硬底子的技術表現
【撰文／陸向陽】
4G之後的標準，
眾多業者都對3GPP R12標準有高度期許，
由於R12強化多個方面並包含多種技術，
因此也延伸出更多的新應用。
ITU定義，凡一個基地台在固定通訊下達1Gbps下行速率，移動通訊時達100Mbps，以及其他相關要件的，即可稱4G，包含3GPP R8、WiMAX Rel 2（Rel=Release）均達此標準，但由於WiMAX陣營轉弱，4G幾乎已與3GPP陣營的LTE標準劃上等號。
3GPP R8標準早於2008年底頒佈，R8即為LTE（Longterm Evolution），LTE定義了5種裝置端速率（Category 1～5，Cat. 1～5），其中Category 4即可達下行150.8Mbps速率，如此即可稱4G，之後的3GPP R10標準則定義Cat. 6～8，3GPP R11則增訂了Cat. 9～10。
而3GPP R10標準於2011年頒佈，即稱為LTE-A（Advanced），2015年3月將完成訂立的3GPP R12，也可稱為LTE-B（Beyond 4G，B4G），LTE-B之後可能有LTE-C，而後進入5G，但也可能取消LTE-C，直接從LTE-B進入5G，目前看來實際發展偏向後者，即省略LTE-C的過渡階段。
圖一 原規劃LTE-C之後進入5G，而今多認為R14已屬5G，省略LTE-C。（圖片來源：Huawei）
不過，基地台業者華為（Huawei）在2014年10月提出4.5G概念，即是R12之後的R13標準，4.5G目標最高傳輸率10Gbps（固定下行）、延遲在10mS（毫秒）內，且每平方公里的覆蓋面積內能有100,000個Connection（連線），預計2016年登場。
圖二 華為於2014年10月提出3GPP R13、4.5G理念。（圖片來源：Huawei）
華為雖提出4.5G概念，但不是所有業者都認同，例如全球行動通訊系統協會GSMA(Global System for Mobile Communications Association)就認為4.5G只是個行銷詞，不是具體的技術分界。
但也有業者同樣提出4.5G，如Alcatel-Lucent，不過與華為的4.5G定義並非全然一致，Alcatel-Lucent強調融合Wi-Fi分流技術、善用5GHz頻段資源等可稱為4.5G，此一般也稱為LTE-U（U=Unlicensed Spectrum，免執照的頻譜）。
日本行動電信商NTT DoCoMo也在2014年5月與6家設備業者進行試行，開始發展測試5G網路，目標比現行4G的基地台整體能耐強1,000倍，移動通訊速率強100倍（10Gbps），延遲降至5mS等，僅為原有4G延遲的1/10，預計列入R14標準，並於2020年完成。
所以，4G之後的標準，嚴格而論從3GPP R8 Cat. 4之後即算，但實際商業化發展又是另外一回事，LTE商業服務約於2009年北歐率先全球開通，LTE-A商業服務則於2013年南韓率先全球開通，2014年台灣也開通LTE，但是否達100Mbps則不盡然，有的電信商在LTE階段即提供100Mbps速率，有的遞延至採行LTE-A設備時才達100Mbps速率。
之所以遞延至LTE-A才達100Mbps，主要是因為頻譜資源因素，由於LTE標準不具有載波聚合技術（Carrier Aggregation，CA），要找到足夠的連續頻譜來提供100Mbps傳輸，實務上有困難，而載波聚合技術登場後，可將不連續的頻譜結合起來使用，因而較容易達到100Mbps速率。
因此3GPP R9/R10/R11均可視為4G之後，而即將定案的R12，以及技術研擬提案中的R13也都是，有4.5G之稱的R13，有5G之稱的5G亦是。以下我們將再三個層面來細談，即R12、R13、R14。
而讀者可能已發現，3GPP標準中的奇數較少被提及，如3GPP R9、R11等，事實上奇數較偏向正規階段性標準的後續增訂、修訂，為補強性質。
3GPP R12（2015年）LTE-B
由於眾多業者對3GPP R12標準有高度期許，使標準定案時間一延再延，原訂2014年12月定案又延了一季，預估2015年3月定案，但也可能又延。
R12更加強化載波聚合技術，原本只能聚合2、3個載波將擴展5個（2個上行，3個下行），而過去只能FDD LTE與FDD LTE聚合，TDD LTE與TDD LTE聚合，無法混聚，R12將可以混聚。
圖三 目前Qualcomm頂級的Snapdragon 8xx系列晶片已能實現3個通道的載波聚合。（圖片來源：Qualcomm）
R12也強化過去演化多媒體廣播服務（eMBMS），一般也稱LTE Broadcast。這項技術期望取代過去的地面電視廣播電台，改用LTE基地台提供視訊廣播，未來可能直接手機轉播足球賽事，而非透過數位電視天線，或有線電視同軸纜線。
另外越來越多人是在室內或高樓使用手機，所以R12也強化室內傳輸表現，提出LTE-Hi（Hotspot/indoor）技術，強化穿牆通訊能力，或將原有的MIMO技術立體化、高度化，稱為3D MIMO、elevation beamforming等
此外頻譜資源越來越不夠用，開始試圖取用5GHz頻段來加速傳輸，即前述的LTE-U。不過，是以LTE技術來取用5GHz，或使用Wi-Fi技術來取用5GHz，尚未有定論，且初期可能僅在使用者資料的下行方面採用5GHz，使用者上行資料與系統通訊控制資料仍不使用5GHz，後續才進一步允許將上行資料使用5GHz，但控制資料仍然不會。
圖四 左圖為LTE-U第一階段實現構想，右圖為第二階段。（圖片來源：CableLabs.com）
除了人們透過手機連上LTE系統外，物聯網（IoT）逐漸盛行，3GPP陣營也希望把握此機，因而提出MTC（Machine Type Communication）技術，讓LTE基地台可以同時間服務多個感測節點（Sensor Node）連線，但為小資料量的連線。
進一步的，3GPP期望LTE基地台提供動態的鄰近地區服務，最初稱為LTE D2D（Device-to-Device），而後稱為LTE Direct，LTE Direct可以讓覆蓋區內的手機用戶上傳訊息，而後相同覆蓋區內的其他手機收到訊息，可提供即時的訊息服務，如附近有人暈倒需要會急救的人，演唱會附近有人要轉賣門票等。
LTE Direct立意雖佳，但電信商短期內不曉得如何用此服務增加營收，因此對開通此技術、服務保持保守觀望，可能只用於救災，電信商反而對能實現收視收費服務的eMBMS感興趣。
R12其他方面的強化也包含支援更多天線數的傳輸（更趨向Massive MIMO）、用來加速傳輸的新型態載波（New Type Carrier，NTC）、異質網路（HetNet）、基地台間更良善的溝通協調機制（CoMP）、提升小型基地台（Small Cell）表現等。
3GPP R13（2016年）4.5G
R13目前規劃在R12的一年後定案，即2016年3月。前述的LTE-U，有可能不在R12提供，而挪到R13中，或R12僅提供初步，至R13才更加完整完備，如載波聚合在R10已初步提供，但R12接續強化，發展模式相同。
另外，確定在R12提供的MTC、3D MIMO等，則在R13中再進行強化精進，3D MIMO提升成Full-Dimension MIMO。另也提議提供室內定位功能，但由於R13仍在技術草擬階段、提案階段，難以肯定。
值得注意的是，為了提高傳輸率，預估未來使用小型基地台的數量將大幅增加，所以不單是R12，包含後續的R13、R14等，均會持續針對小型基地台的運作、需求等，持續修訂標準。
圖五 Small Cell泛指覆蓋範疇小於Macro Cell傳統基地台的Pico Cell、Micro Cell、Femtocell基地台。（圖片來源：qulsar.com）
而前面提到，華為提出的4.5G期望達到100,000個Connection，其實是針對物聯網需求而提出，也就是R12 MTC技術的再精進。另外目前流行的軟體定義網路（SDN）、網路功能虛擬化（NFV）等，也將在R13標準中討論是否要導入運用。
值得注意的是，R13標準有業者提案加入使用者設備中繼站（UE Relay）技術，即是把手機當成基地台的中繼站，扮演過水基地台，幫其他手機轉傳資訊，此期望在救災時發揮價值，例如某災區的基地台已失靈，也能透過手機與手機不斷轉傳，來擴大可通話、傳訊的覆蓋範疇。事實上在有了手機與手機直接互通的LTE Direct後，提供UE Relay亦成合理必然。
3GPP R14（2020年）5G
R13能見度已弱，R14自然更難掌握，目前已知5G的技術重點均在提升速率，不似R12標準提出MTC、LTE Direct等多種新應用，而為了達到更高速率，各業者均不約而同朝更高頻的頻段、更廣的連續頻寬、更多的收發天線等方向發展。
圖六 2014年5月NTT DoCoMo與6家設備商試行的5G技術重點。（圖片來源：NTT DoCoMo）
以前述NTT DoCoMo與6家電信設備商的技術試行實測為例，其中Alcatel-Lucent、Fujitsu仍使用5GHz以下的頻段，另4家已朝5GHz（含5GHz）以上頻段發展，包含NEC、Ericsson、Samsung、Nokia等。其中NEC用5GHz頻段，Ericsson用15GHz，Samsung為28GHz，Nokia為70GHz
其中許多家更深化使用Massive MIMO技術，如NEC、Ericsson，即同時間使用更多天線進行收發，遠多於現有LTE-A的4根、8根天線，如24根。而更進一步了解，Samsung的28GHz頻段技術，已能在2km覆蓋距離內提供1Gbps的傳輸率。
2014年5月的試測後，不到半年的2014年10月，Samsung再宣佈固定通訊下已能達7.5Gbps，而在時速120km時的移動通訊速率為1.2Gbps。
圖七 華為提出5G的超服務立方概念。（圖片來源：Huawei）
不過，試行也不純然在比較傳輸率，相關技術可行性的驗證也是重點，如Fujitsu是為了實證用無線寬頻頭端設備（Remote Radio Head，RRH）為密集佈建的基地台協調、分配頻譜的技術。NEC則是測試大量天線下的時間域（Time Domain）波束成形（beamforming）技術。
而Alcatel-Lucent把重點放在IoT、M2M的MTC通訊上，期望測試出最適合MTC通訊採行的電波波形。
最後，簡言之，5G期望在多個面向的技術表現都提升，包含頻譜頻率的延伸（300MHz～300GHz）、頻譜資源利用率的提高（64QAMà256QAM）、相同覆蓋面積與空間中有多更快的連線，另外也包含更少的傳輸延遲，在更快速移動下仍能通訊等。
不僅如此，通常離基地台越遠傳輸率也降低，或移動速度越快傳輸率也會降低，此方面也期望盡可能減少衰退程度。總之，多數創新通訊應用估已在R12標準內大量增列，5G將著重在硬底子的技術表現。
【全文刊載於《CTIMES雜誌》2015年3月號】-- CTIMES粉絲團】
