ITU/3GPP紧锣密鼓展开讨论 5G标准朝三大方向制定
作者：蔡宜学/廖书汉/杨丰铭
全球5g技术研发与标准讨论越来越热络，其中扮演火车头角色的两大组织--国际电信联盟(itu)与第三代合作伙伴计划(3gpp)，近期更密集召开临时会议，并确认5g标准将朝向增强型行动宽带、大量机器通讯及高可靠低延迟通讯等三大方向发展。
长期演进技术的未来发展是目前全球电信营运商及通讯大厂积极布局的重要项目。国际通讯联盟(itu)将规画于2020年订定第五代(5g)全球无线行动宽带通讯规范imt-2020相关文件。在2014年11月17日至21日于美国旧金山举行的第三代合作伙伴计划(3gpp)服务需求工作组(sa1-service)的国际标准会议中，便决定于2015年2月举行的3gpp服务工作组会议提出第十四版本(release-14)的标准工作项目，将决定5g的需求规范。
5g三大发展方向底定
紧接着在2015年2月2日至12日于中国三亚市举行的一次3gpp服务需求工作组的国际标准会议中，正式通过由英国电信营运商沃达丰(vodafone)主导之smarter工作项目，其用以探讨并决定5g的需求规范。
在同年3月9日至13日于中国上海举行的3gpp国际标准会议中，由无线撷取网络工作技术规范组(technical specification group-radio access network, tsg ran)主席dino flore提出该工作技术规范组之5g的讨论时程。
值得注意的是，在2015年9月17日至18日于美国凤凰城举行的3gpp第五代全球无线行动宽带通讯工作会议(workshop on 5g)中，来自全球各地行动通讯大厂的代表均热烈参与技术提案以及讨论，会中决议次世代无线撷取技术(next generation radio technology)将会朝向增强型行动宽带(enhanced mobile broadband)、大量型机械式通讯(massive machine type communications)，以及高可靠低延迟式通讯(ultra-reliable and low latency communications)等三大方向发展。
在同年10月19日至21日于加拿大温哥华举行的3gpp服务需求工作组国际标准会议中，也达成决议将smarter工作项目分割为四个子工作项目，分别为增强型行动宽带、大量型物联网(massive internet of things)、紧急型机械式通讯(critical machine communications)以及网络运行(network operation)；其中除了网络运行属于核心网络相关的通讯技术外，其余皆与无线撷取网络工作技术规范组所决议的三大方向发展相呼应。
同时在2015年10月19日至23日于中国成都举行的3gpp网络架构工作组(sa2)国际标准会议中，通过由中国移动与诺基亚(nokia networks)共同主导之nexgen(study on architecture for next generation system)工作项目，用以探讨并决定5g的网络架构。
紧接着同年12月8日至12日在西班牙巴塞隆纳锡切斯举行的第三代合作伙伴计划国际标准会议中，通过由中国移动与ntt docomo共同主导之scenarios and requirements for next generation access technologies工作项目，用以探讨并决定5g的网络截取技术使用情境与需求规范。
为了赶上imt-2020的制定时程，加速第五代全球无线行动宽带痛讯发展，于2016年1月28、29两日在西班牙巴塞隆召开无线撷取网络工作技术规范组临时会议(tsg ran ad-hoc meeting)，全力讨论并订定无线撷取网络工作技术之使用情境与需求规范之草案。
国际电信标准组织协力 itu/3gpp催生5g
itu根据1992年日内瓦会议所制订的协议和章程，扮演提供会议和论坛的角色，使itu的成员可以在技术领域、发展领域或者电讯政策等各方面互相切磋，共同促进电信建设，以及合理使用各种电信措施。
在itu当中，每个领域的部门都有自己的管理组织，透过各部门的管理组织，执行该部门的活动和策略，达成该部门所设定的任务目标。在全球化的背景下和世界电讯市场自由化的潮流下，促成itu的组织重整分成三个主要领域的架构如下：
一、国际通讯联盟电信标准部门(itu telecommunication standardization sector, itu-t)的任务是着重于电信技术标准的层面，此一部门藉由研究技术标准、技术标准的运作和关税问题，以及采取相关建议的方式，规画itu的电信标准化事宜。
二、国际通讯联盟无线通信部门(itu telecommunication standardization sector, itu-r)的主要任务在于确保所有无线通信业者，包括使用卫星通讯系统的业者，能以合理适当有效率且符合经济效益的方式使用无线电频谱。同时，此一部门也从事和无线电通讯相关的研究并提出建议。
三、国际通讯联盟电信发展部门(itu telecommunication development sector, itu-d)的任务包括促使itu成为联合国下辖的专业机构，并且在联合国的发展体制下负责执行各种有关计划。同时，电信发展部门也致力于推动技术合作和援助活动，以提升电信之发展，或者促使电信活动易于发展。
3gpp是一个成立于1998年12月的国际标准化组织机构。由五大区域之六个主要的成员组成，包括欧洲电讯通讯标准化机构(european telecommunications standards institute, etsi)、日本的电波产业会(association of radio industries and businesses, arib)和情报通讯技术委员会(telecommunication technology committee, ttc)、中国通讯标准化协会(china communications standards association, ccsa)、韩国情报通讯技术协会(telecommunications technology association, tta)和北美的电讯通讯产业解决方案联盟(alliance for telecommunications industry solutions, atis)。而在2015年1月1日，印度电信标准化发展协会(telecommunications standards development society of india, tsdsi)正式成为3gpp的主要的成员(如图1所示)，致力于制定电信产品并满足区域通讯标准服务的需求，同时促进国际通讯标准服务间的互操作性。
图1 国际标准化组织机构与3gpp的关联性 图片来源：3gpp
欧美亚电信商积极投入5g研发
由vodafone主导之5g的需求规范工作项目smarter，其全名为new study item on new services and markets technology enablers。该工作项目将根据5g研究单位之报告来选取对应之技术项目。
其最终目标是发展高阶的使用情境，并确认对应之高阶的潜在需求规范，以提供3gpp电信营运商新型态的电信服务以满足市场需要。选取第五代无线宽带通讯技术项目的分析过程也须考虑既有的3gpp系统的服务和需求，包括发展向下兼容的机制。
2015年2月2日至12日于中国三亚市举行的3gpp服务需求工作组的国际标准会议中，正式通过用以探讨并决定5g的需求规范之smarter工作项目。为加速该工作项目的研究进度已先行于同年3月27日举行一场在线讨论会决定提案的形式。
紧接着在同年4月13日至17日于墨西哥洛斯卡波斯举行的服务需求工作组的国际标准会议中，开始正式讨论相关5g的服务需求提案。
之后在2015年8月17日至21日于塞尔维亚贝尔格莱德举行的需求工作组的国际标准会议中，汇集电信大厂提出多达五十余件的系统服务使用情境及需求。
同年9月17日至18日在美国凤凰城举行的5g工作会议(workshop on 5g)中，决议次世代无线撷取技术将朝向增强型行动宽带、巨量机械式通讯以及高可靠低延迟式通讯三大方向发展(如图2所示)。
图2 次世代imt系统的能力规范 图片来源：3gpp
在2015年10月13日至17日于加拿大温哥华加开一场服务需求工作组的临时会议中，增加了十余件系统服务使用情境及需求，并决议将所汇集到的使用情境与需求规范进一步分成四个子研究项目来分析(如表1所示)，分别为增强型行动宽带、巨量物联网、紧急通讯以及网络运作。紧接着同年11月16日至20日在美国安纳罕举行的服务需求工作组的国际标准会议中，将原先在smarter中的七十二件系统服务使用情境及需求分类汇整至四个子研究项目，并产出tr 22.891 v1.2.0的技术报告草案。
5g新技术崛起 网络切片量身订制网络
随着新形态通讯市场的垂直区段细分，3gpp须提供多样化的使用情境。其中网络切片(network slicing)是一项全新的网络及服务模式，能量身订制网络、云端及管理服务，满足消费者及企业多项服务的客制化需求。
预计新用途的使用情境将满足新一代各式各样的网络需求。例如将有对应于不同功能的网络需求，如网络收费、策略管理、网络安全与装置移动性等。
如行动宽带的使用情境，可能需要如依据应用层收费和依据应用层策略控制，而其他使用情况可使用简单网络收费或策略管理来提升效率。且不同使用情境的网络需求也将有巨大的差异。
为了有效的处理大量垂直细分的网络服务模式，有必要将不同的服务模式彼此隔离。
例如，当发生大量电表之网络行为都不正常之场景下，对于行动宽带的用户或与健康和安全相关的应用程序都不应产生负面的影响。
此外，支持新的垂直细分还须有独立区段管理，及针对每个垂直区段的需要提供分析和服务的功能。
图3提供一个高层次概念的示意图。网络切片主要针对核心网络作分割，但为支持多个切片或不同网络切片资源分割，可能须针对特定的功能进行物理层的设计。
图3 支持网络切片服务模式的使用情境 图片来源：3gpp tr 22.891 v1.2.0
潜在服务需求规范：
一、3gpp须允许网络营运商提供网络切片的网络服务模式，即独立的网络功能和参数设定以搭配多个企业或虚拟网络营运商等。
二、网络营运商应能动态切割网络，以满足不同多样的使用情境。网络营运商应能识别某些终端或一群终端与用户组是对应关联到一个特定的网络切片。
三、3gpp应能使用户设备基于订阅之服务或终端之类型，从一个特定的网络切片获得服务。
潜在营运需求规范：
一、营运商应当能针对不同市场或服务，建立和管理符合要求标准的网络切片。
二、3gpp应能隔离操作不同的网络切片，并防止在一个切片中的数据通讯对其他切片服务产生负面影响。
三、网络营运商应能授权第三方在容许内透过适当的应用程序编程接口(api)来管理网络切片之设定。
以下将介绍网络切片的使用情境，以及如何实现网络虚拟化？
．支持大量的设备联机
在未来物联网成长的速度相信会大过一般的行动网络，因此在基地台端必须要能够承载相当大量的终端设备，在后端的核心网络必须要能够同时应付许多的终端连结，所以在排程设计上也会是一个挑战。
在3gpp标准，对于ue能够支持的传输等级称作ue-category，在r11以前分为1~10共10个等级，其中cat.1-5为r8所定义，cat.6-8为r10定义，cat.9-10为r11定义，而在r12时，为了因应mtc所要的需求，更低的传输速率及更低的功耗，因此又再新增cat.0的等级，相关的速率及配置如表1所示，cat.0及cat.1都是能够支持mtc的配置，对于将来行动穿戴装置或智能家电等都是其可应用的范围，而在r13版本的cat.m或nb-iot(narrow band–internet of things)，更是降低其传输的数据上限及带宽，目的就是为了要再降低设备成本及功耗。
对于降低终端设备成本，在lte中提出几项方法，其中一个是半双工(half duplex)的设计，在mtc的环境中，不需要这么高的传输速度，因此可以使用半双工的方式来减少设备的成本，在半双工的使用上只需要多一个切换器去改变发送或接收的模式，比起全双工(full duplex)所需的组件，使用半双工的成本更为低廉，并且也能够降低电力的消耗，无疑是在mtc需求下有效降低成本的方法。
半双工模式在3gpp r8时就有定义，而在r12时对于半双工分别列出type a 与type b两种类型，其中type b为专为cat.0所用，如表2所示，其两种差别在于type a下，ue在发送上行讯号时，其前面一个子讯框(subframe)的下行讯号中最后一个符元(symbol)不接收，用来作为保护区间(guard period, gp)，而在type b下，ue在发送上行讯号时，其前面的子讯框与后面的子讯框都不接收下行讯号，使得保护区间加长，对于设备的要求更加得降低，并且也使讯号的可靠度上升。
另外可以注意到的一个新技术为nb-iot，nb-iot为r13所提出的标准，其目的是朝向一个更低复杂度和低吞吐量所设计的新无线接入系统，来解决蜂巢式物联网(cellular iot)的需求，其下行讯号使用nb-ofdma系统(图3)，上行使用fdma的接入系统，在nb-ofdma下，使用72个带宽为2.5khz的子载波(subcarrier)传输，使频谱有更高的使用效率，并在同一个蜂巢网络允许大量的设备同时使用，提供更广的覆盖范围，其能够使用在一个lte的资源区块(resource block, rb)内(180khz带宽)，或者是在没有使用到之rb旁的保护区间(gp)，亦或是使用独立出来的一个专用频谱，而在上行使用的是fdma的系统搭配gmsk(gaussian-shaped minimum shift keying)或者是psk(phase shift keying)的调变，其可以提高频谱的使用效益，并且降低组件的复杂度，可以发现nb-iot为一个不同以往lte系统的一种新设计规格，可说是为了物联网而独立出来的一个系统。
图3 nb-ofdma频谱
在cat.1及cat.0或更低的ue等级中，其最大传输速度也限制在1mbps以下，并且只支持一根天线，目的也是减少组件成本及不使用过于复杂的算法。
而在延长使用电力方面，在3gpp r12标准中定义一种电力节省模式(power saving mode, psm)，psm为一种特殊的终端状态，可以最小化电力的消耗，一般认为比空闲模式(idle mode)下更省电，终端在psm下，可以决定要多长的时间去启动传送或接收数据，终端就不用维持在开机状态，相当于休眠的模式，因此终端的电力使用便获得大幅的降低，无疑是对物联网终端的一项重要技术。
若ue支持psm，在attach或tau(tracking area update)的程序中时，会向网络申请一个启动定时器(active timer)，这个定时器决定ue要保持多久时间去监听传呼(paging)讯号，当超过定时器的时间，ue便会进入省电模式，在此期间不再监听呼叫讯号，近似于关机的状态，但ue还是注册在网络中，因此不需要重新链接或建立数据封包网络(packet data network, pdn)的联机，直到ue要再对外传送数据，或者tau的周期到了，才会回复到联机的状态，于表3可以看到若是tau周期为1小时，而1个星期发送一次资料，两个2a电池可以使用超过136个月，相当于11年左右。
而在r13标准，也定义改进非连续接收模式(enhanced discontinuous reception, edrx)，其为延长原本drx的时间，使ue在drx的次数及频率上可以减少，以达到更省电的目的，但ue在进行长时间的drx周期后，本身的定时器可能会发生不准确的情况，就会让ue与核心网络之间发生不同步的情况，因此基地台必须时常与ue进行同步，而在ue离开edrx模式时，也要发出多笔传呼讯号，让ue在时间不同时依旧可以收到传呼讯号(图4)。
图4 psm与edrx示意图
在提升覆盖率的部分，3gpp于r13版本中，定义其能够提高15至20db的覆盖率，主要使用提高数据及参考讯号的能量、错误重传及降低系统性能的要求等，在基地台发送讯号给mtc终端时，透过提高发送的能量(power boosting)，使终端在更远处或被遮蔽时依旧能够收到讯号，或者是给定一个功率水平，但将其集中发送在某一带宽，以提高其功率频谱密度(psd boosting)，而要使用提高功率或提高psd取决于所考虑的信道或信号上，由于不需要过高的性能表现，因此在传送资料时可以考虑更低的调变指数，如bpsk，以及使用更短的crc，而在mtc架构下的ue，也可以透过组合的pss和sss多次累积能量，来做同步讯号的处理，虽然会增加同步处理的时间，但却可以使接收范围更广，而在基地台接收prach的部分，可以透过降低其门坎值(threshold)和提高误警率(false alarm rate)来使ue更容易与基地台联机，进而改善系统覆盖率。
而要应付大量的终端联机，核心网络的排程设计也相当重要，其主要透过几项来使核心网络更符合物联网的要求，一为使用容忍高延迟的通讯(high latency communications)在一般行动通讯，为了达到高传输速度及效能，对于其传输延迟有相当高的要求，但在mtc通讯中，仅限于低数据量传输，因此能够容忍更高的传输延迟，这里面就必须在核心网络中各项协议中去作调整，另外可能也会有专为mtc架构所设计的mme(mobility management entity)系统，在核心网络中能够承载更多的终端设备。
5g通讯的双面发展
在未来万物联网的时代，终端连上网络的数目相信是比现在要大上好几倍，从前的无线通信总是追求要更大的传输带宽与更快的数据传输，但在未来却可能是要更低的传输速度，更低的电力消耗，更简易的硬件设计，在将来5g的行动通讯，一方面势必会提高传输效能，透过如laa或massive mimo等技术，以达到5g所期望超过10gbps的传输需求，使用户能够使用到更高质量的数字行动通讯服务。
另一方面，也为了要使智慧终端应用能够广泛实现，在mtc这块的发展也为将来5g通讯不可或缺的技术，在目前已经看见诸多标准陆续在制定，都是为了以后物联网的需求，而在芯片商，也积极在推出lte mtc规格的cat.0或cat.1，可望利用其低成本、低功耗、小尺寸等优势，进攻物联网的市场，而在r13版本提出更低复杂度及更省电的cat.m及nb-iot类型，期望也在不久的将来也能够商品化，使lte能够抢进物联网市场。
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长期演进技术的未来发展是目前全球电信营运商及通讯大厂积极布局的重要项目。国际通讯联盟(itu)将规画于2020年订定第五代(5g)全球无线行动宽带通讯规范imt-2020相关文件。在2014年11月17日至21日于美国旧金山举行的第三代合作伙伴计划(3gpp)服务需求工作组(sa1-service)的国际标准会议中，便决定于2015年2月举行的3gpp服务工作组会议提出第十四版本(release-14)的标准工作项目，将决定5g的需求规范。
5g三大发展方向底定
紧接着在2015年2月2日至12日于中国三亚市举行的一次3gpp服务需求工作组的国际标准会议中，正式通过由英国电信营运商沃达丰(vodafone)主导之smarter工作项目，其用以探讨并决定5g的需求规范。
在同年3月9日至13日于中国上海举行的3gpp国际标准会议中，由无线撷取网络工作技术规范组(technical specification group-radio access network, tsg ran)主席dino flore提出该工作技术规范组之5g的讨论时程。
值得注意的是，在2015年9月17日至18日于美国凤凰城举行的3gpp第五代全球无线行动宽带通讯工作会议(workshop on 5g)中，来自全球各地行动通讯大厂的代表均热烈参与技术提案以及讨论，会中决议次世代无线撷取技术(next generation radio technology)将会朝向增强型行动宽带(enhanced mobile broadband)、大量型机械式通讯(massive machine type communications)，以及高可靠低延迟式通讯(ultra-reliable and low latency communications)等三大方向发展。
在同年10月19日至21日于加拿大温哥华举行的3gpp服务需求工作组国际标准会议中，也达成决议将smarter工作项目分割为四个子工作项目，分别为增强型行动宽带、大量型物联网(massive internet of things)、紧急型机械式通讯(critical machine communications)以及网络运行(network operation)；其中除了网络运行属于核心网络相关的通讯技术外，其余皆与无线撷取网络工作技术规范组所决议的三大方向发展相呼应。
同时在2015年10月19日至23日于中国成都举行的3gpp网络架构工作组(sa2)国际标准会议中，通过由中国移动与诺基亚(nokia networks)共同主导之nexgen(study on architecture for next generation system)工作项目，用以探讨并决定5g的网络架构。
紧接着同年12月8日至12日在西班牙巴塞隆纳锡切斯举行的第三代合作伙伴计划国际标准会议中，通过由中国移动与ntt docomo共同主导之scenarios and requirements for next generation access technologies工作项目，用以探讨并决定5g的网络截取技术使用情境与需求规范。
为了赶上imt-2020的制定时程，加速第五代全球无线行动宽带痛讯发展，于2016年1月28、29两日在西班牙巴塞隆召开无线撷取网络工作技术规范组临时会议(tsg ran ad-hoc meeting)，全力讨论并订定无线撷取网络工作技术之使用情境与需求规范之草案。
国际电信标准组织协力 itu/3gpp催生5g
itu根据1992年日内瓦会议所制订的协议和章程，扮演提供会议和论坛的角色，使itu的成员可以在技术领域、发展领域或者电讯政策等各方面互相切磋，共同促进电信建设，以及合理使用各种电信措施。
在itu当中，每个领域的部门都有自己的管理组织，透过各部门的管理组织，执行该部门的活动和策略，达成该部门所设定的任务目标。在全球化的背景下和世界电讯市场自由化的潮流下，促成itu的组织重整分成三个主要领域的架构如下：
一、国际通讯联盟电信标准部门(itu telecommunication standardization sector, itu-t)的任务是着重于电信技术标准的层面，此一部门藉由研究技术标准、技术标准的运作和关税问题，以及采取相关建议的方式，规画itu的电信标准化事宜。
二、国际通讯联盟无线通信部门(itu telecommunication standardization sector, itu-r)的主要任务在于确保所有无线通信业者，包括使用卫星通讯系统的业者，能以合理适当有效率且符合经济效益的方式使用无线电频谱。同时，此一部门也从事和无线电通讯相关的研究并提出建议。
三、国际通讯联盟电信发展部门(itu telecommunication development sector, itu-d)的任务包括促使itu成为联合国下辖的专业机构，并且在联合国的发展体制下负责执行各种有关计划。同时，电信发展部门也致力于推动技术合作和援助活动，以提升电信之发展，或者促使电信活动易于发展。
3gpp是一个成立于1998年12月的国际标准化组织机构。由五大区域之六个主要的成员组成，包括欧洲电讯通讯标准化机构(european telecommunications standards institute, etsi)、日本的电波产业会(association of radio industries and businesses, arib)和情报通讯技术委员会(telecommunication technology committee, ttc)、中国通讯标准化协会(china communications standards association, ccsa)、韩国情报通讯技术协会(telecommunications technology association, tta)和北美的电讯通讯产业解决方案联盟(alliance for telecommunications industry solutions, atis)。而在2015年1月1日，印度电信标准化发展协会(telecommunications standards development society of india, tsdsi)正式成为3gpp的主要的成员(如图1所示)，致力于制定电信产品并满足区域通讯标准服务的需求，同时促进国际通讯标准服务间的互操作性。
图1 国际标准化组织机构与3gpp的关联性 图片来源：3gpp
欧美亚电信商积极投入5g研发
由vodafone主导之5g的需求规范工作项目smarter，其全名为new study item on new services and markets technology enablers。该工作项目将根据5g研究单位之报告来选取对应之技术项目。
其最终目标是发展高阶的使用情境，并确认对应之高阶的潜在需求规范，以提供3gpp电信营运商新型态的电信服务以满足市场需要。选取第五代无线宽带通讯技术项目的分析过程也须考虑既有的3gpp系统的服务和需求，包括发展向下兼容的机制。
2015年2月2日至12日于中国三亚市举行的3gpp服务需求工作组的国际标准会议中，正式通过用以探讨并决定5g的需求规范之smarter工作项目。为加速该工作项目的研究进度已先行于同年3月27日举行一场在线讨论会决定提案的形式。
紧接着在同年4月13日至17日于墨西哥洛斯卡波斯举行的服务需求工作组的国际标准会议中，开始正式讨论相关5g的服务需求提案。
之后在2015年8月17日至21日于塞尔维亚贝尔格莱德举行的需求工作组的国际标准会议中，汇集电信大厂提出多达五十余件的系统服务使用情境及需求。
同年9月17日至18日在美国凤凰城举行的5g工作会议(workshop on 5g)中，决议次世代无线撷取技术将朝向增强型行动宽带、巨量机械式通讯以及高可靠低延迟式通讯三大方向发展(如图2所示)。
图2 次世代imt系统的能力规范 图片来源：3gpp
在2015年10月13日至17日于加拿大温哥华加开一场服务需求工作组的临时会议中，增加了十余件系统服务使用情境及需求，并决议将所汇集到的使用情境与需求规范进一步分成四个子研究项目来分析(如表1所示)，分别为增强型行动宽带、巨量物联网、紧急通讯以及网络运作。紧接着同年11月16日至20日在美国安纳罕举行的服务需求工作组的国际标准会议中，将原先在smarter中的七十二件系统服务使用情境及需求分类汇整至四个子研究项目，并产出tr 22.891 v1.2.0的技术报告草案。
5g新技术崛起 网络切片量身订制网络
随着新形态通讯市场的垂直区段细分，3gpp须提供多样化的使用情境。其中网络切片(network slicing)是一项全新的网络及服务模式，能量身订制网络、云端及管理服务，满足消费者及企业多项服务的客制化需求。
预计新用途的使用情境将满足新一代各式各样的网络需求。例如将有对应于不同功能的网络需求，如网络收费、策略管理、网络安全与装置移动性等。
如行动宽带的使用情境，可能需要如依据应用层收费和依据应用层策略控制，而其他使用情况可使用简单网络收费或策略管理来提升效率。且不同使用情境的网络需求也将有巨大的差异。
为了有效的处理大量垂直细分的网络服务模式，有必要将不同的服务模式彼此隔离。
例如，当发生大量电表之网络行为都不正常之场景下，对于行动宽带的用户或与健康和安全相关的应用程序都不应产生负面的影响。
此外，支持新的垂直细分还须有独立区段管理，及针对每个垂直区段的需要提供分析和服务的功能。
图3提供一个高层次概念的示意图。网络切片主要针对核心网络作分割，但为支持多个切片或不同网络切片资源分割，可能须针对特定的功能进行物理层的设计。
图3 支持网络切片服务模式的使用情境 图片来源：3gpp tr 22.891 v1.2.0
潜在服务需求规范：
一、3gpp须允许网络营运商提供网络切片的网络服务模式，即独立的网络功能和参数设定以搭配多个企业或虚拟网络营运商等。
二、网络营运商应能动态切割网络，以满足不同多样的使用情境。网络营运商应能识别某些终端或一群终端与用户组是对应关联到一个特定的网络切片。
三、3gpp应能使用户设备基于订阅之服务或终端之类型，从一个特定的网络切片获得服务。
潜在营运需求规范：
一、营运商应当能针对不同市场或服务，建立和管理符合要求标准的网络切片。
二、3gpp应能隔离操作不同的网络切片，并防止在一个切片中的数据通讯对其他切片服务产生负面影响。
三、网络营运商应能授权第三方在容许内透过适当的应用程序编程接口(api)来管理网络切片之设定。
以下将介绍网络切片的使用情境，以及如何实现网络虚拟化？
．支持大量的设备联机
在未来物联网成长的速度相信会大过一般的行动网络，因此在基地台端必须要能够承载相当大量的终端设备，在后端的核心网络必须要能够同时应付许多的终端连结，所以在排程设计上也会是一个挑战。
在3gpp标准，对于ue能够支持的传输等级称作ue-category，在r11以前分为1~10共10个等级，其中cat.1-5为r8所定义，cat.6-8为r10定义，cat.9-10为r11定义，而在r12时，为了因应mtc所要的需求，更低的传输速率及更低的功耗，因此又再新增cat.0的等级，相关的速率及配置如表1所示，cat.0及cat.1都是能够支持mtc的配置，对于将来行动穿戴装置或智能家电等都是其可应用的范围，而在r13版本的cat.m或nb-iot(narrow band–internet of things)，更是降低其传输的数据上限及带宽，目的就是为了要再降低设备成本及功耗。
对于降低终端设备成本，在lte中提出几项方法，其中一个是半双工(half duplex)的设计，在mtc的环境中，不需要这么高的传输速度，因此可以使用半双工的方式来减少设备的成本，在半双工的使用上只需要多一个切换器去改变发送或接收的模式，比起全双工(full duplex)所需的组件，使用半双工的成本更为低廉，并且也能够降低电力的消耗，无疑是在mtc需求下有效降低成本的方法。
半双工模式在3gpp r8时就有定义，而在r12时对于半双工分别列出type a 与type b两种类型，其中type b为专为cat.0所用，如表2所示，其两种差别在于type a下，ue在发送上行讯号时，其前面一个子讯框(subframe)的下行讯号中最后一个符元(symbol)不接收，用来作为保护区间(guard period, gp)，而在type b下，ue在发送上行讯号时，其前面的子讯框与后面的子讯框都不接收下行讯号，使得保护区间加长，对于设备的要求更加得降低，并且也使讯号的可靠度上升。
另外可以注意到的一个新技术为nb-iot，nb-iot为r13所提出的标准，其目的是朝向一个更低复杂度和低吞吐量所设计的新无线接入系统，来解决蜂巢式物联网(cellular iot)的需求，其下行讯号使用nb-ofdma系统(图3)，上行使用fdma的接入系统，在nb-ofdma下，使用72个带宽为2.5khz的子载波(subcarrier)传输，使频谱有更高的使用效率，并在同一个蜂巢网络允许大量的设备同时使用，提供更广的覆盖范围，其能够使用在一个lte的资源区块(resource block, rb)内(180khz带宽)，或者是在没有使用到之rb旁的保护区间(gp)，亦或是使用独立出来的一个专用频谱，而在上行使用的是fdma的系统搭配gmsk(gaussian-shaped minimum shift keying)或者是psk(phase shift keying)的调变，其可以提高频谱的使用效益，并且降低组件的复杂度，可以发现nb-iot为一个不同以往lte系统的一种新设计规格，可说是为了物联网而独立出来的一个系统。
图3 nb-ofdma频谱
在cat.1及cat.0或更低的ue等级中，其最大传输速度也限制在1mbps以下，并且只支持一根天线，目的也是减少组件成本及不使用过于复杂的算法。
而在延长使用电力方面，在3gpp r12标准中定义一种电力节省模式(power saving mode, psm)，psm为一种特殊的终端状态，可以最小化电力的消耗，一般认为比空闲模式(idle mode)下更省电，终端在psm下，可以决定要多长的时间去启动传送或接收数据，终端就不用维持在开机状态，相当于休眠的模式，因此终端的电力使用便获得大幅的降低，无疑是对物联网终端的一项重要技术。
若ue支持psm，在attach或tau(tracking area update)的程序中时，会向网络申请一个启动定时器(active timer)，这个定时器决定ue要保持多久时间去监听传呼(paging)讯号，当超过定时器的时间，ue便会进入省电模式，在此期间不再监听呼叫讯号，近似于关机的状态，但ue还是注册在网络中，因此不需要重新链接或建立数据封包网络(packet data network, pdn)的联机，直到ue要再对外传送数据，或者tau的周期到了，才会回复到联机的状态，于表3可以看到若是tau周期为1小时，而1个星期发送一次资料，两个2a电池可以使用超过136个月，相当于11年左右。
而在r13标准，也定义改进非连续接收模式(enhanced discontinuous reception, edrx)，其为延长原本drx的时间，使ue在drx的次数及频率上可以减少，以达到更省电的目的，但ue在进行长时间的drx周期后，本身的定时器可能会发生不准确的情况，就会让ue与核心网络之间发生不同步的情况，因此基地台必须时常与ue进行同步，而在ue离开edrx模式时，也要发出多笔传呼讯号，让ue在时间不同时依旧可以收到传呼讯号(图4)。
图4 psm与edrx示意图
在提升覆盖率的部分，3gpp于r13版本中，定义其能够提高15至20db的覆盖率，主要使用提高数据及参考讯号的能量、错误重传及降低系统性能的要求等，在基地台发送讯号给mtc终端时，透过提高发送的能量(power boosting)，使终端在更远处或被遮蔽时依旧能够收到讯号，或者是给定一个功率水平，但将其集中发送在某一带宽，以提高其功率频谱密度(psd boosting)，而要使用提高功率或提高psd取决于所考虑的信道或信号上，由于不需要过高的性能表现，因此在传送资料时可以考虑更低的调变指数，如bpsk，以及使用更短的crc，而在mtc架构下的ue，也可以透过组合的pss和sss多次累积能量，来做同步讯号的处理，虽然会增加同步处理的时间，但却可以使接收范围更广，而在基地台接收prach的部分，可以透过降低其门坎值(threshold)和提高误警率(false alarm rate)来使ue更容易与基地台联机，进而改善系统覆盖率。
而要应付大量的终端联机，核心网络的排程设计也相当重要，其主要透过几项来使核心网络更符合物联网的要求，一为使用容忍高延迟的通讯(high latency communications)在一般行动通讯，为了达到高传输速度及效能，对于其传输延迟有相当高的要求，但在mtc通讯中，仅限于低数据量传输，因此能够容忍更高的传输延迟，这里面就必须在核心网络中各项协议中去作调整，另外可能也会有专为mtc架构所设计的mme(mobility management entity)系统，在核心网络中能够承载更多的终端设备。
5g通讯的双面发展
在未来万物联网的时代，终端连上网络的数目相信是比现在要大上好几倍，从前的无线通信总是追求要更大的传输带宽与更快的数据传输，但在未来却可能是要更低的传输速度，更低的电力消耗，更简易的硬件设计，在将来5g的行动通讯，一方面势必会提高传输效能，透过如laa或massive mimo等技术，以达到5g所期望超过10gbps的传输需求，使用户能够使用到更高质量的数字行动通讯服务。
另一方面，也为了要使智慧终端应用能够广泛实现，在mtc这块的发展也为将来5g通讯不可或缺的技术，在目前已经看见诸多标准陆续在制定，都是为了以后物联网的需求，而在芯片商，也积极在推出lte mtc规格的cat.0或cat.1，可望利用其低成本、低功耗、小尺寸等优势，进攻物联网的市场，而在r13版本提出更低复杂度及更省电的cat.m及nb-iot类型，期望也在不久的将来也能够商品化，使lte能够抢进物联网市场。
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