對無線通訊社群而言,過去一年既忙碌又充實:標準化程序頗有進展、管理機構已宣布重要的最新資訊、近期提出的毫米波(mmWave)頻率通道也逐漸揭開面紗,而開發中的技術也為5G打下商業化基礎;綜觀整體發展,對5G的期待度已達前所未見的高點。那麼,過去一年的諸多成就,究竟為5G立下了哪些里程碑?而5G技術又會於何時趨於成熟?

5G頻率:結合mmWave與6GHz以下頻段

雖然5G仍有許多不確定之處尚待釐清,但可以確信的是:6GHz以下的頻譜仍扮演重要關鍵;而mmWave頻率也將用來輔助6GHz以下的頻譜技術。

圖1顯示5G所應滿足的廣泛需求,無論是適用於增強型行動寬頻(eMBB)的高度穩定、高頻寬通訊,還是物聯網(IoT)應用領域所需的低頻寬機器對機器(M2M)通訊類型,都需以5G技術為後盾。以單一頻段滿足上述的幾種需求,雖然不是不可能但也是有些難度;不過,若能結合2個頻段,勢必能提供更加完整的涵蓋範圍。6GHz以下的頻譜,可為窄頻提供更出色的傳播能力與向下相容性;而mmWave頻率的連續頻寬,則能提供主流eMBB應用所期盼的5G特點。

20170609NT01P1 圖 1 5G 的目標應用領域,涵蓋增強型行動寬頻與機器對機器通訊。

時程表

國際電信聯盟(ITU)已定義兩大階段研究(如圖2所示):第一階段將研究40GHz以下的頻率,而第二階段則會著重於100GHz以下的頻率。第一階段會配合3GPP的LTE Release 15,於2018年6月結束;第二階段則會配合LTE release 16,於2019年12月結束。圖2顯示ITU與3GPP至2016年秋季的時程表。

20170609NT01P2 圖 2 ITU與3GPP的5G時程表。(圖片來源:http://frankrayal.com/2016/08/08/will-5g-be-the-last-g/)

不過,ITU所提出的期限與所要使用的頻率,仍在未定之天。

而2017年3月舉辦的3GPP RAN全體會議(#75)則提出了一項推進方案(WF),期望加快5G新空中介面(NR)的推出時程(如圖3所示)。

20170609NT01P3 圖 3 加快的3GPP NR的推出時程(2017年3月所提出)。

在前一個RAN4會期(#82),NTT DoCoMo於推進方案中建議了所應使用的頻段。

28GHz與Verizon

去年,28GHz發表多項研究成果,儼然成為40GHz以下最具話題的頻段;只是,28GHz仍有其他對手。聯邦通訊委員會(FCC)與威瑞森(Verizon)致力於推動28GHz的相關研究。為了配置額外的mmWave頻段,以利靈活運用並做為日後擬議規範之用,FCC於2016年7月核准頻譜邊界提案(Spectrum Frontiers Proposal)。目前,28GHz頻段為美國彈性運用的3大頻段之一,圖4是以圖像方式呈現的頻段。根據RAN4會期的WF,包括Orange、British Telecom與Telecom Italia等歐洲電信業者在內的全球電信業者,正規劃大規模的24~28GHz調整。此舉看來相當出人意表;畢竟,基於頻率已由既有業者瓜分之故,外界早已推論28GHz難以於歐洲推行。但值得注意的是,該頻段的較低頻率,依舊大有可為。正如預期,這些歐洲電信業者正要求使用32GHz頻譜。

20170609NT01P4 圖 4 FCC配置的mmWave頻段。

去年,Verizon向XO Communications取得28GHz頻段,並宣佈該公司有意使用該頻率進行初始佈署。儘管現階段仍沒有任何完整的標準化技術可用來推行這項測試,Verizon卻深信,目前所佈署的硬體足以透過後續軟體更新來因應最終規格。其他美國電信業者已同意使用28GHz頻段,且AT&T與T-Mobile已聲明,日後將針對28GHz架構技術進行更多研究,並與設備供應商建立夥伴關係,以進行其他現場測試。

在2015年,Verizon與思科(Cisco)、愛立信(Ericsson)、英特爾(Intel)、樂金(LG)、諾基亞(Nokia)、高通(Qualcomm)與三星(Samsung)共同建立了5G技術論壇(5GTF)。5GTF的主要目標,就是要使用mmWave頻譜(又稱為固定無線存取,FWA) 開發出「光纖到府」(FTTH)的替代方案。5GTF採用LTE標準做為主要架構,並提出多項概念,以做為3GPP的5G研究與提案主題。

5GTF會透過5的倍數(75kHz子載波與15kHz,可於每個元件載波產生100MHz的頻寬)來延伸子載波間距,並以反比方式與LTE保持時序一致,從而縮短子框架間距。此外,5GTF也會新增控制訊號並擴充實體層,以納入數位波束成形(Beamforming)與預編碼(Precoding)。

Verizon意識到,自己可望促成mmWave技術的預先標準化。然而,V5G依舊無法確定現行成果能否相容於3GPP 5G標準;因此,在標準拍板定案之前貿然佈署mmWave技術,風險不言而喻。如果Verizon下對賭注,在5G競賽中就能佔盡優勢;但若下錯賭注,則需汰換許多不合時宜的硬體。

日前,國家儀器(NI)於美國舊金山舉辦的IEEE無線通訊與網路大會(WCNC)中,展示了5GTF的即時運作原型。雖然這並非相關規格的首個原型,仍有許多令人矚目之處;舉例來說,該原型為實際技術的首度公開展示,就是焦點之一。

NR

NR的目的,在於納入所有的應用與頻段,包括ITU針對5G所提出的3個主要應用關鍵效能指標:增強型行動寬頻、高穩定度低潛時通訊(URLLC),以及大規模機器類型通訊(MMTC)。這表示,實體層需要具備相當的靈活度,才能大幅提高所產生的資料傳輸速率,並同時讓數量多達數百倍的裝置連接網路,進而建構窄頻物聯網(NB-IoT)。此外,實體層也要透過較低的潛時確保一定的穩定性,才能運用在自動駕駛車輛中。上述目標絕非易事,正因如此,現行的NR標準提案在複雜度上遠高於V5G。雖然

在增加波束管理等特定層面上,兩者之間確實有不少共通點,NR卻有意納入慢速與快速的波束管理。此外,NR也會盡可能運用LTE標準,但使用不同的取樣與子載波速率。

即便NR有著極高的話題性,而業界也有意提早確立標準,但在規格效能上,NR仍缺乏足夠的公開資料做為佐證。現行的28GHz試驗數據有限,且大多著重於通道探測,而非NR規格的可行性驗證。為此,NI開發一款新無線電原型驗證系統,可執行多使用者多重輸入多重輸出(MIMO)連結,當中並採用NI mmWave收發器系統(MTS),以及使用LabVIEW編寫而成的靈活實體層IP。

5G競賽結果將於2018年拍板定案

在2018年初,我們也許有機會掌握5G的全貌。根據2017年3月GPP RAN全體會議(#75)所提出的加快時程表來看,NR的實體層與媒體存取控制(MAC)層將於2017年底大致底定。頻率選擇雖未訂定嚴格的期限,但電信業者正著手推動技術革新,以便在2017年進行28GHz的硬體佈署現場測試,其中,南韓則將於2018年第二季展示其5G技術預覽。儘管完整的標準化程序仍未完成,5G全貌卻即將浮上檯面。5G定義競賽雖已進入尾聲,但設計與佈署程序才正要揭開序幕。