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趨勢觀點

5G and Beyond – 3GPP無線接取技術的發展與趨勢

工業技術研究院 資訊與通訊研究所 王鴻翔

5G行動通訊的發展,不再僅專注於提供更大的頻寬和支持更高的移動速度,也著重高可靠低遲延特性及大量裝置的通訊應用。長期引領行動通訊標準的第三代合作夥伴計畫標準組織(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)如何在無線接取技術設計上滿足這五花八門的應用需求,繼續稱霸通訊領域?而未來又要如何走才能進一步拓展通訊版圖?本文將解析3GPP所發展的5G無線接取技術奧義與帶您了解未來相關技術發展方向。

 


3GPP在R15與R16奠定了NR無線接取技術的基礎,在R17則擴張技術系統至非陸地領域,更加速5G商用應用方向


5G的技術與應用需求

 

行動通訊的演進,從1G僅提供類比音訊,2G轉為數位音訊與簡訊服務,到3G開始提供行動上網、視訊通話、數據漫遊等更多功能,4G則進一步提供更快的傳輸速度、多樣性的商業模式及與Wi-Fi之間的無縫切換。而5G又會有什麼樣的變化呢?

國際電信聯盟(International Telecommunication Union, ITU) 提出5G需滿足八大技術指標及三大應用需求[1]:技術指標包括高峰傳輸速率達20Gbps、使用者體驗速率100Mbps、頻譜效率相對4G為3倍、移動性最高達每小時500公里、延遲要求為1ms、連接密度為每平方公里達10萬個終端裝置、網路能源效率相對4G提高100 倍、區域傳輸容量為每平方公尺10Mbps;應用需求則包含增強行動寬頻(Extreme Mobile Broadband, eMBB)、巨量物聯通訊(Massive Machine Type Communication, mMTC)以及高可靠低遲延通訊(Ultra-reliable low latency Communication, URLLC)。而於2020年通過國際電信聯盟驗證符合5G的提案[2],大多都以3GPP標準組織所開發的新無線電(New Radio, NR)技術為基礎。

NR技術發展在3GPP Release 15(R15)與R16可視為5G技術的發展階段,主要的發展重點為奠定符合5G需求的技術基礎。而自R17開始迄今(包含即將到來的R18)則可視為5G演進的階段,藉由開發新的5G應用及其對應的技術強化來進一步鞏固與拓展市場[3]。

NR的無線接取技術設計是如何滿足5G不同應用類型與技術指標需求呢?接下來的技術發展方向又要如何符合使用者需求與市場趨勢?本文將依據3GPP的無線接取技術發展進行解析。

 

5G發展時期

 

NR為3GPP通訊系統設計首次跨足高頻領域(6GHz以上)。R15(2019年6月完成)無線接取技術的發展主要是著重與eMBB及URLLC相關應用的5G基礎技術開發,而R16(2020年7月完成)則可視為5G技術發展的第二階段。完成這兩個階段代表NR技術發展已經具備了相對全面的能力,使5G技術標準更為完整。

 

1.R15無線接取技術特徵

 

R15的開發時程規劃主要為配合ITU的5G提案初步遞交時程。考慮與4G長期演進技術(Long Term Evolution, LTE)網路的銜接,R15 NR設計有三個版本[4],其特徵分別如下:

Early Drop:Non-Standalone(NSA)NR,以LTE為核心網路的LTE+NR共同運作架構。
Main Drop:Standalone(SA)NR,包含以NR核心網路的NR獨立運作架構。
Late Drop:包含其他各類以NR核心網路的NR+LTE共同運作架構。

R15在無線接取技術設計上著重了系統彈性(flexibility)與未來相容性(compatibility)這兩個特點,以符合多元的應用服務、不同的頻帶運用(包括7GHz以下與24GHz以上)、以及各式各樣的布建可能(如室內熱點或更廣域的室外布建等等)。

為了符合5G的需求,在實體層(Physical Layer)存取技術的開發上,可歸納出下列四點特性:

  • 高頻運作技術相關:NR運作包含了FR1(450 MHz ~ 7.125 GHz)與FR2(24.25 GHz ~ 52.6 GHz)兩個頻帶區間。為了讓高頻運作更為順利,採用新的實體層參數(numerology)設計,有5種不同的子載波間隔設計(包括15/30/60/120/240KHz)。15 KHz 的選用主要是和4G LTE能相容;而較高頻帶的運作則使用較大的子載波間隔設計,以提供較短的時間延遲,並減少快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform, FFT)電路設計上的要求。此外也採用多波束運作(multi-beam operation)技術來克服高頻通道衰減效應或易受阻隔的情形,以提高傳輸範圍或提升傳輸可靠度。
  • 大頻寬接取技術相關:大頻寬接取雖然可以達成更高的資料傳輸速率,但所需的電力消耗也跟著增加。為了減少裝置的功耗,NR採用了部分頻寬(Bandwidth Part, BWP)技術:讓裝置端能先以小部分的頻寬運作來確定是否需進一步執行大頻寬的運作。透過避免全時段開啟大頻寬的運作來達成功耗減少的目的。
  • 低傳輸延遲與高傳輸可靠度相關:包含自含式(self-contained)子訊框(subframe)架構及迷你時槽(mini-slot)的設計。前者使用分時多工的方式讓一個子訊框同時具有下行與上行傳輸資源,以符合不同的應用需求(例如回傳資料接收狀況或通道狀態訊息等等);而後者為由更少的正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)符元(symbol)所組成,讓進行資源配置的時間可縮短,當有緊急事件觸發URLLC的傳輸時可因傳輸機會密度的增加而進行快速排程資源給URLLC使用者。此外NR中的重傳單位不再是傳輸區塊(Transport Block, TB),而是由多個編碼區塊(Code Block, CB)組成的編碼區塊群組(Code Block Group, CBG),結合多重混合型自動重傳請求-肯定應答回饋(Hybrid Automatic Repeat Request- ACKnowledgement feedback, HARQ-ACK feedback)設計滿足資料傳輸量與可靠度的平衡。
  • 進階通道編碼技術:由於5G系統設計須同時滿足eMBB與URLLC可靠性要求,考慮資料傳輸的錯誤更正率(可靠度)與對應的演算法複雜度(處理速度與硬體成本/功耗)問題,傳統的渦輪碼(Turbo Code)技術已不敷使用。為了滿足長資料量的數據通道(Data Channel)及短資料量的控制通道(Control Channel),NR各採用了低密度奇偶校驗(Low-density parity-check code, LDPC code)與極化碼(Polar Code)的作為新的通道編碼技術。


而在第二層資料連結層(Data Link Layer)技術的開發上,可歸納出下列三點特性:

  • 符合5G服務品質(Quality of Service, QoS)的要求:因應5G核網對應複雜的QoS需求而採用更小粒度(granularity)的服務品質流(QoS flow),NR新增服務數據適配協定(Service Data Adaptation Protocol, SDAP)將QoS flow對映到傳統較大粒度的數據無線載體(Data Radio Bearer, DRB),以降低無線存取網路端對應的修改幅度,並保有未來可因應核網端變動的彈性。
  • 符合5G傳輸可靠度的要求:對已有的分封數據匯聚協定(Packet Data Convergence Protocol, PDCP)增加封包複製功能(PDCP duplication),可進一步搭配載波聚合(carrier aggregation, CA)或雙連結(dual connectivity, DC)架構來提升傳輸可靠度。
  • 符合5G低傳輸延遲的要求:舊有設計中無線鏈路控制(Radio Link Control, RLC)與媒體存取控制(Medium Access Control, MAC)功能需先知道傳輸區塊大小,並配合其大小來進行資料的切割與排序組裝。在NR中只進行簡易的切割與增加表頭等簡單資訊的動作,而不進行較複雜的排序組裝相關行為,提前完成資料準備以降低傳輸延遲。

 

2.R16無線接取技術特徵

 

在R16無線接取的技術發展上可歸納為兩個方向(如圖1所示):

  • 5G效能提升:就eMMB方面進一步就網路端、基站端與裝置端進行效能的提升與改進。如增強型多重輸入多重輸出(enhanced Multiple Input Multiple Output, eMIMO)、多無線存取技術雙連結(Multi-RAT Dual Connectivity, MR-DC)、裝置節能(UE power saving)、行動性增強(mobility enhancement)、兩階段隨機存取通道(2-step Random Access Channel , 2-step RACH)等。
  • 擴展蜂巢式網路應用:將NR技術進一步延伸至不同的垂直應用領域。如工業物聯網(Industrial Internet of Things, IIoT),車對萬物通訊(Vehicle to Everything, V2X),非授權頻帶運作(unlicensed access)、定位(positioning)、接取與回程整合網路(Integrated Access and Backhaul, IAB)等。

 


圖1 R16無線接取技術發展的歸納示意圖

5G演進時期

 

NR無線接取技術已在R15與R16奠定的良好基礎,設備商、運營商、終端廠商或是其他應用提供商都可以更積極地進行5G部署。因此在接下來的版本除了持續在技術方面提升外,還需更進一步擴張應用以拓展5G市場。

 

1.R17無線接取技術特徵

 

R17的發展時程受全球的疫情影響而延長,目前預計於2022年6月完成抽象語法符號凍結(Abstract Syntax Notation One Freeze, ASN.1 freeze)。3GPP在R17無線接取技術的技術發展上可歸納為持續演進及加速5G擴展(如圖2所示)。可歸納如下:

  • 持續的寬頻技術演進:如增強型多重輸入多重輸出、多無線存取技術雙連結、裝置節能技術、動態頻譜分享(dynamic spectrum sharing)、多用戶識別模組(Multiple Universal Subscriber Identity Modules, MUSIM)等相關技術演進。
  • 擴展5G系統的布建:包括接取與回程整合網路的增強、涵蓋範圍延伸、邊緣連結中繼(Sidelink relay)、非陸地網路(Non-Terrestrial Networks, NTN)、非陸地網路物聯網(Non-Terrestrial Networks-Internet of Things, NTN-IoT)。
  • 擴展5G裝置應用:如降低能力之NR裝置(reduced capability NR devices)、工業物聯網增強、窄頻段物聯網與LTE機器型態通訊增強(NB-IoT & LTE-MTC Enhancements)等。
  • 新頻帶的接取技術:如上限為71GHz之頻帶接取技術研究。
  • 新的應用服務機會:如延展實境(eXtended Reality, XR)、公分等級定位、邊緣連結增強、多媒體廣播群播服務(Multimedia Broadcast Multicast Service, MBMS)、小資料(small data)傳輸等。

 


圖2 R17無線接取技術發展的歸納示意圖

2.R18 無線接取技術趨勢

 

3GPP組織於2021年4月正式將接續的5G演進發展命名為「 5G-Advanced」,並自R18開始使用新的標誌。而R18在無線接取技術的研發項目預計於2021年12月定案,並自2022年Q2開始進行相關技術會議討論,故在截稿之前尚未定案。然在2021年6月進行的R18 workshop中各公司初步提出建議的技術趨勢[5],主要可分為取得下列三個發展方向上的平衡:(1)行動寬頻演進 vs. 進一步垂直應用的擴展(2)近程 vs. 遠程的商務需求(3)裝置端vs.網路端的演進。

而相關無線接取技術發展趨勢重點可歸納如下(如圖3所示):

  • 寬頻技術相關:因疫情影響了技術討論會議的效益,R17在寬頻通訊討論僅考慮最多可同時進行2個傳送或接收的情境:例如裝置可同時與2個收發節點(transmission/reception point, TRP)進行資料傳輸,裝置端具備2組傳輸模組等等。R18則預期考慮可同時進行更多傳送或接收的情境,及如何對R17相關技術項目的演進。此外也預期向更高的頻帶進行研究發展。
  • 非寬頻技術相關:除了接續演進R17發展的裝置應用、系統布建及新應用服務機會相關項目外,有公司也提出對空中無人載具(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)及高空平台基地台(High Altitude Platform Station, HAPS)另外進行研究。
  • 跨通訊層功能相關:本分類牽涉較緊密的無線存取網路工作組間合作技術研發。除了過去已發展的技術接續演進外,新的應用情境如:網路端的節能、基站間合作(coordination)或網路編碼(network coding) 傳送下行資料,裝置端的聚合(aggregation) 傳送上行資料等也被提出。此外目前熱門的安全性(security)、人工智慧(Artificial Intelligence, AI)及機器學習(Machine Learning, ML)議題也被提出,建議進行在無線接取技術與系統架構相關的研究與設計。

 


圖3 R18無線接取技術發展趨勢的歸納示意圖

結論

 

行動通訊的發展,從語音到多媒體的服務,從人對人到萬物連網。相較於過去,5G行動通訊除了尋求更大的頻寬和更高的移動速度外,也尋求支持高可靠低遲延與大量裝置運作的通訊特性,以滿足更多樣性的服務類型。而隨著形形色色的5G應用情境如雨後春筍般出現,透過共同的技術標準可讓業界更有效率的集中發展相關產品,並加快商業市場腳步[6]。3GPP通訊標準組織在R15與R16奠定了NR無線接取技術的基礎,透過7GHz以下與24GHz以上通訊技術設計滿足了ITU對5G技術提出的八大技術指標及三大應用需求,並成為5G通訊技術的主流。於R17則更進一步擴張系統包含陸地與天空的涵蓋範圍、強化工業物聯網相關技術,以加速5G系統的布建,並開始探索NR新的應用服務機會與更高頻帶通訊的可能。而預期即將到來的R18 5G-Advanced除了持續寬頻相關技術的演進外,也將因應如XR、AI等等相關新興的垂直應用服務及需求來研發或提升技術規範,以拓展更多的商業運用機會。

面對未來標準發展的趨勢,工研院將持續建立通訊核心技術,強化符合國內產學界需求之通訊能量。除了持續發展多天線/多傳輸節點架構相關系統技術、高頻射頻關鍵元件與次系統技術及衛星通訊系統外,也將持續演進所開發的完成ITU 5G系統技術效能評估鑑定[7]之5G系統模擬器[8],進行如智慧工廠、XR、AI等新興應用服務對通訊系統或產品的影響評估、需求分析及找尋技術發展機會,或用以協助學界相關通訊課程來縮短校園與業界的距離。藉由開發符合國內產學界需求的通訊技術,朝向未來溝通無遠弗屆、隨時隨地可連網、以及更有效之頻寬運用的全空間、全時間、全頻帶通訊目標前進。

 

參考文獻

 

[1] IMT Vision towards 2020 and Beyond [Online]. Available: http://www.itu.int/dms_pub/itu-r/oth/0a/06/R0A0600005D0001PDFE.pdf
[2] The ITU website. [Online]. Available: https://www.itu.int/en/Pages/default.aspx
[3] The 3GPP website. [Online]. Available: https://www.3gpp.org//
[4] (2018), “3GPP 5G標準版本簡介:Early Drop? Main Drop? Late Drop?” [Online]. Available: https://www.commresearch.com.tw/Blog/ViewArticle.aspx?guid=6fe9530e-c5bf-49da-8c33-2fcd1296e001
[5] 3GPP, Summary of RAN Rel-18 Workshop RWS-210659
[6] 林咨銘、范建得(2020)。標準市場與競爭,ISBN:9789577111593。台灣。元華文創。
[7] 林咨銘、包偉丞、葉庭語、蔡峻嘉、周威宏 。全球5G標準系統與技術效能評估。電腦與通訊181期。[Online]. Available: https://ictjournal.itri.org.tw/Content/Messagess/contents.aspx?&MmmID=654304432122064271&MSID=1071260142252351272
[8] 5G System Level Simulator – WiSE [Online]. Available: https://www.commresearch.com.tw/Solution/5G_Simulator.aspx