5G RAN標準發展趨勢

工研院資通所 林咨銘

 

3GPP所提出的無線接取網路提案(RAN)極有可能成為全球通用的第五代通訊系統,值得關注。

 

行動技術發展至今,已經到達第五個世代,國際產業也相繼提出新標準技術,以期成為未來國際通用的行動通訊系統。3GPP標準組織目前正在發展中的通訊技術,為目前全球注目的重點,其所提出的標準系統也被多方期待成為真正的第五代行動通訊系統。本報告依據3GPP標準組織目前之無線接取網路(RAN)系統發展狀態,將其遞交至國際電信聯盟(ITU-R)之5G技術提案進行分析,並針對其中較為重要的無線通訊技術進行概括整理與分享。

全球行動通訊標準

 

隨著行動通訊技術的發展,第五代行動通訊系統(IMT-2020)在國際電信聯盟(ITU-R)的規劃下,確定將於公元2020通過並頒布全球標準。目前包含3GPP、ETSI、韓國與中國等國家與標準組織,皆已表達意願並準備遞交系統提案至國際電信聯盟,以期所研發及制定之行動通訊技術提案,能夠通過國際電信聯盟之評估審查,以成為全球行動標準系統。

在2018年初,3GPP遞交至國際電信聯盟之無線接取網路(RAN)技術提案,包含兩個提案(Submission),分別是結合LTE與NR的整合無線介面技術(Set of Radio Interface Technology, SRIT),以及單純包含NR的新獨立無線介面技術(Radio Interface Technology, RIT),此二提案技術包含3GPP針對第五代行動通訊系統所設計之新行動通訊技術。由於,國際移動電信系統必須要提供更快速、更高容量、更可靠的行動通訊服務,同時也必須滿足日漸普及的物聯網服務,以及其他需要有節能與傳送延遲考量之各式應用,因此提案之無線通訊系統應滿足三種應用情境,分別為(1)增強行動寬頻(Enhanced Mobile Broadband,eMBB),(2)巨量物聯通訊(Massive Machine Type Communications,mMTC),以及(3)高可靠低遲延通訊(Ultra Reliable and Low Latency Communications,uRLLC)。3GPP所提案之系統技術若能通過國際電信聯盟之系統效能驗證過後,即可成為第五代行動通訊系統之全球標準。

 

圖1、第五代行動通訊系統三大應用場景 (來源: ITU-R建議書M.2083)

圖1、第五代行動通訊系統三大應用場景 (來源: ITU-R建議書M.2083)

3GPP RAN技術規格發展

在3GPP所遞交至國際電信聯盟之兩個RAN提案中,主要是以Release 15版本之制定技術為初始提案(Initial Submission),包含LTE-A Pro以及NR 5G兩個系統技術。如圖二所示,在第一提案中,包含LTE與NR兩項接取技術,而第二提案僅提出NR新接取技術,不過兩項提案技術目標皆在滿足ITU-R IMT-2020三大場景之效能需求。以下針對包含在此提案內之各主要技術來概要說明。

圖2、3GPP於第五代行動通訊之無線接取網路提案

圖2、3GPP於第五代行動通訊之無線接取網路提案

 

  • 基於正交分頻波形之多工存取最佳化(OFDM-Based Waveform and Multiple Access)
    3GPP延續LTE存取技術,繼續發展基於正交分頻波形的多工技術,並提出改進及最佳化技術。除了在更低複雜度的實現條件下提供更好頻譜效益之外,此新技術亦可降低傳輸功率消耗,並可減輕頻內(In-Band)以及頻外(Out-of-Band)之不必要干擾,為整個通訊系統提供更好傳輸效能。而其具延展性(Scalable)的正交分頻多工訊號設計,也可提供頻譜配置以及頻寬調整之彈性,並針對在不同頻段或是不同需求之傳輸服務,提供客製化的通道頻寬配置與資料傳送。特別適合使用在具備多樣應用場景與應用需求的第五代行動通訊系統
  • 新調變技術(1024 QAM)
    此技術乃衍生自小細胞基地台之短距通訊特性,利用調變技術從256QAM提升至1024QAM之改進,可增加每個無線傳送資源單位(Resource Element)所能承載的資料量,可大大提升頻譜效益(Spectral Efficiency),藉此提升資料傳輸速率。非常適合用於提升室內(Indoor)或是短距之室外地區的巨量傳輸以滿足行動寬頻需求。
  • 授權輔助接取(Licensed Assisted Access, LAA)改進
    為使非授權頻帶(Unlicensed Band)也能夠提供穩定可靠的資料傳輸服務,3GPP自Release 13便開始發展利用授權頻帶來輔助非授權頻帶資料傳送的授權輔助接取技術,並在Release 15更提供了進一步的改進技術(Enhanced LAA),包含新實體傳輸架構(Frame Structure)、頻譜共享(Spectrum Sharing)、以及頻譜聚合(Spectrum Aggregation)等輔助接取技術。
  • 非授權頻帶運作改進(Operation in Unlicensed Spectrum)
    除了授權輔助接取外,3GPP也發展可獨立在非授權頻帶傳輸資料之接取技術,發展可直接在非授權頻帶上行(Uplink)與下行(Downlink)鏈結傳送資料,並更設計新傳送回覆(Acknowledgement)機制,以降低因為封包碰撞而浪費在等待回覆封包的傳送延遲,藉此提升非授權頻帶之傳輸效能。
  • 車聯網通訊(Vehicle to Everything)
    為使通訊系統能為涵蓋車聯網市場提供服務,3GPP亦針對車獨特之通訊特性發展新通訊技術,包含車對車(Vehicle-to-Vehicle, V2V)、車對網路(Vehicle-to-Infrastructure, V2I)、車對人(Vehicle-to- Pedestrian, V2P)等可以使車輛具備與任何裝置通訊的通訊技術。主要的技術改進在於兩個終端裝置的傳輸介面,提供載波聚合(Carrier Aggregation)、64QAM調變、傳輸多樣性(Transmit Diversity)、與縮短傳送等待時間(Shorten Time-to-Transmit)等。
  • 窄頻物聯網(Narrow Band IoT)
    3GPP以Release 13系統為基礎,制定使合用於小資料封包傳送之窄頻通訊技術,除了定位(Positioning)、群播(Multicast)、與非連結載波(Non-Anchor Carrier)隨機接取機制之外,亦進一步發展支援小細胞基地台、分時多工模式(Time Division Duplex)、保護頻帶(Guard-Band)、以及獨立運作(Standalone)模式等無線接取技術。
  • 新接取技術(New Radio)
    為進一步提升傳輸效能,3GPP也發展可使用24GHz以上高頻帶之毫米通訊技術,以支援虛擬實境(Virtual Reality)、擴增實境(Augmented Reality)、遠距操控(Remote Control)等需要超高傳輸速率以及超低延遲之新興應用服務。主要的新技術改進在於新實體傳輸架構、先占(Preemptive Transmission)、服務品質保證(QoS)提升、新行動終端能力(New UE Capability)、與新網路控制(Network Control)與介面。
  • LTE與NR雙重連線(LTE-NR Dual Connectivity)
    為使新接取技術也能與LTE網路共存,並在行動通訊系統世代交替的過渡階段,也能符合各種不同應用服務之需求,3GPP發展LTE與NR雙連線可同時接取的連線技術。LTE與NR雙重連線技術所支援的技術有,以流量為管理基準的服務品質保證(Flow-Based QoS)機制、雙重連線之移動性支援(Mobility Support)以及換手(Handover)機制。

 


總結而言3GPP目前已經初步完成Release 15行動通訊系統無線接取網路之技術規格設計,接下來將面對國際電信聯盟之效能評估。依據本報告之分析,目前在3GPP之無線接取網路提案中已經可以適用未來下世代網路之各項應用情境並可滿足相關之效能需求,極有可能在成為全球通用之第五代通訊系統,而其後續發展之進階通訊系統 亦值得產業繼續關注跟期待。

參考文獻

 

  1. ITU-R Technical Report M.2376, “Technical feasibility of IMT in bands above 6 GHz”, Jul. 2015.
  2. ITU-R Recommendation M. 2083, “IMT Vision – Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond”, Sep. 2015
  3. 3GPP Technical Report, TR 38.900 V1.0.0, “Channel model for frequency spectrum above 6 GHz,”June. 2016.
  4. 3GPP Technical Report, TR 38.913 V1.0.0, “Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies,”Oct. 2016.
  5. 3GPP Contribution RP-170847, “New WID on New Radio Access Technology,” March 2017.
  6. 3GPP Technical Report, TR 38.805 V1.0.0, “Study on new radio access technology; 60 GHz unlicensed spectrum,” March 2017.
  7. 3GPP Web, “Release 15,” http://www.3gpp.org/release-15
  8. 3GPP Web, “3GPP Features and Study Items,” http://www.3gpp.org/DynaReport/– FeatureListFrameSet.htm

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