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2020-06-295G技術大補帖 607 期

Author 作者曲建仲／臺灣大學電機工程學系博士，政治大學科技管理與智慧財產研究所兼任助理教授。致力臺灣科技教育多年，擅長以淺顯易懂的文字由淺入深帶領讀者了解艱深困難的科技原理。

第五代行動通訊技術（5th generation mobile networks, 5G）無疑是近來最熱門的話題之一，人們對它的印象不外乎是上網的速度更快。但是，實際上「上網的速度更快」其實是5G最不重要的特性，那麼5G最重要的特性是什麼？又會對未來的產業與生活帶來哪些改變？

行動通訊網路系統架構

行動通訊網路系統架構，包括核心網路（core network, CN）、骨幹網路（backbone）、無線接取網路（radio access network, RAN）和用戶設備（user equipment, UE）等。

⇨骨幹網路：是指各種通訊系統所組成的網路系統，由所有用戶共用，負責傳輸骨幹數據資料，通常由光纖架構而成，能夠實現大範圍（在城市之間或國家之間）的數據資料傳送。

⇨核心網路：是指4G或5G的雲端電信設備，其中4G的核心網路稱為「演進封包核心（evolved packet core, EPC）」，5G的核心網路稱為「下世代核心（next generation core, NGC）」。

⇨無線接取網路：是指基地台相關的電信設備，包括：基頻單元（baseband unit, BBU）、遠端無線單元（remote radio unit, RRU）和天線等。

⇨用戶設備（User Equipmen, UE）：是指使用者連接網路的設備，包括手機、電腦、伺服器和物聯網裝置等。

2015年國際電信聯盟（International Telecommunication Union, ITU）召開工作伙伴5D小組會議，公布第五代行動通訊新無線電（5th Generation New Radio, 5G NR）發展規畫。並且延續3G的「IMT-2000」、4G的「IMTAdvanced」，定名5G為「IMT-2020」，開始制定第五代行動通訊系統的規範。同時，以第三代合作夥伴計畫（3rd Generation Partnership Project, 3GPP）的標準組織，開始進行技術研究與制定，並分為兩個系統：

第五代行動通訊技術的「非獨立」與「獨立」兩系統

非獨立（non-standalone, NSA）

是指5G 的基地台依附在4G 的核心網路運作，手機與基地台之間的「控制平面（control plane）」經由4G 的基地台傳送，「用戶平面（user plane）」經由4G 或5G 的基地台傳送，5G 的基地台無法獨立作業。

獨立（standalone, SA）

是指5G 的基地台依附在5G 的核心網路運作，手機與基地台之間的控制平面與用戶平面經由5G 的基地台傳送，5G 的基地台可以完全獨立作業。

第五代行動通訊的特性

當年第四代行動通訊主要的發展目標是提高尖峰資料傳輸率（peak data rate, PDR）、提高網路覆蓋區域邊緣的傳輸性能、降低系統延遲與連線設定的時間，而第五代行動通訊則進一步改善，達到下列三個特性。

超高速度

⇨增強行動寬頻上網（enhanced mobile broadband, eMBB）：
意思是「速度快」，可以支援10Gbps 以上的資料傳輸率與超大傳輸容量，應用在全息影像（holography）、虛擬實境（virtual reality, VR）、擴增實境（augmented reality, AR）等大量影像訊號傳輸。

超低延遲

⇨高可靠低延遲通訊（ultra reliable low latency communication, URLLC）：
反應快，可以支援1 毫秒（ms）以下的資料傳輸延遲與高可靠度，比4G 的10 ms 快10 倍以上，應用在工廠自動控制、公共安全監控和車聯網等即時反應訊號傳輸。

超大連結

⇨大量裝置連網通訊（massive machine type communication, mMTC）：
數量多，可以支援大量「節點（node）」，節點是指可以連接網路的通訊裝置，必須滿足低價格、低功耗和大範圍的特性，可以支援每平方公里100 萬個以上的節點，應用在智慧城市、智能電網和智慧交通等小量訊號傳輸。

第五代行動通訊的頻率

由於相同頻率範圍的電磁波只能使用一次，而3 GHz 以下、被稱為「低頻帶（low band）」的電磁波，已經被4G 與其他產品使用了。所以，5G 能用的頻率範圍並不多，唯一的辦法是使用頻率更高的電磁波。因此，5G 的增強行動寬頻上網將更高頻率的電磁波分為兩個階段執行。此外，5G 包含下列各種頻率範圍和頻譜編號，且不同國家所使用的頻譜也不盡相同，如下圖所示。

⇨第五代行動通訊第一階段（5G Phase I）：
電磁波頻率在3~6 GHz 的電磁波又稱為「中頻帶（middle band）」，結合最新的數位調變與大量天線技術可以將資料傳輸率提升到10 Gbps。由於電磁波的頻率和之前的系統差不多，因此電磁波的特性也差不多，去（2019）年開始全球各地的電信服務商就會開始布建基地台，手機廠商也陸續推出5G 智慧型手機，並且在2020年開始普及。

⇨第五代行動通訊第二階段（5G Phase II）：
電磁波頻率在20~60 GHz 的電磁波又稱為「高頻帶（high band）」，也就是所謂的「毫米波（mm wave）」，利用超大頻寬可以將資料傳輸率進一步提升到20 Gbps。但是電磁波的頻率和之前的系統差很多，因此電磁波的特性也差很多。毫米波的電磁波方向性高，不像中頻帶與低頻帶的電磁波向四面八方傳播，而且毫米波容易在傳輸過程衰減，因此傳輸距離很短。通訊裝置的射頻積體電路（RF IC）與天線都必須重新設計，預計2022年開始全球各地的電信服務商才會開始布建基地台。而且主要的應用不是手機，而是散布在全世界的所有連網裝置，包括汽車、監視器、紅綠燈和感測器等，也就是所謂的物聯網（internet of things, IoT）。