5G 5G LET 3GPP Numerologies CP-OFDM FWA

NR SA標準一錘定音 5G產品/布建/服務全面啟動

2018-10-09
5G應用範圍廣泛,且具備「彈性」、「廣泛」、「複雜」等特色,3GPP R15 5G NR SA版本的內容2018年6月出爐,各種解決方案與服務將陸續推出,除了帶動兆元以上的商機之外,也將徹底影響未來人們應用行動科技的方式,甚至整個科技產業的面貌,各界無不拭目以待。

雖然3GPP早早就將5G標準制定時程排定,2018年6月Release 15版本針對最核心的5G標準獨立組網(Standalone, SA)拍板,還是引發各方高度關注,象徵5G時代正式揭開序幕,發展歷程也從應用情境與產業願景(Vision),推進到標準制定與商業化的階段。未來幾年標準制定將以在現有基礎上改善技術缺失與補強為重點,相關領域的商業化方案,預計在接下來兩年大舉出籠,從網路設備、通訊晶片、測試認證服務甚至消費者最關心的5G網路服務,都將逐漸問世。5G之所以備受矚目,其中一個重要的原因在於其應用範圍也是史無前例的廣泛,因應此勢,5G儘管可以向下支援4G,但底層的架構完全重新設計,可同時支援傳輸速率200kbps到20Gbps,無線頻段數百MHz到100GHz,因此5G網路具備彈性、應用廣泛、複雜等特色。本專題將深入剖析5G標準、各國5G發展動態,並觀察早期5G解決方案,希望提供給關心5G商機的廠商參考,也試著剖析5G將如何帶動產業發展、改變世界。

5G網路願景遠大

根據歐盟EU-METIS計畫,5G時代與4G相較,人們對於網路的使用度將持續提升,工研院資通所副所長周勝鄰(圖1)表示,5G網路資料量將成長1,000倍,聯網裝置數量將成長10~100倍,傳輸速率將提升10~100倍,網路延遲改善5倍,電池續航力提升10倍。此外,在國際電信組織(ITU)的IMT2020計畫中,也明白以三大構面八項指標,具體指出5G的目標,包括網路實際連接速率(User Experience Data Rate)100Mbps、峰值速率20Gbps、區域聯網能力(Area Traffic Capacity)每平方公尺10Mbps、頻譜效率達4G的三倍。

圖1 工研院資通所副所長周勝鄰表示,為因應5G的多樣化應用目標,未來一網多用將是常態。

另外,網路延遲1ms、聯網密度每平方公里100萬個裝置、移動速度每小時500公里、能源效率改善幅度更要是4G的100倍。周勝鄰坦言,這些指標不僅相當大膽,對技術研發也是非常大的挑戰,所以這幾年針對5G的技術探討非常熱烈,當然也提出非常多新興技術,例如在擴增系統容量方面,透過更高的頻譜使用效率,如大規模多重輸入多重輸出(Massive MIMO),找到更多可用頻段,如高頻毫米波(mmWAVE),或者採用超高密度網路(Ultra Dense Network, UDN)架構。

而為因應5G的多樣化應用,未來一網多用將是常態,周勝鄰也指出,面對複雜的網路需求,在服務網路層可引進邊緣運算,並利用軟體定義網路(Software Defined Network, SDN)智慧控制,降低服務延遲時間。在核心網路(Core Network, CN)部分除SDN之外,可再加入網路虛擬化(Network Function Virtualization, NFV)與網路切片(Network Slicing)等技術,達成一網多用。在接取網路(RAN)上,可採多組態(Configuration)無線電設計,針對不同應用使用不同的無線電組態。

R15架構為5G網路基礎

在5G獨立組網新無線電(New Radio, NR)中,SA是延續2017年底已通過的非獨立組網(Non-standalone, NSA),該架構的5G網路是基於4G LTE,讓4G可以順暢的轉移升級到5G網路。而SA獨立組網版本的確認,使5G訊號直接運行於5G核心網路與基地台上,意味著基於SA架構的5G系統能真正實現5G的技術指標。Nokia解決方案營銷部台港澳業務銷售總監鄭志中表示,R15是一個系列標準動態制定的過程(圖2),2018年6月的內容是屬於5G NR SA Completion,9月分還會有5G NR SA ASN1,年底再提出R15 Late Drop Freeze內容,所有R15標準的內容預計2019年3月才會完全確定。

圖2 3GPP R15/R16標準制定進程
資料來源:3GPP

與此同時,下個標準版本Release 16也於2018第三季進入研究的階段(Study Item),可以說R15是5G的序曲,R16才是5G的主旋律,R16將讓5G技術更完整,並且更容易商業化。鄭志中說明,目前已經確定討論的議題包括:非正交多重存取技術(Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA)、非地面網路(Non-terrestrial Network)、車聯網eV2X、整合存取與回程(Integrated Access & Backhaul)、非授權頻段(Unlicensed Spectrum)。

R15標準最重大的意義在於讓欲投入5G市場的各個廠商,尤其是硬體技術的開發商,可以依照這些規範進行產品開發,包括半導體相關解決方案,這些討論已有一段時日的技術,領導廠商多半投入多時,甚至是技術的提出者,也因此部分廠商2017年就已經不斷展示5G解決方案。但R15的拍板,除了確認技術內容之外,納入的項目也代表其可行性。包括使用頻率52.6GHz以下、SA的組網方式,物理層就是5G新無線電的核心,以下列出幾項較重要的內容。

Numerologies

這個技術有人翻譯為參數集,主要是指一套參數,包括子載波間隔、符號長度、CP(Cyclic Prefix)長度等。子載波間隔是符號時間長度(Symbol Duration)與CP開銷之間的權衡—子載波間隔越小,符號時間長度越長;子載波間隔越大,CP開銷越大。國家儀器(NI)市場行銷工程師蘇育程指出,過去4G子載波固定是15kHz,如今5G擔負多種任務,頻段範圍寬廣,所以導入彈性子載波,從15kHz、30kHz、60kHz、120kHz等,未來還會有240kHz,一般而言小子載波利用在低頻段,大的子載波使用在高頻段,並可因應實際應用是否需要低延遲性、抗訊號衰減等,調整使用的子載波。

Waveforms

在波形部分延續OFDM但加入不同的設計(圖3),蘇育程解釋,下載網路主要採用CP-OFDM,就是在原來的OFDM訊號前面再加上一串符碼,間隔不同的資料,以改善資料不連續的問題;在上傳網路部分,除了CP-OFDM之外,還採用DFT-S-OFDM,不在頻域上區隔,而是在時域上區隔訊號。

圖3 CP-OFDM與DFT-S-OFDM波形與訊號傳輸模式
資料來源:國家儀器

另外,4G LTE要求頻譜效率達90%,所以以一個頻道20MHz為例,通常在兩側會留有保護頻段,避免相臨的頻道訊號干擾,18MHz是有效利用頻帶,而5G要求頻譜效率達97%以上,甚至98%或99%,所以每個頻道就只能左右各留1%做為保護頻段,除了訊號之外,還有賴半導體元件如表面聲波濾波器(SAW Filter)技術協助。再者,動態管理上傳/下載的訊號,在每一個Slot中,下載與上傳訊號的數量可以彈性動態的調整,同樣是針對應用所需調配。

高度彈性/複雜的網路結構

從上述技術簡介可以看到,5G的企圖心造就技術設計處處充滿「彈性」,資策會智慧網通系統研究所資深工程師簡均哲(圖4)說,包括時域的彈性、排程的彈性、頻域的彈性、波束成形控制的彈性,可見5G網路與過去3G/4G時代技術很明顯的優勢,就是可以支援更多的網路應用,爭取更多無線電頻段的資源,以滿足更多科技與無線應用的發展。

圖4 資策會智慧網通系統研究所資深工程師簡均哲說,5G的企圖心造就技術設計處處充滿「彈性」。

不過,這也帶來另外一個問題,5G網路的複雜度前所未見,部分設定的應用產業發展條件尚未成熟,尤其是依賴高可靠度與低延遲連結的應用,資策會智慧網通系統研究所工程師陳秋紋(圖5)也提到,目前R15技術內容在省電相關規範還比較缺乏,但大部分行動裝置對省電有高度需求。另外,R15內容屬於最基本的核心架構,沒有針對應用進行區分,這對於要提供網路服務的廠商較為不利,同時複雜的網路架構也考驗電信營運商的網路管理能力,要能在龐大的網路建設成本中,挑選適當的產品組合,開拓新興的垂直產業應用市場。

圖5 資策會智慧網通系統研究所工程師陳秋紋提到,R15版本的技術內容還有許多尚未完善的部分。

5G涵蓋範圍廣泛,並擁有廣大商機,自然是許多廠商戮力投入的「藍海」,跟據資策會MIC的研究,全球5G價值鏈總產值達3.5兆美元,並創造2,000萬個就業機會。

但在掌握5G商機前,需要仔細盤點自身的優勢與核心能力,搭配5G網路的技術特性,提出適合的產品與解決方案。不同應用面對的市場與客戶,需求差異非常大,要深入了解客戶的需要,尤其在軟體設計與商業模式部分。一個明顯的例子就像NB-IoT,目前很多營運商是延續過去行動通訊門號收費的模式,透過SIM卡以數據流量來計費,現階段看來推動都相當辛苦,未來應該透過更具創意的商業模式,開拓該市場的商機。

5G商轉箭在弦上

另一方面,2018下半年到2019年將是5G商轉的元年,今年已有英國與韓國完成頻譜拍賣,11月美國也將接棒競標,其中韓國算是最積極的國家,已經同時完成3.5GHz與高頻的28GHz頻譜拍賣,其中3.5GHz共280MHz,由SK Telecom取得100MHz、KT取得100MHz、LG U+則取得80MHz;高頻毫米波28GHz部分,總計2400MHz的頻帶,各家均取得800MHz,標金總計32.5億美元,2018年12月1日,業者可以開始使用得標的頻譜,預計在首爾開始布建3.5GHz,2019年再導入28GHz。

而英國則是最早於2018年4月完成3.4GHz頻段的5G執照拍賣,由Vodafone、O2、EE三家電信公司取得150MHz頻譜,拍賣金額約11.5億英鎊。

美國2018年第四季執行28GHz毫米波頻段的拍賣,總計850MHz頻寬,競標底價總額約1.26億美元,預付款6,300萬美元,也已經規畫好下階段24GHz頻譜的拍賣,約700MHz資源,是美國第一階段5G毫米波頻段商用化的起點。

至於台灣目前NCC規畫在2019年底進行3.5GHZ頻段的拍賣,高頻部分還要再等等。

韓國電信商KT預計在2018年12月後盡快商轉,可能為全球5G營運拔得頭籌,KT搶攻5G不只在平昌冬運率先試行5G網路,更宣布要打造5G自駕車平台,提高無人車的安全性。

現階段,5G固定無線寬頻(Fixed Wireless Access, FWA)被看好是5G商業化第一個成功的業務模式,該技術是採用5G基地台,省去有線寬頻的布線,資策會MIC資深產業分析師鍾曉君解釋,FWA可提供大頻寬無線接取,更多高頻段頻譜可提供高速連結,尤其在偏遠地區部署具備成本優勢。據產業研究機構ABI報告指出,預估全球FWA市場在2018年產業規模將達到180億美元,2022年將成長到452億美元,年複合成長率(CAGR)達26%。

電信營運商Verizon預計2018年底在美國五個城市提供FWA服務;澳洲電信商Optus 2019年初在主要城市地區推出固定無線5G服務;英國電信商Arqiva與Samsung合作啟動毫米波FWA試驗;羅馬尼亞Orange和三星、Cisco合作於2018年下半年開始5G固定無線連結毫米波試驗合作。FWA以5G固定無線接取網路,取代光纖固網連結最後一哩,偏遠地區光纖部署成本偏高,消費者只要在屋外部署網路AP,再透過Wi-Fi將訊號轉到室內,是低成本又可行的家用無線寬頻解決方案。

5G產業築夢踏實

儘管5G口號喊得很響亮,商轉也時有進展,但大部份營運商現階段都還是非常審慎,畢竟5G網路建設經費所費不貲,2022年營運商5G網路布建經費投入預計高達80億美元,加上各國頻譜拍賣標金,投資回收率還不具體,周勝鄰認為,就以組網方式而言,儘管大陸的中國移動對外宣稱要直接採用SA組網方式,但大部份營運商應該還是會以漸進式的推動網路布建(圖6),其中Option 3是以4G核網與4G基地台為主,在資料傳輸上再透過5G基地台提供高速傳輸,被認為是早期的5G服務組網模式。

圖6 5G組網方式演進
資料來源:工研院資通所(7/2018)

再者,營運商會逐漸布建5G核心網路,但舊有4G基地台還是協助訊號涵蓋率,就是Option 7的組網方式;接下來再發展Option 4的組網方式,透過5G核心網路與基地台提供大部分服務,無論訊令或資料都以5G架構為主,4G基地台提供訊號不足的補充覆蓋;最後一個階段才會進展到Option 2也就是純粹5G網路連接模式。

展望未來,5G R15真正代表一個新的起點,鍾曉君提出,5G的發展影響的不僅僅是通訊產業,2026年,垂直產業數位化為ICT業者帶來1.32兆美元與5G有關的商機。另外,營運商協助垂直產業導入與5G有關的數位化服務過程中,可以獲得超過6,000億美元的營收。接下來5G終端晶片將持續如雪片般問世,2019年第一季末,行動通訊大會MWC預計就是5G手機的第一個展示舞台。

但就目前的發展看來,高頻毫米波的訊號特性在實際應用時可能遭遇的問題,5G智慧型手機的穩定性、訊號覆蓋率、終端尺寸與功耗、晶片與手機的成本,看起來都還有一些問題。另外,消費者對於4G網路服務在速度的追求上還有哪些應用可以推升?消費者還願意付出多少費用取得新的服務?電信營運商對於網路管理有沒有更前瞻與成熟的做法?垂直產業之間新興業務模式如何建立?水平產業的異業結盟如何深入且有效?5G的應用需求如AR/VR、行動4K/8K、3D影像等成熟了嗎?這些問題都有待時間與人們的智慧加以解決。

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