5G已成移动通讯革命，物联网原来可以这么玩

　　不同于过去3G和4G通讯技术改朝换代的重点，5G除要达到更佳的宽频速率、联网品质及能源效率等性能指标外，最大的特点是从需求、设计阶段即考量物联网(IoT)多元应用情境，以提供毋须布线、覆盖率高、再用性高的全新行动通讯技术。

　　行动通讯技术在过去三十年里一路从类比行动演进到4G，每一代标准的传输吞吐量(Throughput)都有大幅提升，以满足个人行动服务的需求。不过，不同于过去的行动通讯技术改朝换代，5G行动通讯技术将在频谱效率(Spectrum Efficiency)、能源效率(Energy Efficiency)及成本效率(Cost Efficiency)提升100～1000倍的前提下，追求其他效能指标。此外，除了人对人(Human-to-Human, H2H)的应用情景，更增加了人对机器(Human-to-Machine, H2M)，甚至是机器对机器(Machine-to-Machine, M2M)通讯的应用情景，如图1所示。

　　图1　5G应用情景

　　5G不是升级而是革命　各国积极介入标准制定

　　因为新一代行动通讯系统需要面对各式各样应用情景的要求，增加网路系统设计的复杂度及挑战性。简单来说，5G不是4G的升级，而是行动通讯的革命。因此，从2012年起，美、中、日、韩各国皆陆续投入5G技术的研究与发展，冀望在5G的发展上占有举足轻重的角色。此外，欧洲有多家营运商、设备商，甚至跨足汽车、能源、农业、运输、智慧城市、公共安全等产业，跨国、跨产学业界、跨区域的国家层级专案研发计画，如行动暨无线通讯网路驱动计画(Mobile and Wireless Communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society, METIS)、新世代行动网路联盟(Next Generation Mobile Networks Alliance, NGMN Alliance)等，将为5G行动和无线通讯系统奠定理论与技术基础，在需求、特性和指标上达成共识，充分讨论概念、雏形、关键技术等议题。

　　国际电信联盟(ITU)已在日前正式将5G系统命名为IMT-2020，并公布整体目标、流程与时间表(图2)。根据目前提出的时间表，将在2016年与2017年间订出5G的技术效能规格、标准评估办法与无线介面技术，正式规格要到2019年或2020年才会出炉，届时新的5G系统也将随之问世，将展现行动宽频的各种应用，诸如高画质的影片服务，高可靠且低延迟的各式应用及物联网应用。

　　图2　5G行动网路标准时间表 资料来源：ITU

　　纳入物联网应用需求　5G技术发展挑战高

　　5G网路除了提供更佳的宽频速率、品质之外，最大的特色是从需求、设计阶段即考虑物联网(Internet of Things, IoT)的应用。为了适应不同的应用，具备毋需布线、覆盖率高、再用性高的行动通讯技术成了相当重要的承载媒介。

　　然而，物与物之间的通讯仍有相当大的困难尚待解决，例如要如何降低大量M2M通讯对现有通讯网路的影响，同时也要避免M2M通讯增加网路营运维护的复杂度。因此，M2M的发展将未来5G中扮演极为重要的角色，使得具有资料撷取及通讯能力的各式装置透过网路互相连结，以进行各类控制、侦测、识别及服务，为人类提供更便利、舒适及安全的生活。

　　MTC/M2M技术发展及标准化概况

　　3GPP标准组织将M2M称之为机器型态通讯(Machine Type Communication, MTC)，是一种新兴的通讯架构，以机器终端设备为主，具备网路通讯能力，可智慧互动地提供各式各样前所未见的应用与服务，例如：监控、控制、资料撷取等资讯化的需求。

　　其实，早在2002年时，M2M业务的概念已经被提出，但碍于通讯技术尚未成熟，发展仍属于启蒙阶段，例如自来水、电力公司的自动抄表及数位家庭应用等。随着无线通讯技术的快速发展，M2M的应用服务进入快速发展的阶段，在农业、工业、公共安全、城市管理、医疗、大众运输及环境监控上，都可看到M2M的应用，例如：智慧节能、智慧车载、智慧医疗、智慧城市、智慧物流等，这些服务及应用的整合，非常仰赖M2M的技术开发。

　　由于物联网产业快速起飞，更加需要M2M技术的统一标准化的整合;目前国际间有相当多的标准组织机构投入M2M标准化的研究工作，当中包含ITU-T、ETSI、IETF、IEEE、3GPP、OMA、Zigbee等联盟。依据每个标准组织的研究方向及重点，M2M国际标准组织可分为整体架构类、感知延伸类、网路延伸类及业务应用类，每个类别的具体内容如下：

　　整体架构类

　　针对M2M需求、点对点架构、标识解析、网路管理及安全等问题进行标准化研究，典型的标准组织有ITU-T SG13、ETSI TC SmartM2M、OneM2M、CCSA TC10等。

　　感知延伸类

　　针对部分低传输速率和近距离无线通讯技术进行标准化，相关技术包含近距离无线通讯技术、感测网路与电信网路融合及轻量型IPv6技术，典型的标准组织有IEEE802.15、IETF 6LoWPAN 、CCSA TC10、Zigbee联盟等。

　　网路通讯类

　　针对M2M承载网路等进行转换和最佳化工作，有关的技术包含无线连线网路增加、核心网路增强、环境感知、异质网路融合等，典型的标准组织有ITU-T、3GPP、CCSA TC5、IETF、ETSI等。

　　业务应用类

　　针对企业应用、公众应用、跨企业应用及应用中介软体平台进行标准化，其重点应用领域包含智慧交通、智慧家居、智慧电网、健康医疗等，典型的标准组织有IETF、CCSA TS10、ETSI、OGC等。

　　MTC/M2M的挑战与解决方法

　　机器型态通讯跟人类型态通讯特征上有极大的差异(表1)。其中最大的不同是机器型态通讯具有传输量少、巨量连结、突发性等特征，例如：开关讯号、智慧电网或水网的读表等，在这样的情况下，使用3GPP LTE-A的网路架构来传送机器型态装置的讯息，可能会造成系统过于壅塞或不符合成本效益等问题。

　　因此，为了满足物联网时代各式各样的应用，LTE-A网路系统架构已针对M2M业务的需求进行系统最佳化，如考虑LTE-A网路接取机制所面临的困难与挑战：随着机器型态通讯装置的巨量增加，随机接取通道(Physical Random Access Channel, PRACH)的不足，造成资料传输拥塞、系统负载过于沉重，导致延迟过长及连线失败。

　　如何设计随机接取机制来满足巨量装置连结，且不影响人类型态通讯的品质，M2M技术发展上的一个重大议题。

　　LTE-A随机接取机制包含竞争式及非竞争式的接取过程，当中竞争式随机接取透过随机接取前置码(Preamble)、随机接取回覆、连线要求及竞争解决，四个步骤来完成RRC连线;因应机器型态通讯系统不同应用的需求，随机接取机制的改良可从接取成功机(Access Success Probability)、前置码碰撞比率(Preamble Collision Rate)、及接取延迟(Access Delay)等指标来做为设计目标，目前文献中针对随机接取机制改良的方法有：限制存取层级机制(Access Class Barring, ACB)、回避机制(Back-off)、分离RACH、RACH动态调整等方法，如表2所示。

　　然而，现行LTE-A系统需要严格的同步处理以保有子载波间的正交性，当中牵扯许多基站与终端之间复杂的运算，不适用于MTC各式各样应用情景的需求，特别是Massive MTC及Mission-critical MTC，其要求如下：

　　Massive MTC

　　要求‘大量’的低成本、低耗能的终端连接上网路，这类型的业务通常具有传输量小、移动性小、使用性小、覆盖率高及容忍传输延迟等特性，例如：公共设施的监控与管理、环境监测、智慧城市等

　　Mission-critical MTC

　　要求高可靠度、高可用性及即时的网路通讯能力，这类型的业务通常需要极高可靠、极低延迟的特性，例如：无人车自动巡航、智慧工厂自动化控制、虚拟实境或增广实境的应用等

　　新波型技术与新多重接取技术亦被广泛研究，期以满足5G技术指标，如基于滤波器组多载波技术(Filter Bank Multi-Carrier, FBMC)、通用滤波器多载波技术(Universal Filtered Multi-Carrier, UFMC)、广义分频多工技术(Generalized Frequency Division Multiplexing, GFDM)及滤波/适应性的正教分频多工技术(Filtered/Flexible OFDM, F-OFDM)，说明如下：

　　FBMC

　　相较于OFDM技术，FBMC在每个子载波上使用单独的滤波器，消除子载波(Sub-carrier)间的干扰，即使彼此间没有正交性;另外，也不需要循环前置码(Cyclic Prefix, CP)来克服符元间干扰(Inter-symbol Interference, ISI)，来达到更高的频谱效率;可透过Off-QAM调变及滤波器设计达到5G情景中高延迟到低延迟广泛性的应用，但硬体成本过高，特别是在MIMO传输及突发性讯号传输的情景中。

　　UFMC

　　相较于FBMC，UFMC是对一组连续的子载波滤波;另外，可提供不同子载波带宽(Bandwidth)及符元(Symbol)的选择，支援不同的服务需求。但面临大尺度多路径延迟(Large-scale Multipath Delay)的通道时，需要更高阶的滤波器设计，并增加收发机的复杂度;而且，缺少CP将产生ISI。

　　GFDM

　　GFDM兼具UFMC的灵活性，并提供更好的带外辐射(Out-of-band emission)抑制技术，减少讯号的峰均功率比(Peak-to-Average Power Ratio, PAPR)。

　　F-OFDM

　　相较于OFDM，F-OFDM提供灵活的参数配置，如CP、子载波宽度、符元长度及保护区间(Guard Band)，提供更广泛的应用。

　　在多重接取技术方面，目前值得关注的技术有非正交多址接取(Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA)及稀疏码多址接取技术(Sparse Code Multiple Access, SCMA)。搭配以使用者为主轴发起Grant-free的资源配置技术或新的媒体存取控制(Medium Access Control)通讯协定设定，让新的5G行动通讯系统更广泛地支援MTC的不同服务与应用。

　　NB-IoT成MTC/M2M讨论热点

　　窄频物联网(Narrow Band IoT, NB-IoT)通讯技术规格为近一两年新兴的概念，在2016年世界行动大会(Mobile World Congress, MWC)有许多智慧应用的展出;在标准规格上，2015年的3GPP会议中被提出讨论，并预计在2016年的3GPP会议将其纳入R13标准规格中;另外，多家国际大厂的联合下，如中国移动、华为、诺基亚(Nokia)、爱立信(Ericsson)、英特尔(Intel)、Vodafone、高通(Qualcomm)等积极投入与推动下，加速NB-IoT的发展。

　　NB-IoT主要特色是低功耗，希望可维持十年之久;成本低廉，希望一个终端设备定价可在5美元以下;更宽广的覆盖范围，希望可传输距离可达20公里;大量布建，每平方公里的范围内可达到一百万个终端设备。

　　虽然在3GPP R12的规范里已定义了LTE MTC终端Cat.0标准，但Cat.0的传输率、功耗与成本仍偏高，更重要的是其单一通道频宽仍达20MHz，与标准LTE相同。在R13上也有另一个LTE-M通讯规格的推行，主要是频宽降至1MHz及降低传输功率，此三种的MTC终端规格比较如下：

　　当中每个规格各有它的适当应用，Cat.0主要用于穿戴式电子与能源管理，如健身类智慧手表、居家用电控制等;LTE-M则希望用于物品追踪，例如：水电瓦斯等公用事业抄表、连线型健康诊断监督、城市基础建设(即停车投币机记录、路灯管理)等;而NB-IoT则偏向产业应用，如环境监督、智慧建筑。

　　NB-IoT另一个相关技术专有名词─低功耗广域网路(Low Power Wide Area Network, LPWAN)，强调覆盖范围大且待机时间长特点，目前主流通讯技术有LoRa、Sigfox、EC-GSM/EC-EGPRS等，与NB-IoT的比较如下：

　　LoRa及Sigfox的主要特色是能在未授权的ISM频段，以极低电力传送小量资料做智慧联网的应用;EC-GSM/EC-EGPRS则是使用原GSM频段，具体规范仍在制定中，但相较于LoRa及Sigfox阵营，物联网解决方案则相对成熟，预计2016年底送案，将率先带动智慧化城市的应用。NB-IoT因为使用申请频段，可减少其他服务所产生的干扰;另一个特征是频宽设定为200kHz，与GSM相同，有利原持有GSM的业者切入NB-IoT。

　　NB-IoT问世代表营运商正式加入提供IoT服务，未来NB-IoT这类相对低廉的基础建设，让企业更愿意尝试IoT的应用，加速智慧化的发展。

　　导入机器型态通讯　5G设计必须更灵活

　　不同于人类型态通讯技术，机器型态通讯面临各式各样的应用情景，为了满足各种情景的需求，可以预期的是系统设计上将更加复杂且更具弹性化;目前没有统一化的方针或准则可满足5G应用的所有要求;因此，弹性化的设计方法，因应不同情景的要求，做出最佳的系统配置，为未来5G系统设计的方向。