不同于過(guò)去3G和4G通訊技術(shù)改朝換代的重點(diǎn)，5G除要達(dá)到更佳的寬頻速率、聯(lián)網(wǎng)品質(zhì)及能源效率等性能指標(biāo)外，最大的特點(diǎn)是從需求、設(shè)計(jì)階段即考量物聯(lián)網(wǎng)(IoT)多元應(yīng)用情境，以提供毋須布線、覆蓋率高、再用性高的全新行動(dòng)通訊技術(shù)。

　　行動(dòng)通訊技術(shù)在過(guò)去三十年里一路從類(lèi)比行動(dòng)演進(jìn)到4G，每一代標(biāo)準(zhǔn)的傳輸吞吐量(Throughput)都有大幅提升，以滿(mǎn)足個(gè)人行動(dòng)服務(wù)的需求。不過(guò)，不同于過(guò)去的行動(dòng)通訊技術(shù)改朝換代，5G行動(dòng)通訊技術(shù)將在頻譜效率(Spectrum Efficiency)、能源效率(Energy Efficiency)及成本效率(Cost Efficiency)提升100～1000倍的前提下，追求其他效能指標(biāo)。此外，除了人對(duì)人(Human-to-Human, H2H)的應(yīng)用情景，更增加了人對(duì)機(jī)器(Human-to-Machine, H2M)，甚至是機(jī)器對(duì)機(jī)器(Machine-to-Machine, M2M)通訊的應(yīng)用情景，如圖1所示。

　　圖1　5G應(yīng)用情景

　　5G不是升級(jí)而是革命　各國(guó)積極介入標(biāo)準(zhǔn)制定

　　因?yàn)樾乱淮袆?dòng)通訊系統(tǒng)需要面對(duì)各式各樣應(yīng)用情景的要求，增加網(wǎng)路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度及挑戰(zhàn)性。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，5G不是4G的升級(jí)，而是行動(dòng)通訊的革命。因此，從2012年起，美、中、日、韓各國(guó)皆陸續(xù)投入5G技術(shù)的研究與發(fā)展，冀望在5G的發(fā)展上占有舉足輕重的角色。此外，歐洲有多家營(yíng)運(yùn)商、設(shè)備商，甚至跨足汽車(chē)、能源、農(nóng)業(yè)、運(yùn)輸、智慧城市、公共安全等產(chǎn)業(yè)，跨國(guó)、跨產(chǎn)學(xué)業(yè)界、跨區(qū)域的國(guó)家層級(jí)專(zhuān)案研發(fā)計(jì)劃，如行動(dòng)暨無(wú)線通訊網(wǎng)路驅(qū)動(dòng)計(jì)劃(Mobile and Wireless Communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society, METIS)、新世代行動(dòng)網(wǎng)路聯(lián)盟(Next Generation Mobile Networks Alliance, NGMN Alliance)等，將為5G行動(dòng)和無(wú)線通訊系統(tǒng)奠定理論與技術(shù)基礎(chǔ)，在需求、特性和指標(biāo)上達(dá)成共識(shí)，充分討論概念、雛形、關(guān)鍵技術(shù)等議題。

　　國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)已在日前正式將5G系統(tǒng)命名為IMT-2020，并公布整體目標(biāo)、流程與時(shí)間表(圖2)。根據(jù)目前提出的時(shí)間表，將在2016年與2017年間訂出5G的技術(shù)效能規(guī)格、標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估辦法與無(wú)線介面技術(shù)，正式規(guī)格要到2019年或2020年才會(huì)出爐，屆時(shí)新的5G系統(tǒng)也將隨之問(wèn)世，將展現(xiàn)行動(dòng)寬頻的各種應(yīng)用，諸如高畫(huà)質(zhì)的影片服務(wù)，高可靠且低延遲的各式應(yīng)用及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

　　圖2　5G行動(dòng)網(wǎng)路標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間表

　　納入物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求　5G技術(shù)發(fā)展挑戰(zhàn)高

　　5G網(wǎng)路除了提供更佳的寬頻速率、品質(zhì)之外，最大的特色是從需求、設(shè)計(jì)階段即考慮物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things, IoT)的應(yīng)用。為了適應(yīng)不同的應(yīng)用，具備毋需布線、覆蓋率高、再用性高的行動(dòng)通訊技術(shù)成了相當(dāng)重要的承載媒介。

　　然而，物與物之間的通訊仍有相當(dāng)大的困難尚待解決，例如要如何降低大量M2M通訊對(duì)現(xiàn)有通訊網(wǎng)路的影響，同時(shí)也要避免M2M通訊增加網(wǎng)路營(yíng)運(yùn)維護(hù)的復(fù)雜度。因此，M2M的發(fā)展將未來(lái)5G中扮演極為重要的角色，使得具有資料擷取及通訊能力的各式裝置透過(guò)網(wǎng)路互相連結(jié)，以進(jìn)行各類(lèi)控制、偵測(cè)、識(shí)別及服務(wù)，為人類(lèi)提供更便利、舒適及安全的生活。

　　MTC/M2M技術(shù)發(fā)展及標(biāo)準(zhǔn)化概況

　　3GPP標(biāo)準(zhǔn)組織將M2M稱(chēng)之為機(jī)器型態(tài)通訊(Machine Type Communication, MTC)，是一種新興的通訊架構(gòu)，以機(jī)器終端設(shè)備為主，具備網(wǎng)路通訊能力，可智慧互動(dòng)地提供各式各樣前所未見(jiàn)的應(yīng)用與服務(wù)，例如：監(jiān)控、控制、資料擷取等資訊化的需求。

　　其實(shí)，早在2002年時(shí)，M2M業(yè)務(wù)的概念已經(jīng)被提出，但礙于通訊技術(shù)尚未成熟，發(fā)展仍屬于啟蒙階段，例如自來(lái)水、電力公司的自動(dòng)抄表及數(shù)位家庭應(yīng)用等。隨著無(wú)線通訊技術(shù)的快速發(fā)展，M2M的應(yīng)用服務(wù)進(jìn)入快速發(fā)展的階段，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、公共安全、城市管理、醫(yī)療、大眾運(yùn)輸及環(huán)境監(jiān)控上，都可看到M2M的應(yīng)用，例如：智慧節(jié)能、智慧車(chē)載、智慧醫(yī)療、智慧城市、智慧物流等，這些服務(wù)及應(yīng)用的整合，非常仰賴(lài)M2M的技術(shù)開(kāi)發(fā)。

　　由于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)快速起飛，更加需要M2M技術(shù)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的整合；目前國(guó)際間有相當(dāng)多的標(biāo)準(zhǔn)組織機(jī)構(gòu)投入M2M標(biāo)準(zhǔn)化的研究工作，當(dāng)中包含ITU-T、ETSI、IETF、IEEE、3GPP、OMA、Zigbee等聯(lián)盟。依據(jù)每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組織的研究方向及重點(diǎn)，M2M國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織可分為整體架構(gòu)類(lèi)、感知延伸類(lèi)、網(wǎng)路延伸類(lèi)及業(yè)務(wù)應(yīng)用類(lèi)，每個(gè)類(lèi)別的具體內(nèi)容如下：

　　整體架構(gòu)類(lèi)

　　針對(duì)M2M需求、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)架構(gòu)、標(biāo)識(shí)解析、網(wǎng)路管理及安全等問(wèn)題進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化研究，典型的標(biāo)準(zhǔn)組織有ITU-T SG13、ETSI TC SmartM2M、OneM2M、CCSA TC10等。

　　感知延伸類(lèi)

　　針對(duì)部分低傳輸速率和近距離無(wú)線通訊技術(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，相關(guān)技術(shù)包含近距離無(wú)線通訊技術(shù)、感測(cè)網(wǎng)路與電信網(wǎng)路融合及輕量型IPv6技術(shù)，典型的標(biāo)準(zhǔn)組織有IEEE802.15、IETF 6LoWPAN 、CCSA TC10、Zigbee聯(lián)盟等。

　　網(wǎng)路通訊類(lèi)

　　針對(duì)M2M承載網(wǎng)路等進(jìn)行轉(zhuǎn)換和最佳化工作，有關(guān)的技術(shù)包含無(wú)線連線網(wǎng)路增加、核心網(wǎng)路增強(qiáng)、環(huán)境感知、異質(zhì)網(wǎng)路融合等，典型的標(biāo)準(zhǔn)組織有ITU-T、3GPP、CCSA TC5、IETF、ETSI等。

　　業(yè)務(wù)應(yīng)用類(lèi)

　　針對(duì)企業(yè)應(yīng)用、公眾應(yīng)用、跨企業(yè)應(yīng)用及應(yīng)用中介軟體平臺(tái)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，其重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域包含智慧交通、智慧家居、智慧電網(wǎng)、健康醫(yī)療等，典型的標(biāo)準(zhǔn)組織有IETF、CCSA TS10、ETSI、OGC等。

　　MTC/M2M的挑戰(zhàn)與解決方法

　　機(jī)器型態(tài)通訊跟人類(lèi)型態(tài)通訊特征上有極大的差異(表1)。其中最大的不同是機(jī)器型態(tài)通訊具有傳輸量少、巨量連結(jié)、突發(fā)性等特征，例如：開(kāi)關(guān)訊號(hào)、智慧電網(wǎng)或水網(wǎng)的讀表等，在這樣的情況下，使用3GPP LTE-A的網(wǎng)路架構(gòu)來(lái)傳送機(jī)器型態(tài)裝置的訊息，可能會(huì)造成系統(tǒng)過(guò)于壅塞或不符合成本效益等問(wèn)題。

　　因此，為了滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代各式各樣的應(yīng)用，LTE-A網(wǎng)路系統(tǒng)架構(gòu)已針對(duì)M2M業(yè)務(wù)的需求進(jìn)行系統(tǒng)最佳化，如考慮LTE-A網(wǎng)路接取機(jī)制所面臨的困難與挑戰(zhàn)：隨著機(jī)器型態(tài)通訊裝置的巨量增加，隨機(jī)接取通道(Physical Random Access Channel, PRACH)的不足，造成資料傳輸擁塞、系統(tǒng)負(fù)載過(guò)于沉重，導(dǎo)致延遲過(guò)長(zhǎng)及連線失敗。

　　如何設(shè)計(jì)隨機(jī)接取機(jī)制來(lái)滿(mǎn)足巨量裝置連結(jié)，且不影響人類(lèi)型態(tài)通訊的品質(zhì)，M2M技術(shù)發(fā)展上的一個(gè)重大議題。

　　LTE-A隨機(jī)接取機(jī)制包含競(jìng)爭(zhēng)式及非競(jìng)爭(zhēng)式的接取過(guò)程，當(dāng)中競(jìng)爭(zhēng)式隨機(jī)接取透過(guò)隨機(jī)接取前置碼(Preamble)、隨機(jī)接取回覆、連線要求及競(jìng)爭(zhēng)解決，四個(gè)步驟來(lái)完成RRC連線；因應(yīng)機(jī)器型態(tài)通訊系統(tǒng)不同應(yīng)用的需求，隨機(jī)接取機(jī)制的改良可從接取成功機(jī)(Access Success Probability)、前置碼碰撞比率(Preamble Collision Rate)、及接取延遲(Access Delay)等指標(biāo)來(lái)做為設(shè)計(jì)目標(biāo)，目前文獻(xiàn)中針對(duì)隨機(jī)接取機(jī)制改良的方法有：限制存取層級(jí)機(jī)制(Access Class Barring, ACB)、回避機(jī)制(Back-off)、分離RACH、RACH動(dòng)態(tài)調(diào)整等方法。

　　然而，現(xiàn)行LTE-A系統(tǒng)需要嚴(yán)格的同步處理以保有子載波間的正交性，當(dāng)中牽扯許多基站與終端之間復(fù)雜的運(yùn)算，不適用于MTC各式各樣應(yīng)用情景的需求，特別是Massive MTC及Mission-critical MTC，其要求如下：

　　Massive MTC

　　要求‘大量’的低成本、低耗能的終端連接上網(wǎng)路，這類(lèi)型的業(yè)務(wù)通常具有傳輸量小、移動(dòng)性小、使用性小、覆蓋率高及容忍傳輸延遲等特性，例如：公共設(shè)施的監(jiān)控與管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智慧城市等

　　Mission-critical MTC

　　要求高可靠度、高可用性及即時(shí)的網(wǎng)路通訊能力，這類(lèi)型的業(yè)務(wù)通常需要極高可靠、極低延遲的特性，例如：無(wú)人車(chē)自動(dòng)巡航、智慧工廠自動(dòng)化控制、虛擬實(shí)境或增廣實(shí)境的應(yīng)用等

　　新波型技術(shù)與新多重接取技術(shù)亦被廣泛研究，期以滿(mǎn)足5G技術(shù)指標(biāo)，如基于濾波器組多載波技術(shù)(Filter Bank Multi-Carrier, FBMC)、通用濾波器多載波技術(shù)(Universal Filtered Multi-Carrier, UFMC)、廣義分頻多工技術(shù)(Generalized Frequency Division Multiplexing, GFDM)及濾波/適應(yīng)性的正教分頻多工技術(shù)(Filtered/Flexible OFDM, F-OFDM)，說(shuō)明如下：

　　FBMC

　　相較于OFDM技術(shù)，F(xiàn)BMC在每個(gè)子載波上使用單獨(dú)的濾波器，消除子載波(Sub-carrier)間的干擾，即使彼此間沒(méi)有正交性；另外，也不需要循環(huán)前置碼(Cyclic Prefix, CP)來(lái)克服符元間干擾(Inter-symbol Interference, ISI)，來(lái)達(dá)到更高的頻譜效率；可透過(guò)Off-QAM調(diào)變及濾波器設(shè)計(jì)達(dá)到5G情景中高延遲到低延遲廣泛性的應(yīng)用，但硬體成本過(guò)高，特別是在MIMO傳輸及突發(fā)性訊號(hào)傳輸?shù)那榫爸小?/p>

　　UFMC

　　相較于FBMC，UFMC是對(duì)一組連續(xù)的子載波濾波；另外，可提供不同子載波帶寬(Bandwidth)及符元(Symbol)的選擇，支援不同的服務(wù)需求。但面臨大尺度多路徑延遲(Large-scale Multipath Delay)的通道時(shí)，需要更高階的濾波器設(shè)計(jì)，并增加收發(fā)機(jī)的復(fù)雜度；而且，缺少CP將產(chǎn)生ISI。

　　GFDM

　　GFDM兼具UFMC的靈活性，并提供更好的帶外輻射(Out-of-band emission)抑制技術(shù)，減少訊號(hào)的峰均功率比(Peak-to-Average Power Ratio, PAPR)。

　　F-OFDM

　　相較于OFDM，F(xiàn)-OFDM提供靈活的參數(shù)配置，如CP、子載波寬度、符元長(zhǎng)度及保護(hù)區(qū)間(Guard Band)，提供更廣泛的應(yīng)用。

　　在多重接取技術(shù)方面，目前值得關(guān)注的技術(shù)有非正交多址接取(Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA)及稀疏碼多址接取技術(shù)(Sparse Code Multiple Access, SCMA)。搭配以使用者為主軸發(fā)起Grant-free的資源配置技術(shù)或新的媒體存取控制(Medium Access Control)通訊協(xié)定設(shè)定，讓新的5G行動(dòng)通訊系統(tǒng)更廣泛地支援MTC的不同服務(wù)與應(yīng)用。

　　NB-IoT成MTC/M2M討論熱點(diǎn)

　　窄頻物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band IoT, NB-IoT)通訊技術(shù)規(guī)格為近一兩年新興的概念，在2016年世界行動(dòng)大會(huì)(Mobile World Congress, MWC)有許多智慧應(yīng)用的展出；在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格上，2015年的3GPP會(huì)議中被提出討論，并預(yù)計(jì)在2016年的3GPP會(huì)議將其納入R13標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格中；另外，多家國(guó)際大廠的聯(lián)合下，如中國(guó)移動(dòng)、華為、諾基亞(Nokia)、愛(ài)立信(Ericsson)、英特爾(Intel)、Vodafone、高通(Qualcomm)等積極投入與推動(dòng)下，加速NB-IoT的發(fā)展。

　　NB-IoT主要特色是低功耗，希望可維持十年之久；成本低廉，希望一個(gè)終端設(shè)備定價(jià)可在5美元以下；更寬廣的覆蓋范圍，希望可傳輸距離可達(dá)20公里；大量布建，每平方公里的范圍內(nèi)可達(dá)到一百萬(wàn)個(gè)終端設(shè)備。

　　雖然在3GPP R12的規(guī)范里已定義了LTE MTC終端Cat.0標(biāo)準(zhǔn)，但Cat.0的傳輸率、功耗與成本仍偏高，更重要的是其單一通道頻寬仍達(dá)20MHz，與標(biāo)準(zhǔn)LTE相同。在R13上也有另一個(gè)LTE-M通訊規(guī)格的推行，主要是頻寬降至1MHz及降低傳輸功率，此三種的MTC終端規(guī)格比較如下：

　　當(dāng)中每個(gè)規(guī)格各有它的適當(dāng)應(yīng)用，Cat.0主要用于穿戴式電子與能源管理，如健身類(lèi)智慧手表、居家用電控制等；LTE-M則希望用于物品追蹤，例如：水電瓦斯等公用事業(yè)抄表、連線型健康診斷監(jiān)督、城市基礎(chǔ)建設(shè)(即停車(chē)投幣機(jī)記錄、路燈管理)等；而NB-IoT則偏向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，如環(huán)境監(jiān)督、智慧建筑。

　　NB-IoT另一個(gè)相關(guān)技術(shù)專(zhuān)有名詞─低功耗廣域網(wǎng)路(Low Power Wide Area Network, LPWAN)，強(qiáng)調(diào)覆蓋范圍大且待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)特點(diǎn)，目前主流通訊技術(shù)有LoRa、Sigfox、EC-GSM/EC-EGPRS等，與NB-IoT的比較如下：

　　LoRa及Sigfox的主要特色是能在未授權(quán)的ISM頻段，以極低電力傳送小量資料做智慧聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用；EC-GSM/EC-EGPRS則是使用原GSM頻段，具體規(guī)范仍在制定中，但相較于LoRa及Sigfox陣營(yíng)，物聯(lián)網(wǎng)解決方案則相對(duì)成熟，預(yù)計(jì)2016年底送案，將率先帶動(dòng)智慧化城市的應(yīng)用。NB-IoT因?yàn)槭褂蒙暾?qǐng)頻段，可減少其他服務(wù)所產(chǎn)生的干擾；另一個(gè)特征是頻寬設(shè)定為200kHz，與GSM相同，有利原持有GSM的業(yè)者切入NB-IoT。

　　NB-IoT問(wèn)世代表營(yíng)運(yùn)商正式加入提供IoT服務(wù)，未來(lái)NB-IoT這類(lèi)相對(duì)低廉的基礎(chǔ)建設(shè)，讓企業(yè)更愿意嘗試IoT的應(yīng)用，加速智慧化的發(fā)展。

　　導(dǎo)入機(jī)器型態(tài)通訊　5G設(shè)計(jì)必須更靈活

　　不同于人類(lèi)型態(tài)通訊技術(shù)，機(jī)器型態(tài)通訊面臨各式各樣的應(yīng)用情景，為了滿(mǎn)足各種情景的需求，可以預(yù)期的是系統(tǒng)設(shè)計(jì)上將更加復(fù)雜且更具彈性化；目前沒(méi)有統(tǒng)一化的方針或準(zhǔn)則可滿(mǎn)足5G應(yīng)用的所有要求；因此，彈性化的設(shè)計(jì)方法，因應(yīng)不同情景的要求，做出最佳的系統(tǒng)配置，為未來(lái)5G系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方向。