URLLC mMTC eMBB 5G 5G LET

eMBB/URLLC/mMTC鼎立 5G標準制定全面啟動

2017-10-16
國際行動通訊組織(International Mobile Communications, IMT)制定了未來2020年行動通訊發展的框架和總體目標,其技術稱為IMT-2020。IMT針對2020年後的通訊願景,提出了超越現有IMT架構,相關的應用情境包括:
增強型行動寬頻通訊(Enhanced Mobile Broadband, eMBB) 

增強後的寬頻傳輸除了可針對現有的通訊服務提高其傳輸效能並給以用戶無縫的傳輸體驗外,其可進一步開拓新的應用領域和需求。這種寬頻應用情境可涵蓋不同的傳輸範圍,包括廣域覆蓋和熱點傳輸。對於廣域覆蓋的情況下,無縫的覆蓋以及較高的移動速度是主要需求,其數據傳輸速率亦須高於現有的數據傳輸速率。 

在熱點的應用,主要針對具有高用戶密度的區域,其對於移動性的需求較低,但會需要非常高的數據傳輸量,因此此類用戶的數據傳輸率比廣域覆蓋的用戶還高。然而,其高數據傳輸需求會小於熱點傳輸的應用。增強型移動寬頻預期將傳輸速度再提升至下行20Gbit/s、上行10Gbit/s。 

超可靠度和低延遲通訊(Ultra-reliable and Low Latency Communications, URLLC)

此種應用對於數據傳輸量,時延和可靠性的要求非常嚴格。例如工業自動化製造或生產過程的無線控制、遠程醫療手術、智慧電網配電自動化、運輸安全、無人駕駛等,需要高可靠度(錯誤率低於10-5)且低時間延遲(低於1毫秒)的通訊應用。 

大規模機器型通訊(Massive Machine Type Communications, mMTC) 

該應用的特徵在於連接大量元件設備,約每平方公里內有100萬個裝置的機械間通訊需求,其發送數據量較低且對於傳輸資料延遲有較低需求。此外,此元件設備須具有非常低的製造成本,且須有很長的電池壽命。 

由於其他應用情境亦有可能會出現,因此對於未來的通訊服務,符合其彈性應用以適應各式各樣的需求是不可或缺的。圖1為IMT預期在2020年後的一些使用情境範例。 

圖1 IMT對於2020年後的應用情境與範例圖
圖2顯示IMT-2020的8項效能指標與目前IMT-Advanced的比較。IMT-2020的增強型寬頻通訊的峰值數據速率可達到10Gbit/s,在某些條件和情境下IMT-2020將支援至多20Gbit/s的峰值數據速率。IMT-2020將支援各種覆蓋環境下不同用戶需求的增強型寬頻通訊數據速率。對於大範圍的覆蓋情況下,例如在城市和近郊地區,用戶可感受到100Mbit/s的數據傳輸率。 

圖2 IMT-2020的關鍵效能指標與IMT-Advanced的數值差異
在熱點的情況下,用戶體驗數據速率將達到較高值,例如1Gbit/s的室內傳輸。增強型寬頻通訊的頻譜使用效率預期將會比IMT-Advanced高三倍。其中相較於IMT-Advanced的效率成長會依使用情境有所不同,可能會在某些情況下有高達五倍的頻譜使用效率。 

IMT-2020預計將達到10Mbit/s/m2的區域傳輸流量,尤其是在熱點的使用環境下。IMT-2020的無線網路存取能耗將小於目前部署的IMT-Advanced網路,同時還會提供增強型寬頻通訊的功能。因此在考慮網路能量消耗的前提下將是能確保IMT-2020的系統流量相較於IMT-Advanced有足夠大的改善。 

IMT-2020將能夠提供1毫秒的無線通道延遲,並在非常低的等待時間需求下完成服務。IMT-2020還支援高移動速度至500km/h,且提供可接受的服務品質,特別適合高速列車的應用。在大量的機器類型通訊情境,IMT-2020預計可支持最多106/km2的連接網路密度。 

3GPP標準技術發展 

3GPP標準組織規畫與制定5G通訊標準,並提案至ITU-R成為國際認可的5G通訊標準。預計首次提案(Release-15)將在2019年7月前完成,最終提案(Release-16)則是在2020年2月前完成。現階段進行的5G New Radio(NR)的標準化作業Release-15版本從2017年3月開始執行,預期2017年年底完成非獨立(Non-standalone, NSA)NR運作,2018年年中完成獨立(Standalone, SA)NR運作,時程安排如圖3所示(3GPP RP-170741)。 

圖3 非獨立(NSA)與獨立(SA)NR運作時程表
非獨立(NSA)5G NR將利用現有的LTE技術和核心網路作為移動性管理和網路覆蓋範圍的控制平面連結點,同時增加新的5G NR節點來增加用戶平面的容量。獨立(SA)5G NR則是讓5G NR具有完全的用戶平面和控制平面的能力,且可利用新的5G核心網架構。 

除了5G方向之一的增強型行動寬頻(eMBB)用以符合大量傳輸的需求外,另兩個5G的特色則是新服務型態的提供,即大規模機器型通訊(mMTC)以及超高可靠度低延遲通訊(URLLC)。超高可靠度低延遲通訊已在5G的標準制定中被廣泛的討論。以下將進一步針對URLLC與mMTC的標準制定方向進行介紹。 

URLLC標準技術發展

URLLC應用在低時延(Low Latency)與高可靠度(High Reliability)的品質要求非常嚴苛,用戶平面的延遲部分需低至0.5ms以下,錯誤率(Block Error Rate, BLER)在1ms的延遲與封包大小為32bytes的情況下要達到10-5以下(TR 38.913)。為縮短時間延遲,以下幾種技術在標準制定過程中被提出。 

子載波間距的調整 

有異於LTE的15kHz的子載波間距,NR支援的子載波間距約是15kHz×2m,其中m可以是正/負整數或零。對於較大的子載波間距(如30kHz, 60kHz或120kHz),其相對而言會有較小的符元時間長度(Symbol Duration),因此在維持原有訊框架構與排程間隔下,因為符元時間長度的縮短可將整體傳輸所花費的時間減少。 

迷你時槽(Mini-Slot)的設計 

NR針對5G高頻寬的特色與URLLC的需求提出了迷你時槽的資源配置方式,讓資源配置單位能夠最小化。相較於一般的時槽,迷你時槽由更少的OFDM符元所組成,如此一來每一次的資源配置的時間單元便可縮短,相對而言增加了資源配置的頻率。當有緊急事件觸發URLLC的傳輸時,便可因為傳輸機會密度的增加而快速排程所需要的資源給URLLC的使用者。 

無允諾上行(Uplink Grant-free)傳輸技術 

既有LTE的上行傳輸程序包含由用戶端向基站傳送排程請求(Scheduling Request),用於請求上行共享通道資源來傳送上行數據,基站收到請求後會判斷是否有上行資源可供使用,並使用上行允諾(Uplink Grant)方式來告知用戶端所被配置的上行資源位置。而後,用戶端基於此上行允諾訊息來進行上行數據的傳送。 

因為信令交換的關係,從用戶端發出排程請求的時間點到實際能傳送上行數據的時間點產生了不小的時間延遲。NR因此特別針對URLLC的應用提出了無允諾的上行傳輸技術,即預先分配好可以用來傳送上行數據的資源與相關傳送參數給URLLC的用戶端,當有URLLC的封包要傳送給基站時,則可以直接傳送,不須再向基站要求上行資源。 

此無允諾上行傳輸技術增加了基站在接收上行數據的複雜度,例如基站需要能藉由預先配置的資源與用戶端被配置使用的特有的參考訊號,來識別是由哪一個用戶端在哪一個時間點傳送了上行數據,並且需要考慮到分配給用戶端的上行資源若非完全正交的話可能會帶來的碰撞問題(如圖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)

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