5G将为全球通讯产业带来崭新的发展契机。为抢占5G市场先机，国际电信联盟(ITU)、3GPP皆已投入5G标准先期制定，而欧盟、北美、中国大陆、日本、韩国及台湾的通讯标准管理机构也正马不停蹄拟定相关研究计画，在在促进5G行动宽频革命浪潮升温。

　　第四代(4G)行动通讯系统的建置与应用，从2009年瑞典运营商TeliaSonera推出全球第一个长程演进计画(LTE)上网服务，至今大约五年，但较普遍性使用，还是过去两年的事；而台湾也才在2014年中进入4G LTE时代。4G LTE系统拥有相当优异的通讯能力，一般预期此4G系统将可满足人类在2020年前，行动上网快速成长需求。

　　行动上网需求主要是苹果电脑在2007年底推出iPhone智慧型手机，建立App应用软体下载机制之后，才带动全面性、铺天盖地的行动上网应用。经过几年来迅速发展，行动上网应用已经从资讯交换、娱乐活动，逐渐扩充至购物、社交、交通、教育、居家生活安全、环保、医疗照护等日常生活活动，且成长趋势似无停歇，且日甚一日。一般预测，在2020年之后，目前的4G系统将逐渐无法支撑此快速成长需求，这也是通讯产业界在过去两三年开始探讨第五代行动通讯系统(5G)，并将其商用化目标设定在2020年的最主要原因。图1、2显示一些现在与未来，行动上网的发展趋势，以及对人们日常生活的影响，这些现象都是驱动5G发展的原动力。

　　图1　行动通讯产业未来的应用发展趋势 

　　图2　未来的智慧化生活型态驱动5G技术之发展 

　　早在2012年初，负责制订全球行动通讯系统规范的ITU-R就启动发展“IMT for 2020 and Beyond”的计画，希望继其IMT-Advanced(4G系统规范)后，制订下一代行动通讯系统规范。此一决定，开启全球投入5G研究风潮，并将成果反馈至ITU-R，争取将成果与观点纳入“IMT for 2020 and Beyond”下一代行动通讯系统规范中。

　　欧盟METIS与5G研发计画

　　欧洲一向是行动通讯系统技术主导者，这次也是全球最先投入5G研究的区域；在2012年底，欧盟就推动METIS计画(Mobile and Wireless Communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society)，希望在2015年上半年计画结束时，能为未来5G系统发展，不论在未来的需求、应用情境、系统概念，以及技术基本需求与发展趋势等，建立共识提供后续5G技术研发计画必要的发展平台。

　　METIS计画针对应用的发展趋势，针对未来2020年的行动通讯网路，在2013年四月提出以下几项具体的5G基本需求，包含项目及成长需求(图3)：

　　图3　EU METIS 计画之5G系统能力需求

　　．单位面积内行动通讯数据资料量：成长一千倍。

　　．连结系统的终端设备数目：成长十到一百倍。

　　．使用者资料量(或上网速率)：成长十到一百倍。

　　．巨量机器型态通讯(Massive Machine Type Communication, MMC)的电池寿命：延长十倍。

　　．端对端的通讯延迟时间(Latency)：降低五倍。

　　在此同时，为了要满足上述这些需求，METIS亦勾勒出未来5G系统的若干挑战：

　　．Amazingly Fast--如何满足未来使用者高速行动上网的需求。

　　．Great Service in a Crowd--如何提供使用者愉悦的行动宽频上网体验，即使在壅塞的网路环境。

　　．Ubiquitous Things Communicating--如何有效率处理不同通讯型态需求巨量的通讯终端设备。

　　．Best Experience Follows You--如何提供移动中使用者高品质的通讯体验。

　　．Super Real-time and Reliable Connections--针对特定新应用，满足其严峻低延迟及高可靠度需求。

　　另外，METIS计画亦针对未来应用情境，提出多种不同5G系统概念，包含端对端直接通讯(Direct Device-to-device Communication, D2D)、巨量机器通讯(Massive Machine Communication, MMC)、移动网路(Moving Networks, MN)、超高密度网路(Ultra-dense Networks, UDN)，以及超高可靠度通讯(Ultra-reliable Communication, URC)。这些水平分割系统概念并非彼此独立不相干，而是这些系统概念实现在5G系统中，在彼此交互作用之下，系统就应该要达到满足前述5G基本需求。

　　在2014年，欧盟就启动5G研发计画5G PPP(Public Private Partnership)，预计在2014年到2020年，透过Horizon2020计画投入至少70亿欧元，鼓励欧洲厂商配合投入5G技术研究，并订定两大具体产业目标：一是在未来5G的标准制订中，欧洲掌握20%之标准关键专利(Standards Essential Patents, SEP)，第二则是在5G设备产业中，欧洲至少占有35%之市占率。

　　其他国家5G发展计画

　　除欧盟外，一些国家在过去几年也积极投入5G的研发，如中、日、韩等，而台湾也在2013年开始讨论，建立共识，并在2014年启动5G研发计画。

　　中国在2013年2月，在工信部、发改委及科技部的共同支持下，成立IMT-2020(5G)推进组，建立5G发展平台，整合运营商、制造商、大学和研究机构的力量，共同推动中国第五代移动通信技术研究和国际交流合作。经过一年的研究，IMT-2020(5G)推进组在2014年5月发布第一份《5G愿景与需求白皮书》，阐述移动互联网和物联网是未来5G移动通信发展的两大主要驱动力，预测到2020年中国移动数据流量将增长三百倍以上，移动终端(不含物联网设备)数量将超过二十亿。

　　为满足此等需求，5G系统在各方面关键能力，包含连接数密度(Connection Density)、端到端延迟(End-to-end Latency)、移动性(Mobility)、峰值速度(Peak Data Rate)、流量密度(Traffic Volume Density)、用户体验速率(User Experience Data Rate)都将大幅改进，其特定需求则如图4所示。

　　图4　中国IMT-2020(5G)推进组之5G系统关键能力需求

　　在2015年2月，IMT-2020(5G)推进组再度发表5G概念白皮书，提出“Gbps用户体验速率”标志性能力指标，以及关键技术，包括大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网路架构，以满足上述5G系统关键能力需求。

　　日本电波产业协会(Association of Radio Industries and Businesses, ARIB)在2013年成立5G研究工作组，由NTT DOCOMO主导与其他数十家成员加速推动5G通讯。2015年初发表其5G白皮书：《面向2020年及未来的行动通讯系统》(Mobile Communications Systems for 2020 and Beyond)，阐述2020年代应用情境、资料量成长、分析成本结构、频谱探讨等，并提出具体5G系统关键能力需求(图5)。

　　图5　日本ARIB之5G系统关键能力需求

　　韩国在发展5G上，不论是政府或者是业者都展现强烈企图心。在2013年韩国政府就制定“5G移动通信促进战略”，推动5G技术发展，计画在2015年之前实现Pre-5G技术，并在2018年平昌冬奥时，对全球展示5G雏型系统，2020年正式商用。事实上，三星电子早在2013年5月就对全球展示号称全球第一的5G雏型系统，操作在28GHz，通讯能力为1Gbps毫微米波通讯系统；在2014年10月再度展示系统升级，在静态提供7.5Gbps以及在100km/h移动环境提供1Gbps系统关键能力。图6所示为韩国提出的5G系统关键能力需求。

　　除欧中日韩外，ITU-R在发展其5G愿景以及制订“IMT for 2020 and Beyond”下一代行动通讯系统规范过程中，其他组织亦提出不同的观点与需求，如图7至图9所示。

　　图8　Ericsson提出之5G系统关键能力需求

　　ITU-R制定5G规范进展

　　基本上ITU-R是各世代行动无线通讯的游戏规则制定者，其IMT-2000、IMT-Advanced就是第三代(3G)与第四代(4G)行动通讯的规范；而目前正在制定中的IMT-2020 and Beyond就会是未来第五代(5G)行动通讯系统规范(目前正式的IMT名称仍未底定，可能选项有IMT-2020、以及IMT-Connect2020等，本文仍以IMT-2020 and Beyond或IMT-2020称之)。ITU-R之下的WP5D小组已经召开过多次会议，征求5G系统规范提案，前文提到各国家或组织所提出的5G系统关键能力需求，都是提交至WP5D做为其制定IMT-2020 and Beyond的讨论提案。在2015年2月WP5D21次会议，已经针对IMT-2020 and Beyond规范，确立八项关键能力项目，并对个别需求达成初步共识。

　　以下针对这八项关键能力做说明：

　　．User Experience Data Rate是指一个移动用户在系统涵盖范围内的任一地方，系统必须提供的上网速率，其值为100M－1Gbps。

　　．Peak Data Rate是指一个使用者在理想情况下能体验到的最高上网速率，其值为20Gbps。

　　．Mobility是指在维持服务品质(QoS)与无缝换手情况下，使用者能移动的最高速度，其值为500km/h。

　　．Latency是指传送者送一封包到接收者在无线网路所耗费之时间，其值为1ms。

　　．Connection Density是指单位面积范围内，直接连结上系统的终端设备数目，其值是每平方公里内一百万个。

　　．Energy Efficiency的定义包含两个构面：在网路端，是指无线电接取网路(RAN)耗用单位能源所能传送/接收资料位元数；在终端方面，则是指通讯模组在耗用单位能源所能传送/接收资料位元数，此方面需求则是要比IMT-Advanced系统要改善一千倍。

　　．Spectrum Efficiency是指一个基地台在使用单位频谱资源所能达到的平均资料传输量，其单位一般是bps/Hz，目前WP5D IMT-2020规格中则是暂定为IMT-Advanced的二至五倍。

　　．Area Traffic Capacity是指单位面积内，系统所能提供的通讯服务容量，其值为每平方公尺10Mbps。

　　以上八项关键能力指标最后确切的需求值，仍待下一次ITU-R WP5D22次会议最后定案。

　　在IMT-2020关键能力需求规范即将底定之际，WP5D也针对未来5G系统发展时程，订出初步方案(图10)。

　　在此时程中，规定在2017年底开始接受IMT-2020系统提案，在2018年底开始进行评估审，并在2020年中完成审查，确定正式5G系统。

　　这是一个非常积极的发展时程，因为这意味着产业界必须在接下来不到3年时间，产出符合IMT-2020系统关键能力需求规范的5G标准方案，才来得及在2017年底前，提交ITU-R成为正式5G系统候选方案。

　　3GPP提出5G标准制定时程

　　在ITU-R确定IMT-2020(5G)的愿景、关键能力需求规范与发展时程后，接下来就是全球通讯业者，要开始忙着开发系统解决方案，并将其标准化。在过去3G时代百家争鸣，多个系统同时成为3G标准，包含宽频分码多重存取(WCDMA)、分重多码接取(CDMA)、以及分时-同步分码多重存取(TD-SCDMA)等；到IMT-Advanced时代，则有国际电机电子工程师学会(IEEE)所制订的WiMAX Advanced(802.16m)与3GPP所制订的LTE-A(LTE-Advanced)两种技术获得ITU-R认可，成为正式4G标准。

　　不过，在产业应用上，WiMAX-Advanced并没有获得产业界的青睬，LTE-A成为全球实际唯一采用的4G标准。因此，接下来5G系统标准的制订，预期只会剩下3GPP这个集结全球重量级设备商与运营商的产业标准发展舞台，以演进性(Evolution)与革命性(Revolution)并进方式，发展出唯一一个产业界5G系统标准，当然也会成为ITU-R核可的唯一5G标准。

　　事实上，3GPP已针对ITU-R IMT-2020的愿景提出对策，制订出SA与RAN两个工作小组的工作时程，希望在2018年上半年产出初步结果，提交初步的5G系统方案至ITU-R，并于2020年初提交确定版本(图11)，从时程紧迫性来看，以及目前产业界对革命性新技术仍尚未有共识的情况下，预期3GPP针对5G的第一个版本中具体标准应该会是以演进式的成分居多，再辅以较具革命性、架构面的共识，做为未来持续标准发展基础。

　　目前，3GPP正进行其LTE-A Rel-13的标准制订，主要涵盖一些较先进的技术课题，如FD MIMO(Full Dimension MIMO)、LAA(Licensed Assistance Access)、32CC CA(32Carrier Component，Carrier Cggregation)等，其他M2M、D2D也是持续的重要课题。

　　5G系统挑战相当全面，从无线电接取网路，超高密度组网、超可靠度通讯到超低延迟等。不过，一千倍系统容量的成长大概是其中最具挑战，涵盖面最广的一个项目。此项需求大致引导未来RAN技术发展，以及超高密度组网趋势。

　　5G技术挑战解决之道

　　如何满足一千倍的挑战，大致可从三个维度来寻求解决之道；一是改善频谱效率(Spectrum Efficiency)，假设过去效率是10bps/Hz，若提升至40bps/Hz，那系统容量就提升四倍。在实作上有多种技术可以提升频谱效率，例如MIMO、提高Modulation、干扰消除、同频同时双工(CCFD)等，不过，此等改善有它物理上的极限。

　　第二维度是增加使用的频谱宽度(Bandwidth)，频谱是相当珍贵的资源，像台湾去年拍卖4G频谱，政府总共腾出270MHz的频谱宽度(位于700MHz、900MHz、1,800MHz频带)，做为拍卖标的，每家最多限制35MHz。增加频谱宽度有其先天限制，因为在适合做为行动通讯的频带(例如：3GHz以下)，大都已经分配给3G/4G使用，如何找到足够大且适合行动通讯使用的频带并不容易。事实上，为适应在全球已经被凌乱分配的频谱情况下找到可运行频带，LTE系统就制订超过四时个运行频带，以利系统能在拥有不同频带的国家都可以适用。

　　换句话说，一个通讯系统要适用到全球各国已经很难找到共同频带；除非往高频频带寻找。针对此，ITU-R已经开始在探讨利用6GHz以上频带做为行动通讯用之可行性。一般预期，未来在高频应该要可以找到共通的1GHz频带，做为未来5G使用。如此，相较于4G LTE-A的100MHz运作频谱宽度，就有十倍成长。

　　由于讯号在高频传递，其传递衰减、雨衰、受地形地物阻扰等影响，品质会变得非常差，因此愈高频愈不适合作长距离的行动通讯之用。不过，由于在高频波长极短，可使用及小天线，因此可以大量天线形成阵列天线(Array Antenna)，加上技术的进展，如Massive MIMO，波束成型(Beamforming)、波束追踪(Beam Tracking)等，让大家对高频用于行动通讯的应用抱着乐观态度，也因此过去几年，国际大厂纷纷投入毫微米波(Millimeter Wave, mmWAVE)通讯系统研究。

　　韩国三星电子，早在2013年5月就发表号称全球第一个5G系统，运作在28GHz的毫微米波通讯系统，并在2014年10月再度展示系统的升级，系统能力达到7.5Gbps(静态)与1.0Gbps(100km/h移动环境)。其他大厂亦鸭子划水，开始投入毫微米波通讯技术研发。目前高频率行动通讯的可行性仍未有争论，不过随着系统厂商公开展示其愈来愈成熟的系统，可预期未来5G系统运作应该涵盖低中高频带，可以分别是用在不同环境与应用情境。

　　事实上，运营商已经开始在进行此方面的可行性研究。日本NTT DOCOMO在去年结合阿尔卡特朗讯(Alcatel-Lucent)、富士通(Fujitsu)半导体、恩益禧(NEC)、爱立信(Ericsson)、三星(Samsung)与诺基亚(Nokia)六大系统设备商，启动5G研究计画，除在既有3GHz以下频带，进行M2M与超密度组网技术研究，更重要的是在5GHz、15GHz、28GHz、70GHz等频带进行波束成型、相位阵列天线等技术的实用可行性研究。

　　在扩增可使用频谱以提升系统容量上，除寻找全新高频带频谱外，动态频谱分享存取(Dynamic Spectrum Access, DSA)也是一种增加频谱的方式。目前3GPP的标准活动在讨论LAA技术，就可归类其中。LAA是希望将目前LTE系统只运作在政府授权的频带(Licensed Band)，扩充到一般不须授权公开使用频带(Unlicensed Band)，例如Wi-Fi在使用的2.4GHz、5.8GHz。另外，还有一类称为ASA(Authorized Shared Access)方式，扩充到另一授权使用的频带，该频带原来可能并非授权给运营商使用，例如军用频谱，而其平时使用率可能不高；因此，在适当控制下可以再授权给运营商使用。

　　第三种解决系统容量提升一千倍挑战的方法就是布建更多基地台，即高密度组网技术。想当然，在固定区域内，多建置一个基地台，该区域内就多一个基地台所能提供的上网容量；持续增建基地台，系统容量就应该跟着持续成长。基本上，只要基地台涵盖范围适当控制，讯号不要彼此干扰，那系统容量是随基地台增加而呈现性成长，这也是METIS计画提出超高密度网路(Ultra Dense Network, UDN)想要达到的效果。UDN被认为未来网路布建的主流趋势，而小型基地台(Small Cell)也因此很自然被视为未来将蓬勃发展的明日之星产品。

　　不过，即使在UDN布建中，大基地台(Macro Base Station)还是必要，而且仍然还是整个网路控制者，此即所谓的异质网路(HetNet)的布建。当然，当基地台逐渐密集，尤其是未来小基地台大多是使用者随兴设立，而非透过妥适的网路规画所布建，基地台间讯号互相干扰会是一个非常严重的问题，而系统整体表现也必然会受到严重影响。美国高通(Qualcomm)公司在2014年所做的UDN实验中，已经将网路密度提升至相当于每平方公里布建一千个小基地台，而在不做任何干扰消除的情况下，系统容量只提升约四十倍(布建密度约提升五百倍)。因此，干扰消除势将成为UDN系统表现的关键技术之一。

　　在3GPP已针对基地台间干扰问题，订定ICIC(Inter Cell Interference Control)、eICIC(Enhanced ICIC)，以及FeICIC(Further Enhanced ICIC)技术标准，同时针对大量小基地台的布建制订SON(Self Organizing Network)技术标准。这些技术应该是未来UDN基础，而在众多基地台间，如何建立更多、更及时的跨基地台沟通与协调，应该是提升UDN系统效能的必要机制。

　　以上三个维度技术解决方向，每个维度能提升系统容量能力，各界看法不一，或由于实际技术发展瓶颈考量，或系统厂商基于其产品利基方向考量。不过此三维度能力彼此相干性很低，因此系统容量提升可以将此三维度提升倍数相乘。在相乘效果下要达到一千倍提升，并非遥不可及。

　　台湾5G研发计画启动

　　台湾算是先期投入5G技术研发的国家之一。行政院在2014年初举办“5G发展产业策略会议(SRB)”，讨论我国发展5G的战略方向与策略，会后并由当时行政院政务委员张善政宣布，将在未来5-10年政府将投入100-200亿元进行5G研究。接着政府就提拨4G执照拍卖所得部分收入，在2014年下半年正式投入5G研究，由经济部与科技部共同执行。计画的定位是在5G发展尚未明朗之际，投入3-4年的先期技术研究，期望能建立能量，国际同步参与在第一时间参与接下来的5G国际标准活动，并协助产业开发与全球同步领先5G产品雏型，带动产业升级。计画的具体目标则是开发5G雏型系统，对国际展示，建立相关智慧财产布局与系统、技术能量。

　　如前所述，欧盟在其5G计画中明白指出，5G先期研究计画的主要目标之一，就是希望在5G标准制订中，掌握20%标准关键专利(SEP)。台湾在先期投入5G研究后，更应鼓励并整合产学研界，积极参与国际标准，建立足过能量标准关键专利，促成产业发展升级。2015年年初经济部辅导，由业界主导成立的台湾资通讯产业标准协会(Taiwan Association of Information and Communication Standards, TAICS)，将扮演整合平台的角色，发挥整合综效。

　　5G的发展，将在2015年上半年ITU-R WP5D22次会议确定其IMT-2020愿景与需求后，预计在2017年之前展开，同时已有多国规画在2020年(或更早)展示5G产品雏型系统。

　　对台湾而言，5G是一个绝新莫大挑战，但也是崭新的绝佳契机。在政府政策的先期投入，并鼓励产业界带头，整合学研力量，掌握国际标准活动契机，同时在第一时间投入5G产品雏型开发，未来必能在2020年5G时代，为台湾通讯产业带来一番欣欣向荣的景象。