定義與評估。而所提議的架構將可同時因應更快速的資料與回應速度。

20170512_NI_NT31P1 5G Layer 1包含8個次載波

3GPP帶領5G技術大步向前

在此一5G工作項目成形後,後續將可新增其他技術與使用案例,並將這些主題納入研究項目。3GPP將調查這些研究項目,從中研擬出正式的工作項目,進而將其列入標準中。在日後的會議中,可能會有一項或多項研究項目晉升工作項目。 若能成功通過工作項目階段,3GPP就能將新的技術/使用案例納入3GPP Release 15或後續版本中。而其中幾個有待進一步研究的主題,包括非正交波形(NOMA)、非地面網路、車對車(V2V)與車聯網(V2X),以及整合式回程存取(IAB)等相關研究項目。

意外的是,LTE世代尚未告終。在Dubrovnik的會議中也導入了多個工作項目,以期進一步發展LTE標準;有鑑於此,LTE技術不僅會延續下去,還會持續進化。除了發展窄頻物聯網(NB-IoT)與機器型態通訊LTE (LTE-MTC),以利M2M通訊與IoT之外,與會者也提交了其他多個有意納入Release 15的主題,包括擴展V2V與V2X的涵蓋範圍、具備1024 QAM調變的固定無線存取,以及強化的穩定度。這也表示,3GPP並不打算單靠5G NR來滿足各方目的與目標,而會轉而結合LTE與5G NR,以因應市場所需。

最後,3GPP也同意加速5G的交付進程,提前達6個月實現。完整的「非獨立」(NSA)架構預計將於2018年3月完成,而使用5G核心網路的SA版本將於6個月後推出。若將時間表倒推,表示5G NR的Layer 1與Layer 2勢必要在2017年12月大致底定。此一時程極富雄心壯志,而在所有成員的努力、支持與投資下,現階段的3GPP已取得長足進展。儘管眼前仍有許多困難尚待克服,但本次於Dubrovnik舉辦的會議,已為5G的未來展望立下明確、重大的里程碑。

5G原型翩然成形

雖然5G Phase 1 (即3GPP Release 15)預計於2018年完成,我們仍應詳加了解世界各地的研究人員將於2017年完成哪些艱鉅任務,及其如何定義與標準化端對端網路的各個組成元件。

20170512_NI_NT31P2 3GPP與IMT 2020定義三種5G應用案例

來自學術界與產業界(例如電信業與行動設備製造商)的無線技術研究人員,近來已於各種場合展示5G概念;隨著技術趨於成熟,這些公開展示勢必會開始進入「商品化」階段。由於此項標準要等到2018年才會底定,許多公司必須於2017年著手商品化技術,以便於2018年進行大量佈署。因此,無論是年初的MWC、5月的IEEE國際通訊研討會(ICC),還是12月的IEEE全球通訊會議(GLOBECOM),與會者都有機會一睹先期商用化系統的風采。

mmWave突破創新

拜FCC、Verizon與AT&T於2016年發表的重大宣言之賜,mmWave已迅速成為眾所矚目的焦點;隨著預先發佈的mmWave技術將於2017年進行首次現場測試,此一熱潮可望繼續延燒。在Verizon推出專屬的「5G」規格基礎架構後,客戶端設備(CPE)與智慧裝置公司勢必得全力生產相關產品,才能跟上電信業者的緊湊時程。雖然美國當地的佈署可能會著重於固定式無線寬頻技術接取(也就是提供家用寬頻接取),此舉依舊可視為mmWave技術室外應用的首個商用佈署實例。

有鑑於韓國打算在2018年的平昌冬季奧運會展現自身的5G技術實力,預計在實際行動環境中運用mmWave的測試案例勢將不斷增加。空中傳輸(OTA)測試就是其中一個例子,它會連接至核心網路,以供研究人員評估涵蓋範圍(目前mmWave技術的主要未知領域)。由於波束具備高度指向性,因此,測試需要確定一個可涵蓋距離與幾何區域的單一鏈路。此外,儘管靈敏度、增益、輸出功率、錯誤向量幅度(EVM)、位元錯誤率(BER)與字組錯誤率(BLER)皆為5G網路的重要指標,但實際網路中的OTA測試將可解答攸關mmWave可行性與能見度的眾多疑問。正因mmWave天線波束具有方向性,模擬與接線式測試的效果將不若4G (低於6GHz)技術中的表現。

2017年正成為5G發展進程中關鍵的一年。商業公司將會把挹注在研究領域的投資移轉至採用最先進技術開發的產品上;不過,由於mmWave為新興技術且尚未廣泛商用化,結果也將難以預料。儘管5G仍包含眾多未知領域,但預計在今年12月以前,這些嶄新技術將可趨於成形。屆時,我們便能看出商用佈署能否於2018年實現,抑或延後至2019年之後。