5G將為全球通訊產業帶來嶄新的發展契機。為搶占5G市場先機，國際電信聯盟(ITU)、3GPP皆已投入5G標準先期制定，而歐盟、北美、中國大陸、日本、韓國及臺灣的通訊標準管理機構也正馬不停蹄擬定相關研究計畫，在在促進5G行動寬頻革命浪潮升溫。

　　第四代(4G)行動通訊系統的建置與應用，從2009年瑞典運營商TeliaSonera推出全球第一個長程演進計畫(LTE)上網服務，至今大約五年，但較普遍性使用，還是過去兩年的事；而臺灣也才在2014年中進入4G LTE時代。4G LTE系統擁有相當優異的通訊能力，一般預期此4G系統將可滿足人類在2020年前，行動上網快速成長需求。

　　行動上網需求主要是蘋果電腦在2007年底推出iPhone智慧型手機，建立App應用軟體下載機制之后，才帶動全面性、鋪天蓋地的行動上網應用。經過幾年來迅速發展，行動上網應用已經從資訊交換、娛樂活動，逐漸擴充至購物、社交、交通、教育、居家生活安全、環保、醫療照護等日常生活活動，且成長趨勢似無停歇，且日甚一日。一般預測，在2020年之后，目前的4G系統將逐漸無法支撐此快速成長需求，這也是通訊產業界在過去兩三年開始探討第五代行動通訊系統(5G)，并將其商用化目標設定在2020年的最主要原因。圖1、2顯示一些現在與未來，行動上網的發展趨勢，以及對人們日常生活的影響，這些現象都是驅動5G發展的原動力。

　　圖1　行動通訊產業未來的應用發展趨勢 

　　圖2　未來的智慧化生活型態驅動5G技術之發展 

　　早在2012年初，負責制訂全球行動通訊系統規范的ITU-R就啟動發展“IMT for 2020 and Beyond”的計畫，希望繼其IMT-Advanced(4G系統規范)后，制訂下一代行動通訊系統規范。此一決定，開啟全球投入5G研究風潮，并將成果反饋至ITU-R，爭取將成果與觀點納入“IMT for 2020 and Beyond”下一代行動通訊系統規范中。

　　歐盟METIS與5G研發計畫

　　歐洲一向是行動通訊系統技術主導者，這次也是全球最先投入5G研究的區域；在2012年底，歐盟就推動METIS計畫(Mobile and Wireless Communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society)，希望在2015年上半年計畫結束時，能為未來5G系統發展，不論在未來的需求、應用情境、系統概念，以及技術基本需求與發展趨勢等，建立共識提供后續5G技術研發計畫必要的發展平臺。

　　METIS計畫針對應用的發展趨勢，針對未來2020年的行動通訊網路，在2013年四月提出以下幾項具體的5G基本需求，包含項目及成長需求(圖3)：

　　圖3　EU METIS 計畫之5G系統能力需求

　　．單位面積內行動通訊數據資料量：成長一千倍。

　　．連結系統的終端設備數目：成長十到一百倍。

　　．使用者資料量(或上網速率)：成長十到一百倍。

　　．巨量機器型態通訊(Massive Machine Type Communication, MMC)的電池壽命：延長十倍。

　　．端對端的通訊延遲時間(Latency)：降低五倍。

　　在此同時，為了要滿足上述這些需求，METIS亦勾勒出未來5G系統的若干挑戰：

　　．Amazingly Fast--如何滿足未來使用者高速行動上網的需求。

　　．Great Service in a Crowd--如何提供使用者愉悅的行動寬頻上網體驗，即使在壅塞的網路環境。

　　．Ubiquitous Things Communicating--如何有效率處理不同通訊型態需求巨量的通訊終端設備。

　　．Best Experience Follows You--如何提供移動中使用者高品質的通訊體驗。

　　．Super Real-time and Reliable Connections--針對特定新應用，滿足其嚴峻低延遲及高可靠度需求。

　　另外，METIS計畫亦針對未來應用情境，提出多種不同5G系統概念，包含端對端直接通訊(Direct Device-to-device Communication, D2D)、巨量機器通訊(Massive Machine Communication, MMC)、移動網路(Moving Networks, MN)、超高密度網路(Ultra-dense Networks, UDN)，以及超高可靠度通訊(Ultra-reliable Communication, URC)。這些水平分割系統概念并非彼此獨立不相干，而是這些系統概念實現在5G系統中，在彼此交互作用之下，系統就應該要達到滿足前述5G基本需求。

　　在2014年，歐盟就啟動5G研發計畫5G PPP(Public Private Partnership)，預計在2014年到2020年，透過Horizon2020計畫投入至少70億歐元，鼓勵歐洲廠商配合投入5G技術研究，并訂定兩大具體產業目標：一是在未來5G的標準制訂中，歐洲掌握20%之標準關鍵專利(Standards Essential Patents, SEP)，第二則是在5G設備產業中，歐洲至少占有35%之市占率。

　　其他國家5G發展計畫

　　除歐盟外，一些國家在過去幾年也積極投入5G的研發，如中、日、韓等，而臺灣也在2013年開始討論，建立共識，并在2014年啟動5G研發計畫。

　　中國在2013年2月，在工信部、發改委及科技部的共同支持下，成立IMT-2020(5G)推進組，建立5G發展平臺，整合運營商、制造商、大學和研究機構的力量，共同推動中國第五代移動通信技術研究和國際交流合作。經過一年的研究，IMT-2020(5G)推進組在2014年5月發布第一份《5G愿景與需求白皮書》，闡述移動互聯網和物聯網是未來5G移動通信發展的兩大主要驅動力，預測到2020年中國移動數據流量將增長三百倍以上，移動終端(不含物聯網設備)數量將超過二十億。

　　為滿足此等需求，5G系統在各方面關鍵能力，包含連接數密度(Connection Density)、端到端延遲(End-to-end Latency)、移動性(Mobility)、峰值速度(Peak Data Rate)、流量密度(Traffic Volume Density)、用戶體驗速率(User Experience Data Rate)都將大幅改進，其特定需求則如圖4所示。

　　圖4　中國IMT-2020(5G)推進組之5G系統關鍵能力需求

　　在2015年2月，IMT-2020(5G)推進組再度發表5G概念白皮書，提出“Gbps用戶體驗速率”標志性能力指標，以及關鍵技術，包括大規模天線陣列、超密集組網、新型多址、全頻譜接入和新型網路架構，以滿足上述5G系統關鍵能力需求。

　　日本電波產業協會(Association of Radio Industries and Businesses, ARIB)在2013年成立5G研究工作組，由NTT DOCOMO主導與其他數十家成員加速推動5G通訊。2015年初發表其5G白皮書：《面向2020年及未來的行動通訊系統》(Mobile Communications Systems for 2020 and Beyond)，闡述2020年代應用情境、資料量成長、分析成本結構、頻譜探討等，并提出具體5G系統關鍵能力需求(圖5)。

　　圖5　日本ARIB之5G系統關鍵能力需求

　　韓國在發展5G上，不論是政府或者是業者都展現強烈企圖心。在2013年韓國政府就制定“5G移動通信促進戰略”，推動5G技術發展，計畫在2015年之前實現Pre-5G技術，并在2018年平昌冬奧時，對全球展示5G雛型系統，2020年正式商用。事實上，三星電子早在2013年5月就對全球展示號稱全球第一的5G雛型系統，操作在28GHz，通訊能力為1Gbps毫微米波通訊系統；在2014年10月再度展示系統升級，在靜態提供7.5Gbps以及在100km/h移動環境提供1Gbps系統關鍵能力。圖6所示為韓國提出的5G系統關鍵能力需求。

　　除歐中日韓外，ITU-R在發展其5G愿景以及制訂“IMT for 2020 and Beyond”下一代行動通訊系統規范過程中，其他組織亦提出不同的觀點與需求，如圖7至圖9所示。

　　圖8　Ericsson提出之5G系統關鍵能力需求

　　ITU-R制定5G規范進展

　　基本上ITU-R是各世代行動無線通訊的游戲規則制定者，其IMT-2000、IMT-Advanced就是第三代(3G)與第四代(4G)行動通訊的規范；而目前正在制定中的IMT-2020 and Beyond就會是未來第五代(5G)行動通訊系統規范(目前正式的IMT名稱仍未底定，可能選項有IMT-2020、以及IMT-Connect2020等，本文仍以IMT-2020 and Beyond或IMT-2020稱之)。ITU-R之下的WP5D小組已經召開過多次會議，征求5G系統規范提案，前文提到各國家或組織所提出的5G系統關鍵能力需求，都是提交至WP5D做為其制定IMT-2020 and Beyond的討論提案。在2015年2月WP5D21次會議，已經針對IMT-2020 and Beyond規范，確立八項關鍵能力項目，并對個別需求達成初步共識。

　　以下針對這八項關鍵能力做說明：

　　．User Experience Data Rate是指一個移動用戶在系統涵蓋范圍內的任一地方，系統必須提供的上網速率，其值為100M－1Gbps。

　　．Peak Data Rate是指一個使用者在理想情況下能體驗到的最高上網速率，其值為20Gbps。

　　．Mobility是指在維持服務品質(QoS)與無縫換手情況下，使用者能移動的最高速度，其值為500km/h。

　　．Latency是指傳送者送一封包到接收者在無線網路所耗費之時間，其值為1ms。

　　．Connection Density是指單位面積范圍內，直接連結上系統的終端設備數目，其值是每平方公里內一百萬個。

　　．Energy Efficiency的定義包含兩個構面：在網路端，是指無線電接取網路(RAN)耗用單位能源所能傳送/接收資料位元數；在終端方面，則是指通訊模組在耗用單位能源所能傳送/接收資料位元數，此方面需求則是要比IMT-Advanced系統要改善一千倍。

　　．Spectrum Efficiency是指一個基地臺在使用單位頻譜資源所能達到的平均資料傳輸量，其單位一般是bps/Hz，目前WP5D IMT-2020規格中則是暫定為IMT-Advanced的二至五倍。

　　．Area Traffic Capacity是指單位面積內，系統所能提供的通訊服務容量，其值為每平方公尺10Mbps。

　　以上八項關鍵能力指標最后確切的需求值，仍待下一次ITU-R WP5D22次會議最后定案。

　　在IMT-2020關鍵能力需求規范即將底定之際，WP5D也針對未來5G系統發展時程，訂出初步方案(圖10)。

　　在此時程中，規定在2017年底開始接受IMT-2020系統提案，在2018年底開始進行評估審，并在2020年中完成審查，確定正式5G系統。

　　這是一個非常積極的發展時程，因為這意味著產業界必須在接下來不到3年時間，產出符合IMT-2020系統關鍵能力需求規范的5G標準方案，才來得及在2017年底前，提交ITU-R成為正式5G系統候選方案。

　　3GPP提出5G標準制定時程

　　在ITU-R確定IMT-2020(5G)的愿景、關鍵能力需求規范與發展時程后，接下來就是全球通訊業者，要開始忙著開發系統解決方案，并將其標準化。在過去3G時代百家爭鳴，多個系統同時成為3G標準，包含寬頻分碼多重存取(WCDMA)、分重多碼接取(CDMA)、以及分時-同步分碼多重存取(TD-SCDMA)等；到IMT-Advanced時代，則有國際電機電子工程師學會(IEEE)所制訂的WiMAX Advanced(802.16m)與3GPP所制訂的LTE-A(LTE-Advanced)兩種技術獲得ITU-R認可，成為正式4G標準。

　　不過，在產業應用上，WiMAX-Advanced并沒有獲得產業界的青睬，LTE-A成為全球實際唯一采用的4G標準。因此，接下來5G系統標準的制訂，預期只會剩下3GPP這個集結全球重量級設備商與運營商的產業標準發展舞臺，以演進性(Evolution)與革命性(Revolution)并進方式，發展出唯一一個產業界5G系統標準，當然也會成為ITU-R核可的唯一5G標準。

　　事實上，3GPP已針對ITU-R IMT-2020的愿景提出對策，制訂出SA與RAN兩個工作小組的工作時程，希望在2018年上半年產出初步結果，提交初步的5G系統方案至ITU-R，并于2020年初提交確定版本(圖11)，從時程緊迫性來看，以及目前產業界對革命性新技術仍尚未有共識的情況下，預期3GPP針對5G的第一個版本中具體標準應該會是以演進式的成分居多，再輔以較具革命性、架構面的共識，做為未來持續標準發展基礎。

　　目前，3GPP正進行其LTE-A Rel-13的標準制訂，主要涵蓋一些較先進的技術課題，如FD MIMO(Full Dimension MIMO)、LAA(Licensed Assistance Access)、32CC CA(32Carrier Component，Carrier Cggregation)等，其他M2M、D2D也是持續的重要課題。

　　5G系統挑戰相當全面，從無線電接取網路，超高密度組網、超可靠度通訊到超低延遲等。不過，一千倍系統容量的成長大概是其中最具挑戰，涵蓋面最廣的一個項目。此項需求大致引導未來RAN技術發展，以及超高密度組網趨勢。

　　5G技術挑戰解決之道

　　如何滿足一千倍的挑戰，大致可從三個維度來尋求解決之道；一是改善頻譜效率(Spectrum Efficiency)，假設過去效率是10bps/Hz，若提升至40bps/Hz，那系統容量就提升四倍。在實作上有多種技術可以提升頻譜效率，例如MIMO、提高Modulation、干擾消除、同頻同時雙工(CCFD)等，不過，此等改善有它物理上的極限。

　　第二維度是增加使用的頻譜寬度(Bandwidth)，頻譜是相當珍貴的資源，像臺灣去年拍賣4G頻譜，政府總共騰出270MHz的頻譜寬度(位于700MHz、900MHz、1,800MHz頻帶)，做為拍賣標的，每家最多限制35MHz。增加頻譜寬度有其先天限制，因為在適合做為行動通訊的頻帶(例如：3GHz以下)，大都已經分配給3G/4G使用，如何找到足夠大且適合行動通訊使用的頻帶并不容易。事實上，為適應在全球已經被凌亂分配的頻譜情況下找到可運行頻帶，LTE系統就制訂超過四時個運行頻帶，以利系統能在擁有不同頻帶的國家都可以適用。

　　換句話說，一個通訊系統要適用到全球各國已經很難找到共同頻帶；除非往高頻頻帶尋找。針對此，ITU-R已經開始在探討利用6GHz以上頻帶做為行動通訊用之可行性。一般預期，未來在高頻應該要可以找到共通的1GHz頻帶，做為未來5G使用。如此，相較于4G LTE-A的100MHz運作頻譜寬度，就有十倍成長。

　　由于訊號在高頻傳遞，其傳遞衰減、雨衰、受地形地物阻擾等影響，品質會變得非常差，因此愈高頻愈不適合作長距離的行動通訊之用。不過，由于在高頻波長極短，可使用及小天線，因此可以大量天線形成陣列天線(Array Antenna)，加上技術的進展，如Massive MIMO，波束成型(Beamforming)、波束追蹤(Beam Tracking)等，讓大家對高頻用于行動通訊的應用抱著樂觀態度，也因此過去幾年，國際大廠紛紛投入毫微米波(Millimeter Wave, mmWAVE)通訊系統研究。

　　韓國三星電子，早在2013年5月就發表號稱全球第一個5G系統，運作在28GHz的毫微米波通訊系統，并在2014年10月再度展示系統的升級，系統能力達到7.5Gbps(靜態)與1.0Gbps(100km/h移動環境)。其他大廠亦鴨子劃水，開始投入毫微米波通訊技術研發。目前高頻率行動通訊的可行性仍未有爭論，不過隨著系統廠商公開展示其愈來愈成熟的系統，可預期未來5G系統運作應該涵蓋低中高頻帶，可以分別是用在不同環境與應用情境。

　　事實上，運營商已經開始在進行此方面的可行性研究。日本NTT DOCOMO在去年結合阿爾卡特朗訊(Alcatel-Lucent)、富士通(Fujitsu)半導體、恩益禧(NEC)、愛立信(Ericsson)、三星(Samsung)與諾基亞(Nokia)六大系統設備商，啟動5G研究計畫，除在既有3GHz以下頻帶，進行M2M與超密度組網技術研究，更重要的是在5GHz、15GHz、28GHz、70GHz等頻帶進行波束成型、相位陣列天線等技術的實用可行性研究。

　　在擴增可使用頻譜以提升系統容量上，除尋找全新高頻帶頻譜外，動態頻譜分享存取(Dynamic Spectrum Access, DSA)也是一種增加頻譜的方式。目前3GPP的標準活動在討論LAA技術，就可歸類其中。LAA是希望將目前LTE系統只運作在政府授權的頻帶(Licensed Band)，擴充到一般不須授權公開使用頻帶(Unlicensed Band)，例如Wi-Fi在使用的2.4GHz、5.8GHz。另外，還有一類稱為ASA(Authorized Shared Access)方式，擴充到另一授權使用的頻帶，該頻帶原來可能并非授權給運營商使用，例如軍用頻譜，而其平時使用率可能不高；因此，在適當控制下可以再授權給運營商使用。

　　第三種解決系統容量提升一千倍挑戰的方法就是布建更多基地臺，即高密度組網技術。想當然，在固定區域內，多建置一個基地臺，該區域內就多一個基地臺所能提供的上網容量；持續增建基地臺，系統容量就應該跟著持續成長。基本上，只要基地臺涵蓋范圍適當控制，訊號不要彼此干擾，那系統容量是隨基地臺增加而呈現性成長，這也是METIS計畫提出超高密度網路(Ultra Dense Network, UDN)想要達到的效果。UDN被認為未來網路布建的主流趨勢，而小型基地臺(Small Cell)也因此很自然被視為未來將蓬勃發展的明日之星產品。

　　不過，即使在UDN布建中，大基地臺(Macro Base Station)還是必要，而且仍然還是整個網路控制者，此即所謂的異質網路(HetNet)的布建。當然，當基地臺逐漸密集，尤其是未來小基地臺大多是使用者隨興設立，而非透過妥適的網路規畫所布建，基地臺間訊號互相干擾會是一個非常嚴重的問題，而系統整體表現也必然會受到嚴重影響。美國高通(Qualcomm)公司在2014年所做的UDN實驗中，已經將網路密度提升至相當于每平方公里布建一千個小基地臺，而在不做任何干擾消除的情況下，系統容量只提升約四十倍(布建密度約提升五百倍)。因此，干擾消除勢將成為UDN系統表現的關鍵技術之一。

　　在3GPP已針對基地臺間干擾問題，訂定ICIC(Inter Cell Interference Control)、eICIC(Enhanced ICIC)，以及FeICIC(Further Enhanced ICIC)技術標準，同時針對大量小基地臺的布建制訂SON(Self Organizing Network)技術標準。這些技術應該是未來UDN基礎，而在眾多基地臺間，如何建立更多、更及時的跨基地臺溝通與協調，應該是提升UDN系統效能的必要機制。

　　以上三個維度技術解決方向，每個維度能提升系統容量能力，各界看法不一，或由于實際技術發展瓶頸考量，或系統廠商基于其產品利基方向考量。不過此三維度能力彼此相干性很低，因此系統容量提升可以將此三維度提升倍數相乘。在相乘效果下要達到一千倍提升，并非遙不可及。

　　臺灣5G研發計畫啟動

　　臺灣算是先期投入5G技術研發的國家之一。行政院在2014年初舉辦“5G發展產業策略會議(SRB)”，討論我國發展5G的戰略方向與策略，會后并由當時行政院政務委員張善政宣布，將在未來5-10年政府將投入100-200億元進行5G研究。接著政府就提撥4G執照拍賣所得部分收入，在2014年下半年正式投入5G研究，由經濟部與科技部共同執行。計畫的定位是在5G發展尚未明朗之際，投入3-4年的先期技術研究，期望能建立能量，國際同步參與在第一時間參與接下來的5G國際標準活動，并協助產業開發與全球同步領先5G產品雛型，帶動產業升級。計畫的具體目標則是開發5G雛型系統，對國際展示，建立相關智慧財產布局與系統、技術能量。

　　如前所述，歐盟在其5G計畫中明白指出，5G先期研究計畫的主要目標之一，就是希望在5G標準制訂中，掌握20%標準關鍵專利(SEP)。臺灣在先期投入5G研究后，更應鼓勵并整合產學研界，積極參與國際標準，建立足過能量標準關鍵專利，促成產業發展升級。2015年年初經濟部輔導，由業界主導成立的臺灣資通訊產業標準協會(Taiwan Association of Information and Communication Standards, TAICS)，將扮演整合平臺的角色，發揮整合綜效。

　　5G的發展，將在2015年上半年ITU-R WP5D22次會議確定其IMT-2020愿景與需求后，預計在2017年之前展開，同時已有多國規畫在2020年(或更早)展示5G產品雛型系統。

　　對臺灣而言，5G是一個絕新莫大挑戰，但也是嶄新的絕佳契機。在政府政策的先期投入，并鼓勵產業界帶頭，整合學研力量，掌握國際標準活動契機，同時在第一時間投入5G產品雛型開發，未來必能在2020年5G時代，為臺灣通訊產業帶來一番欣欣向榮的景象。