【ATU Book-5G】5G-NR 小科普

新的一年到了，最近朋友想買支新手機，好好犒賞自己一下，上網一看，新手機都提到了支援 5G，『到底甚麼是 5G 呢？我的舊手機都有 64G 了，怎麼越演進越低階阿？』朋友問道，為了幫他很快可以犒賞自己，老吳就幫他來快速來個 5G 小科普吧！


一、甚麼是 5G 通訊系統？
   
1. 5G 通訊系統怎麼來的？

       5G 通訊系統標準是來自2012年 ITU (International Telecommunication Union) 國際電信聯盟所訂定的發展藍圖，ITU 是一個聯合國旗下的聯盟，負責規劃通訊的願景、目標、流程等等，簡單來說這個聯盟訂定了，要達到甚麼樣的關鍵技術指標，才能稱做 5G，有了這些關鍵技術指標，一些組織單位就可以針對這些指標提出候選的技術，例如之前 3GPP 所提出3G 的WCDMA技術。

       ITU 將 5G 的這些相關技術指標及條件整理並給個正式的名稱 IMT-2020，確定在 2020 年通過並發表全球 5G 標準，並已經在 2017 年 2 月公開向全世界各國家與產業界徵求符合 IMT-2020 的技術提案，如下圖 1，一些來自 3GPP 中的韓國、中國或是 ETSI 的提案。

2. 5G 通訊系統的關鍵技術指標

        怎樣才能稱作 5G 呢？前面提到的關鍵技術指標又是哪些呢？在 ITU 訂定 5G 行動通訊目標時，希望促進服務的創新及滿足使用場景需求，所以 5G 需要能用在節能與傳送延遲考量的應用上，具有彈性以及多種發現可能性的無線網路，例如更快速、更高容量、更可靠的行動通訊服務，日漸普及的物聯網服務等等，因此規劃 5G 系統應滿足三種應用情境，分別是：

                (1) 增強行動寬頻 (Enhanced Mobile Broadband, eMBB)
                (2) 巨量物聯通訊 (Massive Machine Type Communications, mMTC)
                (3) 高可靠、低遲延通訊 (Ultra Reliable and Low Latency Communications, uRLLC)

       下面老吳列出與跟上一代  4G 的 IMT – Advance 關鍵技術指標比較表。




3. 5G 常見技術名詞

• 大規模天線技術 (Massive MIMO)

        傳統的 TDD 網路的天線基本是 2 天線、4 天線或 8 天線，而 Massive MIMO 指的是通道數達到 64/128/256 個。

• 網路功能虛擬化 (Network Function Virtualization、NFV)

       前網路設備以硬體為核心，硬體相容性及互通的設計難度、硬體汰換成本較高，如果改採 x86 等通用性硬體來虛擬化所有網路設備的功能，要更新的時候僅需更新軟體即可。NFV 主要是優化網路的功能，比如負載均衡，防火牆，WAN 網優化控制器等，以 OSI 模型來看，NFV 虛擬化處理的是 4~7 層。

圖 3 ：網路功能虛擬化

• 軟體定義網路 (Software Defined Network、SDN)

       主要在於重構網路架構，它利用 OpenFlow 協定將路由器的控制平面 (Control Plane) 從資料平面 (Data Plane) 中分離，改以軟體方式實作，從而使得將分散在各個網路裝置上的控制平面進行集中化管理成為可能，該架構可使網路管理員在不更動硬體裝置的前提下，以中央控制方式用程式重新規劃網路，為控制網路流量提供了新方案，也為核心網路和應用創新提供了良好平台。SDN 主要是優化網路基礎設施架構，比如乙太網交換機，路由器和無線網絡等，以 OSI 模型來看，SDN 處理模型中 2~3 層。

• 行動邊緣運算 (Mobile Edge Computing、MEC)

       行動邊緣運算是一個網路架構的概念，在行動網路的邊緣提供雲端運算的能力，以及 IT 服務的環境。主要的想法是減少核心網路設備日益增加的營運壓力，以及讓行動營運商可以為顧客創造出獨特的行動體驗。
       行動邊緣運算被設計建立在行動蜂巢網路基站上。用戶端可以直接由基站取得數據資料，不用等待遠端伺服器回應，因此可以減少延遲，獲得較好的體驗。遠端伺服器也不用直接面對用戶裝置，只需要處理由基站處理過後發送的少量資訊，因此可以減少核心網路的負擔。

圖 5 ：行動邊緣運算

• 網路切片 (Network Slicing)

        網路切片簡單的說是一種 QoS，依據應用類型的差異，實現不同等級的安全資源配置。在 5G 中運用虛擬化技術將網路切割成多個虛擬端到端的網路，且每個虛擬網路之間的設備、接入、傳輸和核心網，皆為獨立，根據業務和使用者的動態需求，進行資源調整，提升網路的靈活性，還可減少硬體資源的建置成本及網路建置時間，達到硬體資源共享。

 圖 6 ：網路切片

二、 5G 通訊系統使用那些頻段呢？

1. 5G 射頻範圍

        根據 3GPP 定義的規格，5G 分為 2 個大頻段 Sub-6 及 mmWave，此外與 4G LTE 不同，5G NR 頻段號標識以「n」開頭，比如 LTE 的 B20 (Band 20)，5G NR 稱為 n20。

• Sub-6 : 450MHz 至 6GHz 之間

        已經許多設備及應用都使用這個頻段，例如 3G、4G、WiFi 等等，因此這頻段的產業技術非常成熟、設備多，容易佈署，但也相對頻段範圍小、壅塞，可選用的頻段少。

• mmWave : 24GHz 至 100 GHz

        這個頻段屬於毫米波頻段，可使用的頻寬大且鮮少被使用，非常適合全新的應用，但是也因為頻率高、波長短，因此易受影響、傳輸範圍小、需要更多基地台來覆蓋，技術門檻也較高且設備較 Sub-6 少。

2. 5G NSA 和 SA 網路架構

        5G 的網路架構可分為 NSA (Non - Standalone) 及 SA (Standalone)，用最簡單的方式說明也就是只有純 5G 系統 (SA) 和包含 4G & 5G 系統 (NSA)，當然這兩種組網模式也所差異。

(1) 晶片設計上的差異，NSA 架構由 4G 網路進行控制、5G 網路進行資料傳輸。即使是 NSA 單模晶片，基頻和射頻也都必須同時具備 4G 和 5G 電路。而支援 SA 模式的晶片，其控制和資料都必須是 5G。

(2) 連網差異，如果是 NSA 模式，手機需要同時連接 4G 和 5G 網路，而 SA 模式只需要連接 5G 網路。

(3) 成本差異，獨立組網需要耗費巨額資金，尤其是 5G 高頻特性決定其基地台的建設數量遠大於 4G，建設成本可能是 4G 網路的 2 倍，且投資週期高達 8 年。相對而言，NSA 單模因共用 4G/5G 核心網，可為營運商節省大量的網路投資。但其缺點也很明顯，即無法支援「低延遲、高速率、大連接」等 5G 最核心的特性，這也是「假 5G」之說的根源。並且，手機在 NSA 網路下同時連接 4G/5G 網路，耗電要比 SA 組網高很多。

 

        在看過上面的 5G 通訊系統小科普後，相信大家都跟老吳的朋友一樣，已經對於 5G 有簡單的基本了解，採買 5G 產品時可以懂得相關 5G 的專有名詞。

下集預告

        下一集中，老吳將會針對 5G中的 Small Cell 及 FWA 做一個介紹，有興趣的客官一定要保持關注。

資料來源：
安立知、工研院、維基百科、ITU-R、3GPP
https://www.zcom.com.tw/tw/index/faq_qd/detail?id=165
https://netmanias.com/en/post/blog/13311/5g/5g-network-as-a-service-how-5g-enables-the-telecom-operators-to-lease-out-their-network
https://www.stockfeel.com.tw