多樣性的5G應用需求

為了滿足國際電信聯盟(International Telecommunication Union, ITU) 提出的第五代行動通訊(5th Generation mobile communication, 5G)需滿足八大性能指標及三大應用需求，第三代合作夥伴計畫(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)組織於R15制定新無線電技術(New Radio, NR)時著重了系統彈性(Flexibility)與未來相容性這兩個特點，以符合多元的應用服務(包含超大頻寬上網Extreme Mobile Broadband, eMBB、巨量通訊Massive Machine Type Communication, mMTC以及超可靠/低延遲通訊Ultra-reliable low latency Communication, uRLLC)、不同的頻帶運用(7GHz以下與24GHz以上)、以及各式各樣的布建可能(如室內熱點或更廣域的室外布建等等)。

        為了符合上述的需求，在實體層擷取(Radio Access)技術的開發上，可歸納出下列四點特性：

• 高頻運作技術相關：NR運作包含了FR1(450 MHz ~ 7.125 GHz)與FR2 (24.25 GHz ~ 52.6 GHz)兩個頻帶區間。為了讓高頻運作更為順利，採用新的實體層參數(numerology)設計，有5種不同的子載波間隔設計(如下表所示)。15 KHz 的選用主要是和4G LTE能相容；而較高頻帶的運作則使用較大的子載波間隔設計，以提供較短的時間延遲，並減少快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform, FFT)電路設計上的要求。此外也採用多波束運作(Multi-beam operation)技術來克服高頻通道衰減效應或易受阻隔(block)的情形，以提高傳輸範圍或提升傳輸可靠度。

• 寬頻接取技術相關：寬頻接取雖然可以達成更高的資料傳輸速率(data rate)，但所需的電力消耗(power consumption)也跟著增加。為了減少裝置的功耗，NR採用了部分頻寬(Bandwidth Part, BWP)技術：讓裝置端能先以小部分的頻寬運作來確定是否需進一步執行大頻寬的運作。透過避免全時段開啟全頻寬的運作來達成功耗減少的目的。
• 低傳輸延遲與高傳輸可靠度相關：包含自含式(self-contained)子訊框(subframe)架構及迷你時槽(mini-slot)的設計。前者使用分時多工的方式讓一個子訊框同時具有下行與上行傳輸資源，以符合不同的應用需求(如回傳ACK/NACK/CSI等等的訊息)；而後者為由更少的OFDM符元所組成，讓進行資源配置的時間可縮短，當有緊急事件觸發URLLC的傳輸時可因傳輸機會密度的增加而進行快速排程資源給URLLC使用者。此外NR中的重傳單位不再是傳輸區塊(transport block, TB)，而是由多個編碼區塊(code block, CB)組成的編碼區塊群組(code block group, CBG)，結合多重混合型自動重傳請求-肯定應答回饋(Hybrid Automatic Repeat Request- ACKnowledgement feedback, HARQ-ACK feedback)設計滿足資料傳輸量與可靠度的平衡。
• 進階通道編碼技術：由於5G系統設計須同時滿足eMBB與uRLLC可靠性要求，考慮資料傳輸的錯誤更正率(可靠度)與對應的演算法複雜度(處理速度與硬體成本/功耗)問題，傳統的渦輪碼(turbo code)技術已不敷使用。為了滿足長資料量的數據通道(data channel)及短資料量的控制通道(control channel)，NR各採用了低密度奇偶校驗(Low-density parity-check code, LDPC code)與極化碼(Polar Code)的作為新的通道編碼技術。

以下為R-15的時程。關於R15的3個版本特徵請另外參閱拙作(https://www.commresearch.com.tw/Blog/ViewArticle.aspx?guid=6fe9530e-c5bf-49da-8c33-2fcd1296e001)。

3GPP R-15時程 (Source: RWS-180005)