工研院資通所 林咨銘 包偉丞 葉庭語 蔡峻嘉 周威宏

第五代行動通訊系統(5th Generation Wireless Communication System)簡稱5G，依據國際電信聯盟(International Telecommunication Union，簡稱ITU)發展國際行動電信(International Mobile Telecommunications，簡稱IMT)系統的願景建議書，必須為三種應用情境，即增強行動寬頻(Enhanced Mobile Broadband，簡稱eMBB)、巨量物聯通訊(Massive Machine Type Communications，簡稱mMTC)、以及高可靠低遲延通訊(Ultra-reliable and Low Latency Communications，簡稱uRLLC)，提供更快速、更高容量、以及更可靠的行動通訊服務。本文將介紹5G標準系統之發展，以及相關系統技術之效能評估。

何謂5G標準系統

5G標準系統之發展，源起於2012年ITU所定下、關於IMT系統於2020年之發展藍圖，自此開始IMT-2020行動通訊系統之願景擘劃、技術研究、與標準制訂。全世界各國家、產業組織、與國際公司即遵循該發展藍圖，依據國際電信聯盟所訂下的各式應用場景以及系統效能需求為基礎，開始投入資源發展5G系統。在ITU之規畫中，如圖1所示，IMT-2020標準系統之發展，主要分為5個程序，分別是(1)願景研究、(2)需求確定、(3)提案徵求、(4)效能評估、與(5)標準決議。其中，ITU在第二階段完成未來IMT系統所必須滿足之最低技術需求，並以該需求作為各國際標準制訂組織發展IMT-2020行動通訊系統之依據。依據ITU所設下之條件，IMT-2020行動通訊之候選系統提案可朝向Indoor Hotspot-eMBB、Dense Urban-eMBB、Rural-eMBB、Urban Macro-mMTC、以及Urban Macro-uRLLC等測試環境來發展5G標準系統[1]。唯有通過一定之評估鑑定，且系統技術效能經研究證實可在五大測試環境中，同時滿足三大應用情境之需求，方可被ITU正式認可為是符合5G通訊需求之IMT-2020行動通訊系統[2]。

圖1 5G標準系統之發展

IMT-2020全球5G候選系統技術

依照ITU關於IMT-2020標準系統之發展程序，所有的系統技術提案已經於2019年完成遞交。在所有完成的提案中、符合收件程序的無線介面技術(Radio Interface Technology，簡稱RIT)，包含有來自6個提案單位組織之5大候選技術，整理如圖2。

1. 首先，由3GPP所提出之E-UTRA/LTE RIT技術[3]，可適用於eMBB、mMTC、以及uRLLC等三大應用場景，所採用的技術包含有OFDMA、TDMA、CDMA、以及SDMA，而調變方法則是可含括QPSK至256QAM，同時支援FDD與TDD之多工模式，並可支援6GHz以下。
2. 第二個候選RIT技術為NR(即New Radio，簡稱NR)，由3GPP、韓國、中國、DECT(即歐盟)、以及TDSSI(即印度)等單位組織所共同支持。該NR技術，除了與LTE一樣，在三大應用場景，可同時支援OFDMA、TDMA、CDMA、與SDMA等存取技術，與QPSK至256QAM之調變方法之外，主要的多工模式為TDD，可使用的頻段亦包含6GHz以下、24.25-29.5GHz、以及37-40GHz。
3. 第三個候選RIT技術為由歐盟ETSI與DECT Forum所共同提出之DECT-2020[4]。DECT-2020 RIT技術僅鎖定在mMTC與uRLLC等2大應用場景，並可在TDMA與FDMA之存取技術下，支援BPSK至1024QAM之調變方式，並利用1880-1900MHz之DECT Band，和1900-1980MHz與2010-2025MHz之IMT-FT Band來提供TDD之無線接與服務。
4. 第四個則是由印度之TSDSI組織所提出，專為低移動與廣域涵蓋(Low Mobility Large Coverage，簡稱LMLC)來提供無線接取服務之RIT技術[5]。該RIT技術鎖定在mMTC之廣域村莊情境，以OFDMA與TDMA之BPSK與QPSK調變、在FDD半多工之設置之下，運行於452.5-2155MHz之頻段範圍。
5. 最後一個候選提案為中國大陸新岸線(Nufont)公司所提出增進特高傳輸(Enhanced Ultra High Throughput，簡稱EUHT)RIT技術[6]。EUHT技術改進自IEEE 802.11標準技術，以OFDMA、TDMA、與SDMA等技術來在3大應用場景實現BPSK至1024QAM之無線接取。該候選技術除了已經在上海、北京等都會地區利用500~700MHz、1.8GHz、與5.8GHz來提供商用無線接取服務之外，未來亦將支援其他6GHz以下、24.25-29.5GHz與37-40GHz之運作。

圖2 IMT-2020全球5G候選系統技術整理

工研院5G系統層級模擬平台

遵循ITU之發展規劃，全球各研究單位與國際大廠在完成IMT-2020 RIT候選技術之遞交後，旋即開啟系統效能需求之討論，眾多獨立評鑑群組(Independent Evaluation Group，簡稱IEG)也紛紛加入評估前述RIT候選技術效能之工作，此時系統模擬平台將扮演極重要的角色。

圖3 5G系統層級模擬平台概念

一般而言，如圖3概念所表現，系統層級模擬器(System Level Simulator，簡稱SLS)乃是在模擬數量足夠的基地站台(eNodeB)與數量足夠的使用者(UE)之間相互影響干擾作用，用以觀察實際系統的可行性、比較各種系統的使用者吞吐量分布等等重要的傳輸系統指標。更進一步而言，系統層級模擬亦可模擬大量的基地台與使用者設備之間錯綜複雜的排程、互動、傳送與干擾行為，包含基地台平均傳輸速度、流量影響、使用者封包吞吐量、延遲、公平性等行動通訊系統的網路效能評估。系統層級模擬器除可作為產品開發、研究探索新無線通訊技術、產品效能的佐證資料外，目前亦廣泛在3GPP國際標準組織以及國際電信聯盟中被使用，適合參與國際通訊標準之研發人員使用。工研院為完成IMT-2020系統候選技術之完整評估，則是進一步將3GPP之標準技術完整實現於所開發之5G系統層級模擬平台之上，使該模擬器之功能與國際大廠同步，也通過3GPP之校準程序驗證，並以圖性化界面，如圖4，來提供快速穩定及正確可靠之分析。
工研院之5G系統層級模擬平台支援的功能如下:

模擬結果經過3GPP校準程序驗證
在開發系統層級模擬器各項功能的階段，最重要的是驗證功能是否正確與模擬結果是否準確。這可以透過與3GPP標準參與公司的校準程序來驗證。而工研院之5G系統層級模擬平台已完成校準有：TR 36.873文件的3D SCM通道模型校準、TR 38.901文件的NR高頻通道模型校準、TR 38.802 NR-MIMO功能校準。
執行速度快、程式高度模組化、圖形化分析工具
工研院之5G系統層級模擬平台重要模組有設計優化演算法並採用C/C++程式撰寫，模擬執行速度快。模擬平台程式架構具有高度模組化設計，可縮短入門學習時間。此外亦提供整合的圖形化分析軟體可將模擬器之結果輸出至GUI分析介面，以視覺化的方式分析5G技術內容細節，方便研發人員進行程式開發及除錯。
支援最新5G NR-MIMO功能
5G NR系統利用巨量天線的MIMO技術克服高頻mmWave造成的路徑衰減， 工研院之5G系統層級模擬平台支援交叉極化的多平面天線陣列，以及背對背天線陣列架構。此外亦提供類比與數位的混和式波束成形波天線架構，並支援波束掃描功能。
支援最新3GPP高頻通道模型
通道模型符合3GPP TR 38.901[7]與 ITU-R M.2412文件規範[8]，適用頻率範圍為0.5-100 GHz。為了因應高頻毫米波短波長的特性，工研院之5G系統層級模擬平台之通道模型可支援53-67 GHz的氧吸收效應、高頻訊號的阻礙物效應以及用戶端距離相近時的空間一致性等特性。

圖4 工研院5G系統層級模擬平台介面及特色

3GPP之5G系統技術效能評估鑑定

跨太平洋區域評鑑群組(Trans-Pacific Evaluation Group，簡稱TPCEG)[9]於2017年向ITU註冊成為獨立評鑑群駔，負責協調跨太平洋地區各組職單位關於IMT-2020候選提案之各項系統效能評估鑑定。而工研院模擬平台團隊為使國內產學研之能量能夠展示於國際社會，透過台灣資通產業標準協會(TAICS)加入該組織、共同發展IMT-2020標準系統之行列，並積極對國內各界徵求貢獻研究，運用自開發之5G系統層級模擬平台來針對3GPP之LTE與NR候選提案來進行評估鑑定。工研院除了於2018年10月遞交初始評估報告(ITU-R WP5D 1062)之外[10]，亦於2019年12月完成期中報告(ITU-R WP5D 25)之遞交[11]。以下即以該期中報告，簡要介紹工研院團隊透過TPCEG對3GPP之LTE與NR候選提案所完成之各項技術效能評估，相關流程如圖5所示。

圖5 工研院參與全球5G標準系統評估鑑定

在工研院對於3GPP LTE系統技術之評估期中報告中，一共完成ITU所定義關於必須滿足IMT-2020標準系統效能之7項效能指標。在Peak Data Rate部分，LTE之下行效能為21.568 ~28.4 Gbit/s，上行效能為2.688~13.5872 Gbit/s 可分別滿足IMT-2020系統之效能需求。在Peak Spectral Efficiency部分，LTE有可達到43.292~44.38 bit/s/Hz 之下行效能，與17.8426~21.2308 bit/s/Hz之上行效能。在User Experienced Data Rate部分，即是LTE在eMBB之Indoor Hotspot、Dense Urban、與Rural之不同環境，顯現不同之5th Percentile User Spectral Efficiency之效能，但只要系統配置充足之無線頻譜資源，皆可使LTE實現可滿足下行100 Mbit/s與上行50 Mbit/s之User Experienced Data Rate。接著，在Average Spectral Efficiency與Area Traffic Capacity之效能，LTE也可在如圖6之各式環境達到ITU-R所定義之最小技術效能需求。此外在Connection Density之效能，LTE之NB-IOT也經工研院模擬平台之評估分析後，證實可達到每平方公里超過1,000,000 之裝置連線密度。

圖6 3GPP LTE系統效能評估

在工研院對於3GPP NR系統技術之評估中，一共完成ITU所定義關於必須滿足IMT-2020標準系統效能之8項效能指標。如圖7之整理所呈現，3GPP NR之系統效概括而言能約略高過3GPP LTE之效能。以Peak Data Rate為例，NR可達到38.42~174.76 Gbit/s與4.27~40.5 Gbit/s之下行與上行效能。在Peak Spectral Efficiency部分，NR系統技術也以31.8~48.6 bit/s/Hz與20.0~25.03 bit/s/Hz之下上行效能高過LTE。值得一提的是，NR在eMBB Dense Urban之30 GHz系統環境設置之下，受限於高頻訊號的滲透率(Penetration Rate)，使之無法達到ITU所定下關於5th percentile User Spectral Efficiency之最低技術效能需求，即下行0.225 bit/s/Hz/TRxP與上行0.15 bit/s/Hz/TRxP。但若將滲透率之條件，由80% Low Loss和20% High Loss調整為100% Low Loss之設置，那麼依據3GPP之自我評估報告[12]，NR系統技術即可因放寬無線通道環境的設置條件而可達到ITU所要求之最低需求。此外，在其他之技術效能指標，如Area Traffic Capacity、Reliability、與Connection Density等，3GPP NR之效能經由工研院5G模擬平台之評估分析，大抵上皆可滿足ITU之效能需求。

圖7 3GPP NR系統效能評估

總結

5G的發展在ITU之擘劃之下，早在2013年即開始。發展至今，已陸續完成願景、需求、提案等階段，接下來只要確認眾多系統技術提案可滿足各式應用服務之需求，即可確定全球5G標準系統以及其相關之技術。工研院模擬平台團隊運用所自主開發之5G系統層級模擬平台，針對3GPP之LTE與NR系統技術提案已完成多項評估鑑定之研究報告，成為為全球唯一完成全效能評鑑之獨立評鑑群組，並透過完整之評估數據對ITU提出發展IMT-2020標準意見。經由工研院之評鑑研究發現，3GPP所提之無線接取技術大抵上可滿足ITU所定義之5G需求，包含在eMBB、mMTC、以及uRLLC在內之各項應用環境。然而，在Dense Urban的使用場景中，若是使用毫米波之頻段，如30GHz，來布建5G網路的話，則可能在實務上，會因為效能議題而面臨不小的挑戰。

參考文獻

[1]ITU-R, M.2083 : IMT Vision - "Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond, " September, 2015.
[2]ITU-R, M.2410 : "Minimum requirements related to technical performance for IMT-2020 radio interface(s), " November, 2017.
[3]ITU, IMT-2020 Submission from 3GPP : "Submission received for proposals of candidate radio interface technologies from proponent '3GPP' under Step 3 of the IMT-2020 process, " July, 2019.
[4]ITU, IMT-2020 Submission from ETSI/DECT : " Submission received for proposals of Candidate Radio Interface Technologies from Proponent 'ETSI' (TC DECT), and 'DECT Forum' under Step 3 of the IMT-2020 process, " December, 2019.
[5]ITU, IMT-2020 Submission from TSDSI : " Submission received for proposals of candidate radio interface technologies from proponent 'TSDSI' under Step 3 of the IMT-2020 Process, " December, 2019.
[6]ITU, IMT-2020 Submission from Nufront : " Submission received for proposals of candidate radio interface technologies from proponent 'Nufront' under Step 3 of the IMT-2020 process, " December, 2019.
[7]3GPP, Specification TS 38.901, " Study on channel model for frequencies from 0.5 to 100 GHz, " October, 2019.
[8]ITU-R, M.2412 : "Guidelines for evaluation of radio interface technologies for IMT-2020, " December, 2017.
[9]Trans-Pacific Evaluation Group (TPCEG). Please refer to http://tpceg.org/.
[10]TPCEG, "Initial Evaluation Report for IMT-2020, " September, 2017.
[11]TPCEG, "Interim Evaluation Report for IMT-2020, " December, 2019.
[12]3GPP, Technical Report TR 37.910 V2.0.0, “Study on Self Evaluation towards IMT-2020 Submission,” June 2019.