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陈梅铃：工研院产业经济与趋势研究中心（IEK）通讯系统研究部产业分析师。 引言 移动通讯技术约以10 年为一个演进周期，若从2009年全球第一个4G网络推出的时间点来推估，5G网络将有可能在2019年前推出；且自2015年起，ITU、3GPP等国际电信组织分别针对5G进行需求、标准等时程制定，加上全球领导电信业者也纷纷对外宣布将于2016年开始投入5G网络试验，更计划于2017~2020年推出5G商用服务，故以市场上主要电信业者的规划来看，预估2017年将会抢先出现Early 5G（以LTE-A技术为基础，且至少达到一项5G需求指标）网络，且在经过3-4年的不断试验， 2021年将出现Fully 5G（以3GPP 5G标准技术所建置的5G网络），全球正式进入5G服务时代，预估2025年Fully 5G网络将可达到270案。 5G应用场景 ITU-R设定IMT 2020/beyond 使用情境主要可分为增强行动宽带服务、多机器型态通讯、超高可靠和超低延迟通讯三大方向，此三大使用情境主要是为了满足各种应用服务的需求。 在增强行动宽带服务部分，主要是以人为出发点的使用情境，让用户可以有效连结到多媒体内容、服务和数据。随着新应用和需求的出现，影像画质的增进对于传输速度的需求也跟着提升，目前3D影像至少要10Mbps才可以顺畅的传输，超高画质影像需要32Mbps，虚拟实境和扩增实境至少要80Mbps和120Mbps。在使用场域上，超高密度用户的地区需要非常高的传输容量，但对于移动速度的需求相对较低；反观在超广覆盖区域里，无缝的覆盖率和中等的移动速度则较为重要，整体来看，不同场域对于传输速率的需求会有所差异。 在多机器型态通讯方面，主要的诉求在于满足大量连结的终端，而这些终端对于数据传输量的需求非常小，且终端必须是低成本、电池寿命长的。以灾害救援预防服务来看，必须在每个地方布署传感器，并与基础建设做连结，将搜集到的资料回传到后端网络，快速做出判断与回应，以避免灾害发生时无法紧急应对处理，故对于5G行动网络来说，如何处理大量数据流量，稳定地回传到后端网络、并做出回应将为一大重点。 在超高可靠和超低延迟通讯方面，不同的个案对于网络的需求有所不同，主要的需求指标与传输速率、延迟性、可靠度相关，相关的应用包括工业生产和生产流程的无线控制、远端医疗手术、智慧电网、运输安全等。以车联网为例，车子必须和行动终端、其他车子、基础建设随时保持互联，而车子里的雷达、相机、卫星定位、传感器等皆需要和网络相连，透过高可靠度网络将资料随时回传并快速做出判断， 让车子可以随时与周边环境的传感器、基础建设相连，不会因为高网络流量而延迟了资料的传输，并朝安全、节能驾驶发展，以达到无人驾驶的目标。 5G技术范畴与标准发展 1、5G技术范畴 5G技术范畴主要可分为九个面向进行说明，分别为增强空口技术、网络层技术、增强行动宽带情境的技术、增强大量机器型态通讯的技术、增强超高可靠度/低延迟通讯的技术、改善网络能源效率的技术、终端技术、强化隐私和安全性的技术、以及提高速率的技术。 （1）增强空中界面技术： 相关技术包括FOFDM、FBMC、PDMA、SCMA、IDMA、LDS；前瞻天线技术（如3D-beamforming 、AAS/active antenna system、massive MIMO、network MIMO）；TDD-FDD协作等。 （2）网络层技术：未来的IMT系统将需要更弹性的网络，例如以SDN、NFV的网络架构，此可以让各节点的处理过程最佳化并改善网络操作效率。另外还包括集中化、合作式系统，例如C-RAN。而无线接取网络架构也需要支援基地台之间的协调排程， 相关技术如SON。 （3）增强行动宽带情境的技术：相关的技术包括以中继技术为基础的多重跳接式网络，其可以有效增强各节点用户的服务质量； 透过建置Small cell改善用户的服务质量；强化适应性媒体串流标准，除了可以改善用户者的体验，也可以因应更多的影音串流需求；eMBMS可以节省频宽、改善频谱效率；IMT系统和WLAN间的协调，可以将流量从行动网络卸载到不需要频谱的网络。 （4）增强大量机器型态通讯的技术：未来的IMT系统必须要能连接上大量的M2M终端，且必须持续朝向低成本、低复杂度终端型态、高覆盖范围精进。 （5）增强超高可靠度/低延迟通讯的技术：为了达到超低延迟性，资料层和控制层需要明显的强化（如透过SDN、NFV等技术让资料层和控制层能彼此沟通），空中介面和网络架构也需要新的技术解决方案（如CP-OFDM/OFDMA、UFMC、FBMC 、GFDM 、SC-FDM/SC-FDMA等），未来相关的服务如智慧电表、智慧医疗、无线工业自动化、AR等都需要超高可靠度的技术。 （6）改善网络能源效率的技术：能源的耗用主要和通讯协定（protocol）相关， 可藉由降低RF传输功耗、节省电路电源来改善网络能源效率；藉由资源管理来分配不同使用者的流量，如不连续传输（DTX/discontinuous transmission）、基地台和天线的静置（base station and antenna muting）、多接取技术（如3G、4G、WiFi等）间的流量调节。 （7）终端技术：行动终端将变得更人性化，可做为个人办公室、娱乐等多用途，且芯片、电池、显示器都会有更精进的突破，且可以同时连上一个或多个在网络覆盖范围下的基地台。 （8）强化隐私和安全性的技术：强大且安全的解决方案来反击新通讯技术、新服务等所造成的安全和隐私问题。 （9）提高速率的技术：主要是为了达到更高的速率、并改善网络容量，其中与频谱相关的主要技术包括载波聚合（Carrier aggregation）、使用高频段技术（mmWave）；与实体层相关的技术包括提升频谱效率，如更进一步的实体层技术（调变技术如FOFDM、编码技术如叠加式编码）、更进一步的空间处理（network MIMO、Massive MIMO，将天线数量提高到16 根以上，目前Release 13已可以到16根天线，Release12到8根天线）；与网络相关的技术如网络密集化（如Small Cell优化）。 2、5G标准发展 随着4G行动通讯技术日趋成熟，3GPP已于2016年3月完成Release 13的讨论，并正式进入5G标准制定（从Release 14到Release 16），规划于2019年底完成。目前Release 14已明确订出超过30个项目要进行讨论， 包括Multimedia Broadcast Supplement for Public Warning System 、User Control over spoofed callS、Location services、Mission Critical Video over LTE、MC DATA、LTE support for V2X services、Enhancement for TV Video service、eFMSS、S8 Home Routing Architecture 、Phase2 Emergency services over WLAN、Control and User Plane Separation of EPC nodes、Overload Control for Diameter Charging Applications 、Latency reduction techniques for LTE、High Power LTE UE for Band 41、Channel model above 6 GHz、SRVCC Enhancements、Service Domain Centralization、Robust Call Setup for VoLTE subscriber in LTE 、OAM、UICC power optimization for MTC、Requirements for Next Generation Access Technologies、Multi-Carrier Enhancements for UMTS等。 在3GPP所规划的5G无线接取网络技术标准发展蓝图上， 主要可分为向下兼容和非向下兼容两块。在向下兼容技术讨论上，主要以延续LTE Evolution为主， 相关技术领域包括FD-MIMO、LAA、Latency reduction、LTE V2X、NOMA、massive MTC、relay enhancements等。 在非向下兼容技术讨论上，Release 14会先进行5G情境和需求、5G新的无线接取技术、空中界面架构的研究项目讨论，以及高频的通道模型。Release 15将以其他项目、高频技术的研究项目，以及第一阶段5G新的无线接取技术（以6GHz以下的增强行动宽带技术和非单独存在/non-standalone）工作项目讨论为主。 Release 16则进入第二阶段5G新的无线接取技术工作项目讨论，以6GHz以上的增强行动宽带技术、Massive MTC、Critical MTC为主。5G微信公众平台（ID：angmobile）了解到，作者进一步指出，观察国际其他重要5G组织和厂商对于5G技术布局的方向来看，基于行动数据流量将成长1000倍的趋势来看，营运商为了确保基地台的覆盖率、提升用户的使用经验下，无线通讯技术和接取网络技术发展重心将放在mmWave、Massive MIMO、Adv. Multi access、Flexible spectrum usage 、UDN、D2D等上，这些技术发展方向大致与3GPP所讨论的方向一致。 另外，虚拟化技术可以有效的分配资源与共享，故5G行动通讯网路将会把SDN、NFV纳入，提出如C-RAN、virtualized EPC等，其可以依照应用环境进行更加弹性之布建与更实时之优化，为即将到来的5G服务提供更具弹性与效率的网络架构， 进而为更多的行动用户提供更高频宽、更佳传输效能、支援更快移动速率的网络服务， 此与ITU-R所认为的网络层技术重点发展方向一致。 5G网络建设规划 自2014年起，亚洲NTT DoCoMo开始投入5G网络布局，南韩、俄罗斯电信业者也跟着加入， 这三个国家的电信业者分别希望透过国际重要赛事展示5G服务，而近期美国电信业者也纷纷投入5G网络试验，故以下将以亚洲和美国领导电信业者对于5G网络的规划观测为主。 1、NTT DoCoMo 2015年11月底，NTT DoCoMo对外宣布已于过去两个月和五家业者完成户外5G网络试验网， 分别为Nokia Networks 、Samsung 、Ericsson、Huawei、Fujitsu，并计划于2020年东京奥运正式推出5G系统网络。 NTT DoCoMo在2015年11月前，与前述五家业者的合作概况上， 主要是和Nokia 进行70GHz的mmWave试验（结合beamforming、beam tracking技术），地点选在东京六本木之丘的大楼，成功达到超高传输速度2Gbps。和Samsung 进行28GHz 的beamforming、多天线、beam tracking试验，地点选在南韩水源市中时速60公里的车辆上，最大实验接收速度达到2.5Gbs。和Ericsson进行15GHz的MIMO技术试验，透过Ericsson的5G无线电原型机达到10Gbps。和Huawei进行户外传输试验， 透过43.9 bps/Hz/cell 的MU-MIMO传输，实验效率是以LTE-A为基础的MU-MIMO的3.6倍。与Fujitsu则是进行多基站的协调传输系统试验，利用四台处理器频率4.6GHz 的行动装置达到接收速度11Gbps。 2016年2月，NTT DoCoMo持续与Ericsson在日本横须贺市的研发中心， 在15GHz频段上利用multi-beam、MIMO、beamforming技术，同步连结两台行动装置，单一行动装置传输容量达到10Gbps，累积两台行动装置传输容量则为20Gbps。另外，也在距离基地台77公尺的地方， 测试最高传输速度达到10.1Gbps； 在距离基地台120公尺的地方，测试最高传输速度达到9.3Gbps 。 NTT DoCoMo也与NEC进行主动式天线系统（AAS）试验，提供A4大小的原型主动式天线系统，此主要是用在5G Small Cell上，透过该天线系统可以有效改善beamforming的精确度和频谱使用效率。 NTT DoCoMo 除了与芯片厂商Qualcomm（5G空中界面的试验和创新）和Intel（5G手持芯片开发）进行5G技术合作外，近期更新增了合作厂商- 联发科技， 两者将就5G空中界面和芯片解决方案进行开发， 计划2017年在室内和户外进行传输试验，并于2018年启动5G新空中界面与芯片的开发。另外， 2017年也将开发一套通讯系统，此将结合NTT DoCoMo 的NOMA和联发科技的MUIC技术，显示NTT DoCoMo希望借由多家芯片厂商的研发能量寻找合适的5G空中界面。 2、SK Telecom 南韩未来创造科学部 计划投资682亿韩元，以确保2020年南韩有电信业者可以提供5G商用化服务，其中2017年将先进行5G服务的试验， 并在2018年平昌冬季奥运上进行展示，故目前南韩三大电信业者皆积极投入5G网络的测试，其中又以SK Telecom最为积极。 SK Telecom为了能够顺利在2018年冬季奥运推出全球第一个商用化5G服务，已陆续和许多厂商合作。目前与Nokia合作进度上，已经透过256QAM、8x8 MIMO和400MHz的频宽，成功达到20.5Gbps的速度，未来两家公司将持续透过Channel Coding（通道编码）技术增进传输速度。 在与Ericsson合作上，已在瑞典斯德哥尔摩达到25Gbps的传输速度，此为SK Telecom第一次从实验室转移到户外所达到的5G速度；且SK Telecom也与Ericsson在MWC 2016合作展示网路切片技术，对于5G核心网路基础设备来说， 网络切片技术可以让单一物理层网络切分成多个虚拟行动网络，以提供各种不同服务的最佳化支援。 在与Samsung合作上则以mmWave为主，且在MWC 2016成功展示mmWave的讯号换手，让多个基地台可以无缝提供5G服务。另外，为了让手持产品也可以在各种网络环境下运作，SKTelecom和Intel合作5G mobile trial platform，此平台除了可以支援6GHz以下的频段，还可以支援6GHz以上的频段，日前也在MWC 2016展示该原型产品，从基地台到终端可以达到1.5Gbps的传输速度。 3、MegaFon 继MegaFon宣布与Huawei进行5G网络合作（计划5G实验网覆盖俄罗斯11个主办城市内的比赛场馆和周边地区）后， 俄罗斯第一大电信业者MTS也宣布将于2018年世界杯足球赛推出5G试验服务，并选择与Ericsson进行合作。MTS计划先于2016年布署LTE-U/LAA网络， 进行覆盖率和容量的提升。另外，也将进行Ericsson的极简载波技术测试， 这个技术将可以让基地台间的流量达到最佳化、消除干扰、简化网络规划、增加数据传输速度、改善覆盖率等。 在物联网布署上，MTS将展示新的M2M通讯无线界面，包括EC-GSM、LTE-M、NB-IoT，此将可以改善覆盖率、降低能耗、降低物联网终端成本。另外，在超高速网络布局上，MTS计划2017年利用15GHz频段展示5G网络。 4、Verizon Wireless 随着美国其他电信业者（ 如AT&T、T-Mobile） 在4G网络覆盖率和效能表现已追上Verizon Wireless，Verizon Wireless为了拉大与其他业者在网络服务上的差异，宣布将于2016年初开始进行5G 网络测试， 目前已陆续与Cisco、Ericsson、Nokia、Qualcomm、Samsung、Intel进行5G测试，场域涵盖室内/户外环境、家用/ 商办建筑物， 测试项目包括mmWave 、cmWave频谱上的天线使用、beamforming、beamtracking、massive MIMO等，并期望可以尽早决定5G技术建置项目，以利在2017年抢先推出5G商用化服务。 与各大业者合作上，目前Verizon Wireless以FiOS光纤网络结合mmWave频段上的天线技术达到5G速度，利用Samsung的Gear VR成功展示了17个现场直播影片；也在行进中的车辆上，利用beamforming MIMO技术传送4K影音。而Ericsson也利用beamforming和beam tracking进行Verizon Wireless的5G网络测试，利用在户外的5G原型系统产品，将高画质的影音串流传送到位在室内的终端，最高传输测试速度达到10Gbps。Cisco 则是透过与Ericsson 和Intel 合作，提供Verizon Wireless企业和家庭服务用的5G Router。 另外，Verizon Wireless也成立了一个名为5G Open Trial Specification 联盟， 找了南韩KT、SKT、日本NTT DoCoMo加入，主要是为了订定全球5G网络测试规范，其中重点会放在5G空中界面测试上，如CP-OFDM/OFDMA、UFMC、FBMC、GFDM、SC-FDM/SC-FDMA等。 除了与业者进行5G技术合作外，VerizonWireless也积极向FCC争取频谱资源，目前提出了37GHz（37-38.6GHz）和39GHz（38.6-40GHz）整合为单一频段的构想，整合后将可以拥有连续的3GHz频谱资源。另外，Verizon Wireless近期也收购了XO Communications的光纤网络业务，并向XO Communications租用其无线频谱（28GHz、39GHz） 作为5G网络测试（28GHz已与Samsung进行测试中）所用，且对于Verizon Wireless 来说，2018 年底前亦有权向XO Communications收购其无线频谱， 此将有助于Verizon Wireless在高频的网络建置。 5、AT&T 在主要竞争对手Verizon Wireless宣布进行5G网络测试后，AT&T也发布了下世代超高速弹性网络的5G蓝图，相关技术如mmWave、NFV、SDN。5G微信公众平台（ID：angmobile）了解到，作者进一步介绍，这几年AT&T实验室已针对这些技术进行研发工作、专利布局，预计2016年第二季将会和Ericsson和Intel在实验室里进行5G解决方案测试合作，第三季则会到户外进行测试和试验，可望2016年底前， 美国奥斯丁的某些特定地区将可以连接到5G无线网络。 AT&T预期5G网络速度将为现有4G LTE的10-100倍， 用户将会看到Gbps等级的速度，而不是Mbps等级的速度， 这样才可以在少于3秒内完成电视节目的下载；在延迟性上，希望用户在按下影音app后， 1-5ms便可以开始收看影音串流。另外，有鉴于VR、自动驾驶车、机器人、智慧城市等新体验服务，5G网络也将针对这些服务进行测试，将建构一个以软件为核心的网络， 以快速满足新的服务、并给予用户更多网络服务的控制权， 故AT&T将会透过5G、SDN、大数据、安全性、开放源码软件等技术提供一个完整的体验服务。 对于AT&T来说，2007到2015年AT&T的行动网络数据流量增长了1,500倍，其中主要是由影音所造成，2015年约有60%的行动网络数据流量用在影音上，而4K影音、VR、物联网又将会造成行动数据流量新一波的快速成长，故5G必须要能支援多种空中界面、提高频谱效率、善用SDN和NFV，以满足这些大频宽的应用。 结论 虽然3GPP于2016年初才开始进行5G标准讨论，而最终版5G标准最快于2019年底定，商用化网络则于2020年实现，但5G行动通讯技术的发展已有初步的雏型。目前5G行动通讯技术主要以满足三大使用情境为发展重点，分别为增强行动宽带服务、多机器型态通讯、超高可靠和超低延迟通讯，根据不同的情境分别朝向大频宽、大连结、高传输、高容量、低延迟、低功耗等六大需求目标发展。 从5G技术发展方向来看，主要可归纳出下列重点发展项目， 第一、以新兴无线接取技术达到5G的高传输、高容量、大频宽的技术需求，例如多天线技术Massive MIMO、高频技术mmWave、超高密度网络UDN、频谱分享技术等。第二、满足物联网应用时代，对于巨量、多目的装置的大连结需求，且能够达到关键性任务的控制及自动化，主要发展技术如MTC、D2D、低功耗装置设计、高可靠度之通讯技术。第三、透过网络虚拟化技术如C-RAN、SDN、NFV以及网络自动化技术（如SON） 等来提升整体网络性能， 以达到网络效能优化，透过提高网络资源分配效益，以增进网络传输速率、可扩充性及降低能源使用。 从各大电信业者对于5G网络的规划，预估5G网络最快于2017-2020年推出，商业运营时程则预估于2020年陆续实现，其中日韩俄电信业者因举办国际重要体育赛事，可望于活动上展示最新5G行动通讯技术， 目前又以NTT DoCoMo、SKT较为积极；另外，美国电信业者Verizon Wireless、AT&T也于近期积极加入5G网络试验建置， 其皆希望透过实验网的建置，掌握网络特性、技术、服务需求等，抢先推出5G服务、拉大与竞争者的差距，以稳固自己在电信服务市场的地位。 从日韩俄美电信业者在5G网络的建置规划上， 主要投入的技术包括天线MIMO、cmWave、mmWave、beamforming、beam tracking、SDN、NFV、网络切片、空中界面等，以满足大频宽、大数据连结等应用服务， 如AR、VR、物联网、自动驾驶车、机器人、智慧城市等。由于5G才刚进入标准讨论，在5G技术尚未明确前， 目前电信业者大多选择与多家设备、芯片、软件等业者进行多项技术合作，从中可以发现，如何满足各种服务需求将为5G技术发展重点。 结束语 当然，发展下一代互联网是一个长期、复杂的过程，是一项系统工程，涉及技术、网络、应用、用户、终端以及政策环境等多方面，其影响因素也是复杂的、多方面的。“十三五”时期，我国政府仍高度重视下一代互联网的发展，在规划纲要中明确“超前布局下一代互联网，全面向互联网协议第6版（IPv6）演进升级”，同时在《国家信息化发展战略纲要》也明确“加快下一代互联网大规模部署和商用”。 因此，在当前全球IPv6快速发展的新时期，我国发展下一代互联网，一方面要积极发挥市场驱动作用，另一方面也需要政府通过营造良好环境，加大投入，充分调动社会各方资源，打破产业发展的临界点。要积极引导运营商、互联网公司、终端制造商等产业链各环节协调推进，共同解决下一代互联网网络建设、演进过渡、业务迁移、标准制定、技术研发、设备制造等重大问题。 |
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