不同于過去3G和4G通訊技術改朝換代的重點，5G除要達到更佳的寬頻速率、聯(lián)網(wǎng)品質(zhì)及能源效率等性能指標外，最大的特點是從需求、設計階段即考量物聯(lián)網(wǎng)(IoT)多元應用情境，以提供毋須布線、覆蓋率高、再用性高的全新行動通訊技術。

　　行動通訊技術在過去三十年里一路從類比行動演進到4G，每一代標準的傳輸吞吐量(Throughput)都有大幅提升，以滿足個人行動服務的需求。不過，不同于過去的行動通訊技術改朝換代，5G行動通訊技術將在頻譜效率(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。此外，除了人對人(Human-to-Human, H2H)的應用情景，更增加了人對機器(Human-to-Machine, H2M)，甚至是機器對機器(Machine-to-Machine, M2M)通訊的應用情景，如圖1所示。

　　圖1　5G應用情景

　　5G不是升級而是革命　各國積極介入標準制定

　　因為新一代行動通訊系統(tǒng)需要面對各式各樣應用情景的要求，增加網(wǎng)路系統(tǒng)設計的復雜度及挑戰(zhàn)性。簡單來說，5G不是4G的升級，而是行動通訊的革命。因此，從2012年起，美、中、日、韓各國皆陸續(xù)投入5G技術的研究與發(fā)展，冀望在5G的發(fā)展上占有舉足輕重的角色。此外，歐洲有多家營運商、設備商，甚至跨足汽車、能源、農(nóng)業(yè)、運輸、智慧城市、公共安全等產(chǎn)業(yè)，跨國、跨產(chǎn)學業(yè)界、跨區(qū)域的國家層級專案研發(fā)計劃，如行動暨無線通訊網(wǎng)路驅(qū)動計劃(Mobile and Wireless Communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society, METIS)、新世代行動網(wǎng)路聯(lián)盟(Next Generation Mobile Networks Alliance, NGMN Alliance)等，將為5G行動和無線通訊系統(tǒng)奠定理論與技術基礎，在需求、特性和指標上達成共識，充分討論概念、雛形、關鍵技術等議題。

　　國際電信聯(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、流程與時間表(圖2)。根據(jù)目前提出的時間表，將在2016年與2017年間訂出5G的技術效能規(guī)格、標準評估辦法與無線介面技術，正式規(guī)格要到2019年或2020年才會出爐，屆時新的5G系統(tǒng)也將隨之問世，將展現(xiàn)行動寬頻的各種應用，諸如高畫質(zhì)的影片服務，高可靠且低延遲的各式應用及物聯(lián)網(wǎng)應用。

　　圖2　5G行動網(wǎng)路標準時間表

　　納入物聯(lián)網(wǎng)應用需求　5G技術發(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、設計階段即考慮物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things, IoT)的應用。為了適應不同的應用，具備毋需布線、覆蓋率高、再用性高的行動通訊技術成了相當重要的承載媒介。

　　然而，物與物之間的通訊仍有相當大的困難尚待解決，例如要如何降低大量M2M通訊對現(xiàn)有通訊網(wǎng)路的影響，同時也要避免M2M通訊增加網(wǎng)路營運維護的復雜度。因此，M2M的發(fā)展將未來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網(wǎng)路互相連結(jié)，以進行各類控制、偵測、識別及服務，為人類提供更便利、舒適及安全的生活。

　　MTC/M2M技術發(fā)展及標準化概況

　　3GPP標準組織將M2M稱之為機器型態(tài)通訊(Machine Type Communication, MTC)，是一種新興的通訊架構，以機器終端設備為主，具備網(wǎng)路通訊能力，可智慧互動地提供各式各樣前所未見的應用與服務，例如：監(jiān)控、控制、資料擷取等資訊化的需求。

　　其實，早在2002年時，M2M業(yè)務的概念已經(jīng)被提出，但礙于通訊技術尚未成熟，發(fā)展仍屬于啟蒙階段，例如自來水、電力公司的自動抄表及數(shù)位家庭應用等。隨著無線通訊技術的快速發(fā)展，M2M的應用服務進入快速發(fā)展的階段，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、公共安全、城市管理、醫(yī)療、大眾運輸及環(huán)境監(jiān)控上，都可看到M2M的應用，例如：智慧節(jié)能、智慧車載、智慧醫(yī)療、智慧城市、智慧物流等，這些服務及應用的整合，非常仰賴M2M的技術開發(fā)。

　　由于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)快速起飛，更加需要M2M技術的統(tǒng)一標準化的整合；目前國際間有相當多的標準組織機構投入M2M標準化的研究工作，當中包含ITU-T、ETSI、IETF、IEEE、3GPP、OMA、Zigbee等聯(lián)盟。依據(jù)每個標準組織的研究方向及重點，M2M國際標準組織可分為整體架構類、感知延伸類、網(wǎng)路延伸類及業(yè)務應用類，每個類別的具體內(nèi)容如下：

　　整體架構類

　　針對M2M需求、點對點架構、標識解析、網(wǎng)路管理及安全等問題進行標準化研究，典型的標準組織有ITU-T SG13、ETSI TC SmartM2M、OneM2M、CCSA TC10等。

　　感知延伸類

　　針對部分低傳輸速率和近距離無線通訊技術進行標準化，相關技術包含近距離無線通訊技術、感測網(wǎng)路與電信網(wǎng)路融合及輕量型IPv6技術，典型的標準組織有IEEE802.15、IETF 6LoWPAN 、CCSA TC10、Zigbee聯(lián)盟等。

　　網(wǎng)路通訊類

　　針對M2M承載網(wǎng)路等進行轉(zhuǎn)換和最佳化工作，有關的技術包含無線連線網(wǎng)路增加、核心網(wǎng)路增強、環(huán)境感知、異質(zhì)網(wǎng)路融合等，典型的標準組織有ITU-T、3GPP、CCSA TC5、IETF、ETSI等。

　　業(yè)務應用類

　　針對企業(yè)應用、公眾應用、跨企業(yè)應用及應用中介軟體平臺進行標準化，其重點應用領域包含智慧交通、智慧家居、智慧電網(wǎng)、健康醫(yī)療等，典型的標準組織有IETF、CCSA TS10、ETSI、OGC等。

　　MTC/M2M的挑戰(zhàn)與解決方法

　　機器型態(tài)通訊跟人類型態(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：開關訊號、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)路架構來傳送機器型態(tài)裝置的訊息，可能會造成系統(tǒng)過于壅塞或不符合成本效益等問題。

　　因此，為了滿足物聯(lián)網(wǎng)時代各式各樣的應用，LTE-A網(wǎng)路系統(tǒng)架構已針對M2M業(yè)務的需求進行系統(tǒng)最佳化，如考慮LTE-A網(wǎng)路接取機制所面臨的困難與挑戰(zhàn)：隨著機器型態(tài)通訊裝置的巨量增加，隨機接取通道(Physical Random Access Channel, PRACH)的不足，造成資料傳輸擁塞、系統(tǒng)負載過于沉重，導致延遲過長及連線失敗。

　　如何設計隨機接取機制來滿足巨量裝置連結(jié)，且不影響人類型態(tài)通訊的品質(zhì)，M2M技術發(fā)展上的一個重大議題。

　　LTE-A隨機接取機制包含競爭式及非競爭式的接取過程，當中競爭式隨機接取透過隨機接取前置碼(Preamble)、隨機接取回覆、連線要求及競爭解決，四個步驟來完成RRC連線；因應機器型態(tài)通訊系統(tǒng)不同應用的需求，隨機接取機制的改良可從接取成功機(Access Success Probability)、前置碼碰撞比率(Preamble Collision Rate)、及接取延遲(Access Delay)等指標來做為設計目標，目前文獻中針對隨機接取機制改良的方法有：限制存取層級機制(Access Class Barring, ACB)、回避機制(Back-off)、分離RACH、RACH動態(tài)調(diào)整等方法。

　　然而，現(xiàn)行LTE-A系統(tǒng)需要嚴格的同步處理以保有子載波間的正交性，當中牽扯許多基站與終端之間復雜的運算，不適用于MTC各式各樣應用情景的需求，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，這類型的業(yè)務通常具有傳輸量小、移動性小、使用性小、覆蓋率高及容忍傳輸延遲等特性，例如：公共設施的監(jiān)控與管理、環(huán)境監(jiān)測、智慧城市等

　　Mission-critical MTC

　　要求高可靠度、高可用性及即時的網(wǎng)路通訊能力，這類型的業(yè)務通常需要極高可靠、極低延遲的特性，例如：無人車自動巡航、智慧工廠自動化控制、虛擬實境或增廣實境的應用等

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

　　FBMC

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

　　UFMC

　　相較于FBMC，UFMC是對一組連續(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，支援不同的服務需求。但面臨大尺度多路徑延遲(Large-scale Multipath Delay)的通道時，需要更高階的濾波器設計，并增加收發(fā)機的復雜度；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，減少訊號的峰均功率比(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、符元長度及保護區(qū)間(Guard Band)，提供更廣泛的應用。

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

　　NB-IoT成MTC/M2M討論熱點

　　窄頻物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band IoT, NB-IoT)通訊技術規(guī)格為近一兩年新興的概念，在2016年世界行動大會(Mobile World Congress, MWC)有許多智慧應用的展出；在標準規(guī)格上，2015年的3GPP會議中被提出討論，并預計在2016年的3GPP會議將其納入R13標準規(guī)格中；另外，多家國際大廠的聯(lián)合下，如中國移動、華為、諾基亞(Nokia)、愛立信(Ericsson)、英特爾(Intel)、Vodafone、高通(Qualcomm)等積極投入與推動下，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，希望一個終端設備定價可在5美元以下；更寬廣的覆蓋范圍，希望可傳輸距離可達20公里；大量布建，每平方公里的范圍內(nèi)可達到一百萬個終端設備。

　　雖然在3GPP R12的規(guī)范里已定義了LTE MTC終端Cat.0標準，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20MHz，與標準LTE相同。在R13上也有另一個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：

　　當中每個規(guī)格各有它的適當應用，Cat.0主要用于穿戴式電子與能源管理，如健身類智慧手表、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、城市基礎建設(即停車投幣機記錄、路燈管理)等；而NB-IoT則偏向產(chǎn)業(yè)應用，如環(huán)境監(jiān)督、智慧建筑。

　　NB-IoT另一個相關技術專有名詞─低功耗廣域網(wǎng)路(Low Power Wide Area Network, LPWAN)，強調(diào)覆蓋范圍大且待機時間長特點，目前主流通訊技術有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的ISM頻段，以極低電力傳送小量資料做智慧聯(lián)網(wǎng)的應用；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，物聯(lián)網(wǎng)解決方案則相對成熟，預計2016年底送案，將率先帶動智慧化城市的應用。NB-IoT因為使用申請頻段，可減少其他服務所產(chǎn)生的干擾；另一個特征是頻寬設定為200kHz，與GSM相同，有利原持有GSM的業(yè)者切入NB-IoT。

　　NB-IoT問世代表營運商正式加入提供IoT服務，未來NB-IoT這類相對低廉的基礎建設，讓企業(yè)更愿意嘗試IoT的應用，加速智慧化的發(fā)展。

　　導入機器型態(tài)通訊　5G設計必須更靈活

　　不同于人類型態(tài)通訊技術，機器型態(tài)通訊面臨各式各樣的應用情景，為了滿足各種情景的需求，可以預期的是系統(tǒng)設計上將更加復雜且更具彈性化；目前沒有統(tǒng)一化的方針或準則可滿足5G應用的所有要求；因此，彈性化的設計方法，因應不同情景的要求，做出最佳的系統(tǒng)配置，為未來5G系統(tǒng)設計的方向。