5G技術發展狀態

工研院(ITRI)資通所新興無線應用技術組資深工程師紀鈞翔。

工研院(ITRI)資通所新興無線應用技術組資深工程師紀鈞翔，快速的介紹行動通訊的演進圖。從1990年代的2G進入數位世界—語音、簡訊應用；2000年的3G(WCDMA、HSPA)開始數據應用—Apps、社群服務；2010年4G(WiMAX/LTE)開始雲端應用—雲端、鉅量資料服務。估計到2020年，像UltraHD 4K、8K視訊解析度標準普及、聯網終端數達到500億台，同時需要10倍於能源/頻譜效益的技術需要，驅動5G行動通訊技術的發展，具備大頻寬、大連結、高傳輸、高容量、低延遲與低功耗特性，提供尖峰10Gbp(用戶體驗速率1Gbps)的傳輸速率，以因應物聯網與智慧城市時代，各種食衣住行育樂應用需求。

他指出，2012年全球4G商用化的第一年，全球產值為140億美元(約合新台幣4,200億元)，據GSA及Ovum機構的預估，2017年4G邁向商用化第五年，全球4G產值可成長五倍來到700億美元(約合新台幣2兆元)。資策會藉此推估，若2020年5G標準底定，預估2021年5G全球產值可達148億美元，2024年5G全球產值上看486億美元；同樣可在5G商用化五年後，全球產值成長五倍，以台灣通訊產業目前約佔全球18%~20%，屆時必能分享此市場大餅。

ITU-R組織以雷達圖，描繪未來5G(IMT-2020)相對於現有IMT-Advanced(LTE-A)的改進之處。像是尖峰/用戶體驗速率從1Gbps/100Mbps提升到10Gbps，裝置移動速率從原先時速350公里提高到時速500公里，以及延遲時間從10毫秒縮減到1毫秒等特性。ITU在2015年6月確定5G IMT-2020有八大需求規範，滿足UHD與幾十Gbps資料量的VR裝置的超大頻寬上網(Extreme Mobile Broadband；eMBB)，應付巨量、低功耗IoT裝置的巨量通訊(Massive Machine Type Communication；mMTC)，與無人駕駛/工業自動化所需的可靠/低延遲通訊(Ultra-Reliable Low Latency Comm.；URLCC)三大應用需求。

世界各國都有其5G規格的制定與推動組織，在ITU-R則是在2015年6月確定分為跟既有Wi-Fi/LTE相容的6GHz以下頻段釐米波(cmWave)，以及2018年6~100GHz頻段以上毫米波(mmWave)的應用。3GPP預計2019提出技術規格(REL17)，而ITU預定2020年10月完成5G標準(IMT-2020)的規格底定，包含世界各國能使用的毫米波頻段的確立。

許多通訊技術大廠也提出對應5G的應用技術與願景圖。像三星提出Cellular IoT、Advanced MIMO、多重無線接取(Multi-RAT)技術；日本NTT Docomo提出含Massive MIMO的新無線接取(New-RAT)、緊密LTE整合(Tight LTE Integration)等技術。大家基本上以6Ghz頻段以上的毫米波，集合陣列天線(Massive MIMO)與巨/小/微型基地台(Small Cells)來提昇傳輸頻寬，組合出其5G的關鍵通訊技術。以操作頻寬來說，目前LTE操作頻寬約20MHz，當跨到6GHz頻段以上，操作頻寬可達到好幾個連續的100MHz，甚至達到1~2GHz；全雙工模式則從目前主流的FDD(分頻多工，上下傳頻率切半)走向彈性化的TDD(分時多工)。而相較於目前常見到的Wi-Fi/4G了不起8組天線(8 MIMO)，6GHz以上頻段的毫米波技術，必須用到至少16組起跳、到32/48/64/128/256的陣列天線，以提昇電波覆蓋率、傳輸容量與頻寬。

產官合作  工研院開發前期5G毫米波關鍵技術

紀鈞翔介紹工研院正在開發的前期5G關鍵技術與成果。在2014年先推出以11GHz無線電頻段、250MHz操作頻寬、16組天線的毫米波無線收發雛型裝置，尖峰傳輸速率(Peak rate)達1Gbps。也由於在台灣未來的5G毫米波頻段尚未確認，工研院這套前期5G無線收發系統採可抽換模組化設計，變更RF模組即可更換操作頻率其基頻單元(Base Band Unit；BBU)採用德儀(TI)6638八核DSP處理器，搭賽靈思(Xilinx)公司的XC7VX485T-2FFG1761 FPGA可程式邏輯閘陣列晶片，以及操作頻段從70MHz to 6GHz的射頻單元模組。

2015年跟聯發科(MTK)合作，換上38GHz、64組Massive MIMO收發天線的射頻模組，成功的開發出全球第一套38GHz毫米波5G工程雛型系統；以64組天線達到相同1Gbps Peak Rate，BS(基地台)系統具備8組64個陣列天線，而UE(用戶端)裝置則以4組天線進行收發；2016年拓展到1.25GHz操作頻寬，達到5Gbps尖峰傳輸速率。相關成果並以測試錄影的影片方式，參與2016年3月在西班牙巴塞隆納舉辦的MWC 2016全球行動通訊大展。

紀鈞翔最後提到日本知名的電信營運商NTT Docomo，正積極與全球各大廠合作。目前已進行15GHz(Ericsson)、28GHz(Samsung)、44MHz44GHz(Mitsubishi)、70MHz 70GHz (Nokia)頻段，做到2.59(時速60公里)~20Gbps(靜止)的連線傳輸速率；另以5GHz(NEC)、6GHz(Huawei)進行互連測試並累積經驗，期望在2020年東京奧運期間，能展示5G技術的實際應用成果。