第五代行動通訊系統的發展，源起於2012年國際電信聯盟無線電通訊部門(ITU-R)所設下的IMT-2020與未來發展藍圖，自此開始下世代行動通訊系統的願景與技術研究。而全世界各國家、產業組織、與國際公司也紛紛投入發展第五代行動通訊系統的行列。發展至今，第五代行動通訊系統(即IMT-2020系統)在全世界期待之下，將於2020年面世，並肩負起下世代行動通訊發展之任務。
IMT-2020行動通訊與系統需求
ITU-R訂定下世代行動通訊系統之目標，在確保無線電信服務之發展，並可同時促進服務的創新與滿足使用者需求。因此第五代行動通訊系統標準將會是一個能支援各種應用，具有彈性及多種發展可能性之網路系統。依據ITU-R的研究規畫，第五代行動通訊系統必須支援三大應用場景，分別為增強行動寬頻(eMBB)、巨量物聯通訊(mMTC)、以及高可靠低遲延通訊(uRLLC)。ITU-R亦設下了最低系統效能需求，作為各國際標準組織準備遞交之國際行動電信IMT-2020系統候選提案以及系統效能評估的依據。
依據ITU-R Report M.2410所設下之條件，IMT-2020候選系統之提案可朝向Indoor Hotspot-eMBB、Dense Urban-eMBB、Rural-eMBB、Urban Macro-mMTC、以及Urban Macro-uRLLC等五大測試環境來發展標準系統(如表1)，而唯有通過ITU-R之評估鑑定，且至少滿足兩個eMBB、一個mMTC、與一個uRLLC測試環境效能需求之候選系統提案，方可被ITU-R正式認可為國際行動電信IMT-2020系統。
表1 IMT-2020系統效能需求
資料來源：ITU-R；工研院整理(09/2018)
IMT-2020通訊系統候選技術
ITU-R已於2017年2月公開向全世界各國家與產業組織徵求IMT-2020之系統技術提案[1]，並規畫於2020年確定並公告符合IMT-2020系統需求規格[2]之系統，使之成為全球第五代行動通訊系統標準。因應ITU-R之提案徵求，截自2018年10月止共有來自兩大標準系統、共6件候選系統提案遞交至ITU-R，分別是來自3GPP之LTE結合NR之群組提案(Set of Radio Interface Technology, SRIT)與獨立NR提案[3]、來自韓國之獨立NR提案[4]、來自中國之NR提案[5]、來自印度TSDSI之NR提案[6]、與ETSI所提之DECT-2020提案[7]。由於包含韓國、中國、與印度TSDSI在內之候選系統提案，皆是基於3GPP所發展之標準系統技術所提出，因此本文以3GPP之NR系統提案技術為主題，探討5G系統效能與初步技術評估之結果(圖1)。
圖1 IMT-2020候選系統提案
資料來源：ITU-R；工研院整理(10/2018)
IMT-2020候選系統評鑑與效能評估
ITU-R為評鑑來自各單位之候選系統提案，以幫助確定全球第五代行動通訊系統標準，於2017年10月向全世界公開徵求獨立評鑑群組(Independent Evaluation Group, IEG)之註冊[8]，以協助確定各個候選提案之系統效能是否符合當初為IMT-2020系統所設下的技術效能需求。以下就跨太平洋評鑑群組(Trans Pacific Evaluation Group，TPCEG)[9]所提之初步系統效能分析結果，來探討IMT-2020候選系統各技術需求所相對應之議題。
在ITU-R M.2410所設下之效能需求中，IMT-2020候選系統必須在eMBB的所有測試環境，滿足下行鏈結30bps/Hz之峰值頻譜效率、以及上行鏈結之15bps/Hz峰值頻譜效率的條件。依據跨太平洋評鑑群組於2018年10月遞交至ITU-R之初步研究報告，3GPP NR提案技術於6GHz以下頻段之下行鏈結峰值頻譜效率之平均效能為43.92bps/Hz，而上行鏈結峰值頻譜效率之平均效能為23.69bps/Hz；於24GHz以上頻段，下行鏈結峰值頻譜效率之平均效能為42.91bps/Hz，而上行鏈結峰值頻譜效率之平均效能為23.55bps/Hz。在兩頻段之效能研究下，下行鏈結與上行鏈結之峰值頻譜效率，皆可滿足IMT-2020於eMBB測試環境下之系統效能需求。因此依據跨太平洋評鑑群組之效能研究，3GPP之NR系統提案應可通過ITU-R於此條件下之檢驗。細部之效能評鑑資料，6GHz以下頻段之相關資料請參閱表2，而24GHz以上頻段之相關資料請參閱表3。
表2 3GPP NR提案技術於6GHz以下頻段之峰值頻譜效率
資料來源：跨太平洋評鑑群組/工研院(10/2018)
表3 3GPP NR提案技術於24GHz以上頻段之峰值頻譜效率
資料來源：跨太平洋評鑑群組/工研院(10/2018)
從表2及表3之效能研究資料中可以發現，在相同的子載波間距(Sub-Carrier Spacing, SCS)條件下，越大的配置頻寬將可增加系統之峰值頻譜效率，例如在6GHz以下頻段、下行鏈結子載波間距為30kHz之條件下，隨著配置頻寬從5MHz增長至100MHz，3GPP NR系統之峰值頻譜效率可從37.66bps/Hz提升至46.74bps/Hz，效能增加將近25%。相同之結果亦可在24GHz以上頻段之效能研究資料得到佐證，即增加系統配置頻寬可分別增加上行鏈結與下行鏈結之峰值頻譜效率。另一方面，若是系統使用相同之配置頻寬，減少子載波間距也會幫助提升系統之峰值頻譜效率。例如，在表4同是配置10MHz系統頻寬之條件下，子載波間距若從60kHz縮小至15kHz，可將下行鏈結峰值頻譜效率從37.66bps/Hz增加至44.51bps/Hz，提升效能約18%。
表4 3GPP NR提案技術於下行鏈結之峰值資料傳輸率
資料來源：跨太平洋評鑑群組/工研院(10/2018)
經由分析後發現，越大的配置頻寬與越小的子載波間距，將有助於降低保護頻段比例(Guard Band Ratio)，使頻譜的使用更為有效率。其原因在於，保護頻段並無法用來傳輸資料，所以在配置系統資源時，應盡量減少保護頻段的比例。若是系統頻譜配置不當，使系統在高保護頻段比例之條件下運作，將導致頻譜資源的浪費進而影響系統之效能。
ITU-R在M.2410為IMT-2020標準系統所設下的峰值資料傳輸率需求條件為，下行鏈結20Gbps與上行鏈結10Gbps，而3GPP之提案系統技術必須在所有eMBB測試環境下達到此系統效能條件。跨太平洋評鑑群組TPCEG亦已完成針對3GPP NR提案技術在此測試條件下之效能評鑑，表4顯示3GPP NR提案技術於下行鏈結之峰值資料傳輸率，包含6GHz以下第一頻率範圍與24GHz以上第二頻率範圍，在不同單位載波(CC)頻寬與子載波間距(SCS)之效能測試[10]。表5則是整理在相同設置條件下，上行鏈結峰值資料傳輸率之效能分析結果。從表4之分析資料中可以得知，無論是在6GHz以下，或是在24GHz以上之頻段，3GPP NR系統透過載波聚合(CA)技術，皆可在表中之系統頻率設置下，達到可滿足IMT-2020系統標準之效能條件20Gbps。同樣的，從表5之數據，也可以得到相同之結論，即3GPP NR系統可透過載波聚合技術滿足IMT-2020系統標準之上行鏈結效能需求10Gbps。
表5 3GPP NR提案技術於上行鏈結之峰值資料傳輸率
資料來源：跨太平洋評鑑群組/工研院(10/2018)
如果分析表4與表5之結果，為達到IMT-2020系統技術需求之條件，3GPP NR系統配置之下行頻寬總量必須達到將近500MHz或以上，而達到此系統效能所需之單位載波的數量將因為單位載波頻寬的不同而出現差異。以下行鏈結為例，在6GHz以下第一頻率範圍之測試環境中，若每單位載波頻寬為20MHz，則需要總數為23至25個單位載波之聚合、達到系統總頻寬460MHz至500MHz，才可使系統提供約20Gbps之峰值資料傳輸率，以滿足IMT-2020系統技術需求；若在24GHz以上第二頻率範圍之測試環境中，若每單位載波頻寬為200MHz，則需要3個單位載波之聚合、達到系統總頻寬600MHz，達到25.85Gbps之系統峰值資料傳輸率。從表5之例子中，亦不難看出3GPP NR系統亦需配置約500MHz之上行頻寬，方可滿足上行鏈結峰值資料傳輸率之效能需求，而且此效能條件之達成並不因為系統運行在6GHz以下或是24GHz以上，而出現差異。因此，從此分析資料可以推出，3GPP NR系統為滿足IMT-2020之效能需求，在6GHz以下與24GHz以上之頻段，必須配置之總系統頻寬為上行下行各約500MHz。
基本上，若是單位載波之頻寬不足，雖然理論上可以透過增加聚合之載波個數的方式，來達到增加相同系統總頻寬之結果，但在此情況之下，將會衍生載波管理與額外控制訊號代價(Overhead)等之問題。在3GPP的載波聚合技術中，需倚靠基地台之控制訊號來為行動通訊裝置，提供應時應地的載波啟動(Activation)與停用(Deactivation)的服務[11]，以實現最佳的通訊狀態。然而，依據研究[12]，過多的啟動與停用載波的行為將會由於大量控制訊息的傳遞，而增加上行鏈結的控制代價，其中影響最大的是實體上行控制通道(Physical Uplink Control Channel, PUCCH)與混合式自動重送請求(Hybrid Automatic Repeat request, HARQ)的回報訊息之複雜與浪費。甚且，若是系統已經設置大量聚合載波之個數，這種造成系統效率下降的控制代價，將會越形嚴重。以表4及表5之資料來看，雖然3GPP NR系統可以在每個單位載波20MHz之條件下，來達到IMT-2020系統需求的總頻寬，但由於所需要的載波聚合之數量將高達25個單位載波，如此之結果，無疑將導致低效率的無線資源使用，同時亦可能增加系統管理上的複雜度。
下世代行動通訊系統登場 IMT-2020成主流
國際行動電信從2018起開始進行大規模研究及測試，全球產業已於2019年陸續試驗及預商用，部分國家亦已完成頻譜準備，甚至提前開始商用。ITU-R規畫於2020年確定下一代的行動通訊系統IMT-2020之全球標準，目前主流為3GPP系統為基礎之相關標準技術。依據本文之討論分析，為有效率使用系統資源提升運作效率，同時亦促使3GPP提案系統能夠滿足IMT-2020系統之效能需求，在頻譜配置上，應盡可能增加每一個單位載波的頻寬，使得在有限個數的載波聚合條件下，讓總系統運行之總頻寬至少達到上行下行各約500MHz之頻寬，同時每一個使用載波之頻寬，應盡量連續且充足，以減少系統控制時之複雜度與代價，如此方可使頻譜資源的使用達到最佳效益。
(本文由台灣資通產業標準協會提供，作者任職於工研院資通所新興無線應用技術組技術經理，兼任台灣資通產業標準協會前瞻行動通訊技術工作委員會頻譜工作組組長。本文為節錄自台灣資通產業標準標準協會「5G系統頻譜研究報告」之部分內容，並經適當修改後完成。)
