<font style="vertical-align: inherit;"><font style="vertical-align: inherit;">eMBB/URLLC/mMTC鼎立5G标准制定全面启动| 新通讯 171016</font></font>
增强型行动宽频通讯(Enhanced Mobile Broadband, eMBB)增强后的宽频传输除了可针对现有的通讯服务提高其传输效能并给以用户无缝的传输体验外，其可进一步开拓新的应用领域和需求。这种宽频应用情境可涵盖不同的传输范围，包括广域覆盖和热点传输。对于广域覆盖的情况下，无缝的覆盖以及较高的移动速度是主要需求，其数据传输速率亦须高于现有的数据传输速率。在热点的应用，主要针对具有高用户密度的区域，其对于移动性的需求较低，但会需要非常高的数据传输量，因此此类用户的数据传输率比广域覆盖的用户还高。然而，其高数据传输需求会小于热点传输的应用。增强型移动宽频预期将传输速度再提升至下行20Gbit/s、上行10Gbit/s。超可靠度和低延迟通讯(Ultra-reliable and Low Latency Communications, URLLC)此种应用对于数据传输量，时延和可靠性的要求非常严格。例如工业自动化制造或生产过程的无线控制、远程医疗手术、智慧电网配电自动化、运输安全、无人驾驶等，需要高可靠度(错误率低于10-5)且低时间延迟(低于1毫秒)的通讯应用。大规模机器型通讯(Massive Machine Type Communications, mMTC)该应用的特征在于连接大量元件设备，约每平方公里内有100万个装置的机械间通讯需求，其发送数据量较低且对于传输资料延迟有较低需求。此外，此元件设备须具有非常低的制造成本，且须有很长的电池寿命。由于其他应用情境亦有可能会出现，因此对于未来的通讯服务，符合其弹性应用以适应各式各样的需求是不可或缺的。图1为IMT预期在2020年后的一些使用情境范例。
图1 IMT对于2020年后的应用情境与范例图图2显示IMT-2020的8项效能指标与目前IMT-Advanced的比较。IMT-2020的增强型宽频通讯的峰值数据速率可达到10Gbit/s，在某些条件和情境下IMT-2020将支援至多20Gbit/s的峰值数据速率。IMT-2020将支援各种覆盖环境下不同用户需求的增强型宽频通讯数据速率。对于大范围的覆盖情况下，例如在城市和近郊地区，用户可感受到100Mbit/s的数据传输率。
图2 IMT-2020的关键效能指标与IMT-Advanced的数值差异在热点的情况下，用户体验数据速率将达到较高值，例如1Gbit/s的室内传输。增强型宽频通讯的频谱使用效率预期将会比IMT-Advanced高三倍。其中相较于IMT-Advanced的效率成长会依使用情境有所不同，可能会在某些情况下有高达五倍的频谱使用效率。IMT-2020预计将达到10Mbit/s/m2的区域传输流量，尤其是在热点的使用环境下。IMT-2020的无线网路存取能耗将小于目前部署的IMT-Advanced网路，同时还会提供增强型宽频通讯的功能。因此在考虑网路能量消耗的前提下将是能确保IMT-2020的系统流量相较于IMT-Advanced有足够大的改善。IMT-2020将能够提供1毫秒的无线通道延迟，并在非常低的等待时间需求下完成服务。IMT-2020还支援高移动速度至500km/h，且提供可接受的服务品质，特别适合高速列车的应用。在大量的机器类型通讯情境，IMT-2020预计可支持最多106/km2的连接网路密度。3GPP标准技术发展3GPP标准组织规画与制定5G通讯标准，并提案至ITU-R成为国际认可的5G通讯标准。预计首次提案(Release-15)将在2019年7月前完成，最终提案(Release-16)则是在2020年2月前完成。现阶段进行的5G New Radio(NR)的标准化作业Release-15版本从2017年3月开始执行，预期2017年年底完成非独立(Non-standalone, NSA)NR运作，2018年年中完成独立(Standalone , SA)NR运作，时程安排如图3所示(3GPP RP-170741)。
图3 非独立(NSA)与独立(SA)NR运作时程表非独立(NSA)5G NR将利用现有的LTE技术和核心网路作为移动性管理和网路覆盖范围的控制平面连结点，同时增加新的5G NR节点来增加用户平面的容量。独立(SA)5G NR则是让5G NR具有完全的用户平面和控制平面的能力，且可利用新的5G核心网架构。除了5G方向之一的增强型行动宽频(eMBB)用以符合大量传输的需求外，另两个5G的特色则是新服务型态的提供，即大规模机器型通讯(mMTC)以及超高可靠度低延迟通讯(URLLC)。超高可靠度低延迟通讯已在5G的标准制定中被广泛的讨论。以下将进一步针对URLLC与mMTC的标准制定方向进行介绍。URLLC标准技术发展URLLC应用在低时延(Low Latency)与高可靠度(High Reliability)的品质要求非常严苛，用户平面的延迟部分需低至0.5ms以下，错误率(Block Error Rate, BLER)在1ms的延迟与封包大小为32bytes的情况下要达到10-5以下(TR 38.913)。为缩短时间延迟，以下几种技术在标准制定过程中被提出。子载波间距的调整有异于LTE的15kHz的子载波间距，NR支援的子载波间距约是15kHz×2m，其中m可以是正/负整数或零。对于较大的子载波间距(如30kHz, 60kHz或120kHz)，其相对而言会有较小的符元时间长度(Symbol Duration)，因此在维持原有讯框架构与排程间隔下，因为符元时间长度的缩短可将整体传输所花费的时间减少。迷你时槽(Mini-Slot)的设计NR针对5G高频宽的特色与URLLC的需求提出了迷你时槽的资源配置方式，让资源配置单位能够最小化。相较于一般的时槽，迷你时槽由更少的OFDM符元所组成，如此一来每一次的资源配置的时间单元便可缩短，相对而言增加了资源配置的频率。当有紧急事件触发URLLC的传输时，便可因为传输机会密度的增加而快速排程所需要的资源给URLLC的使用者。无允诺上行(Uplink Grant-free)传输技术既有LTE的上行传输程序包含由用户端向基站传送排程请求(Scheduling Request)，用于请求上行共享通道资源来传送上行数据，基站收到请求后会判断是否有上行资源可供使用，并使用上行允诺(Uplink Grant)方式来告知用户端所被配置的上行资源位置。而后，用户端基于此上行允诺讯息来进行上行数据的传送。因为信令交换的关系，从用户端发出排程请求的时间点到实际能传送上行数据的时间点产生了不小的时间延迟。NR因此特别针对URLLC的应用提出了无允诺的上行传输技术，即预先分配好可以用来传送上行数据的资源与相关传送参数给URLLC的用户端，当有URLLC的封包要传送给基站时，则可以直接传送，不须再向基站要求上行资源。此无允诺上行传输技术增加了基站在接收上行数据的复杂度，例如基站需要能藉由预先配置的资源与用户端被配置使用的特有的参考讯号，来识别是由哪一个用户端在哪一个时间点传送了上行数据，并且需要考虑到分配给用户端的上行资源若非完全正交的话可能会带来的碰撞问题(如图4)。
圖4 無允諾(Grant-free)與允諾(Grant based)上行傳送比較資料來源:3GPP R1-1611689, Huawei自含式(Self-contained)子訊框架構此架構的最大特色為一個子訊框(或時槽)中可以依據不同的應用需求同時具有下行與上行傳輸資源，使用分時多工的方式於相同的子訊框(或時槽)中傳送，如圖5所示。
圖5 自含式子訊框架構資料來源:5G workshop, Ericsson不同的應用情境可以根據不同需求而有不同的時槽長度、參考訊號、上行與下行資料通道與控制通道的配置，但只能運作於其所屬的時槽中，因此不會影響到其他非相同應用的鄰近時槽。相較於現有LTE的訊框設計，其訊框資源的使用有明顯差異，在URLLC的低延遲應用，此架構能允許URLLC的下行數據接收與上行HARQ ACK的回覆在同一個時槽中完成，因此可縮短往返時間(Round Trip Time)所造成的時間延遲。關於增加URLLC應用的接收可靠度，主要有以下幾種設計方法：多基站連結(Multi-connectivity)藉由多基站的連結可增加用戶平面與控制平面的接收可靠度，其實現的方法為將欲傳送的封包複製多份，然後藉由多個獨立的傳送或接收通道進行下行或上行封包的傳送或接收，此技術可以利用LTE既有的載波聚合(Carrier Aggregation)與雙連結(Dual Connectivity)架構來完成，相較於LTE的主要目是藉由多個載波的結合來增加資料傳輸量，URLLC於此應用的目的則是藉由複製封包於不同載波傳送來增加傳輸的多樣性，進而達到高可靠度的目標。傳輸多樣性(Diversity)針對URLLC的傳輸多樣性除了先前所提到的使用多基站連結方式外，還有幾種屬於較底層的設計方式，例如使用多天線產生的空間分集，或者在時域或頻域增加不同的傳輸位置。為達到時域的傳輸多樣性，一般而言需使用較長的時域資源，因此對於低延遲要求的應用較不適合，頻域的多樣性則可透過頻譜跳躍(Frequency Hopping)的方式得到。重覆性傳送(Repetition)在時域使用重覆性的傳送包含使用盲蔽式HARQ的傳送方法，即連續傳送不同的重傳版本(Retransmission Version)而不需等待HARQ的ACK/NACK回傳，此法可以避免往返時間所造成的時間延遲又可確保一定的傳輸品質，然此重覆傳送的次數會受到時間延遲的限制。頻域的重覆傳送會增加傳送所需要的頻寬，為維持相同的傳送品質，其所需耗費的功率亦會增加，對於上行傳輸來說，因為傳輸功率是固定的，此頻域的重覆傳送無法完全對等地增加傳輸的可靠性。避免傳送干擾基站在排程URLLC的封包時應考慮到其所使用的資源是否會與其他應用(例如eMBB)產生碰撞，亦或是不同URLLC用戶間的碰撞。此部分的考量需在資源使用效率跟碰撞機率間取得平衡。mMTC標準技術發展為了因應未來5G機器型通訊的各種可能應用情境，mMTC技術的設計有以下四種要求：覆蓋範圍(Coverage)mMTC技術對於覆蓋範圍的要求需要達到164dB的最大耦合損失(Maximum Coupling Loss, MCL)，意即從傳送端到接收端訊號衰減的大小為164dB時也要能使接收端成功解出封包。此一覆蓋範圍要求與3GPP Release 13窄頻物聯網(NB-IoT)技術的要求相同。然而，由於使用重覆性傳送來提升覆蓋範圍會大幅減少資料傳輸速率。因此，5G mMTC的覆蓋範圍要求有一附加條件，即是需在資料傳輸速率達160bit/s的情況下達成。電池壽命(UE Battery Life)未來5G機器型通訊應用中，可能包含了智慧電表、水表等需要有長久電池壽命的裝置應用。此種裝置可能被布建在不易更換的環境或是更換電池不符成本。因此mMTC技術對於電池壽命的要求需要達到10年以上的電池壽命。此10年電池壽命要求也是與NB-IoT相同。然而，mMTC技術的10年電池壽命要求需在一特定資料流量下，且在164dB MCL的情況下達成。連接密度(Connection Density)由於近年物聯網應用需求的逐日增加，在未來5G通訊系統中可以預期有各種不同應用的物聯網裝置，其數量可能達到每平方公里有一百萬個裝置，因此5G mMTC技術對於連接密度的要求即是在滿足一特定服務品質(QoS)的情況下，需支援106/km2的連接密度。延遲(Latency)雖然機器型通訊大部分對於資料傳輸延遲有較大的容忍度，然而5G mMTC技術還是訂定了適當的延遲要求以確保一定品質的服務。對於延遲的要求定義為，裝置傳送一大小為20bytes的應用層封包，在164dB MCL的通道狀況下，延遲時間要在10秒以內。mMTC技術的設計指標大多為Release 13 NB-IoT的設計指標，差別在於達成這些設計指標所同時需要滿足的附加條件。有鑑於此，再加上3GPP對於NR eMBB標準制定時程的要求，3GPP已於2016年9月將NR mMTC列為需制定標準的技術中，有較低優先順位的技術。3GPP更在2016年12月決議要將NB-IoT持續演進的技術做自我評估，也就是若3GPP評估NB-IoT持續演進的技術可以滿足mMTC技術的要求，即會將此技術提案至ITU-R，做為3GPP對IMT-2020 mMTC應用的提案技術。目前3GPP NB-IoT的技術已經完成Release 14的標準制定，2017年4月開始Release 15 NB-IoT的標準制定，預計將於2017年12月前完成主要的目標，即降低延遲與功率消耗部分的提升，用意為盡早補足Release 13/14 NB-IoT在某些應用情境下電池壽命難以達到十年的缺憾，使3GPP NB-IoT技術能搶占近年快速成長的物聯網應用市場。打破僅支援通訊框架 5G滿足多元應用第五代行動通訊系統除了提供大量頻寬的手機或平板連接上網需求，也將因應智慧家庭、智慧城市或是智慧工廠等服務的推行，整合現有用戶導向無線網路架構，提供大量量測儀器設備與各類附屬感應器產品透過第五代行動通訊系統連接上網。先前的通訊標準制定規畫，對於特殊應用的需求鮮少被列為標準技術開發的重點，可預見未來行動通訊將打破原先行動通訊應用的範疇，透過嚴格卻不失多樣的標準制定原則，提供無線通訊產品研發為主的台廠更多產品的開發空間。(本文作者任職於資策會智慧系統研究所)