雖然業界不斷有聲音傳出，5G世代會來臨，是因為有新的應用。但這背後很大的力量，有可能是系統製造商，為了要銷售5G系統而打出來的宣傳口號，若營運商買了系統設備，也買了頻譜，但最後卻發現，該網路根本無處可用，無疑會是非常大的損失。
工研院資通所副所長暨台灣資通產業標準協會(TAICS)秘書長(圖1)周勝鄰指出，4G至少還可以再活10年，到2025年，其頻寬、速度都還足以支撐，因此5G網路究竟要如何應用，是必須深思熟慮的。
因此，觀察5G網路的發展，最大的關鍵點必須聚焦在需求。目前透過Zigbee、Wi-Fi、藍牙等無線通訊技術連上網的物聯網，包括工業物聯網、智慧家庭、智慧城市等，著實是現有4G網路所無法支撐的，這樣的需求也就促使了4G到5G的網路系統容量得大幅增加。
周勝鄰表示，5G的發展從2012年ITU開始制定標準後，其進展速度比大家預期得都還要快很多，目前也還在加速當中，3年前他去參加5G的相關論壇，業界人士還在商討標準是否會順利在2020年底定，結果沒想到，如今5G的第一個標準將會在2017年年底完成底定，而在2019年上半年，全球將會針對此標準展開5G的部署。
周勝鄰說明，5G的標準名稱是IMT-2020，由ITU來制定，技術名稱如今還尚未制定，在4G的時代，標準名稱是IMT-Advanced，技術名稱分別為IEEE制定的WiMax2與3GPP制定的LTE-A，因此ITU是負責制定標準名稱與需求，標準組織則負責制定標準，再提交給ITU進行驗證，通過後才會成為真正的技術標準。ITU目前已針對IMT-2020定義出8項指標性的數字化需求與三項主要情境(分別為eMBB、mMTC、URLLC)，並由3GPP標準組織在制定5G標準。
目前4G網路主要是仰賴基地台(Base Station)，雖然可以把基站表現做得很好(Best Effort)，但並不保證其可靠度。若要保證可靠度，網路的效率便要很高，舉例而言，在無人車應用中，若網路突然斷線，其影響性並非像電話般，不通就算了，無人車的網路若不通，其結果將是致命的。
此外，在低延遲性上，也是5G的一大發展重點。其牽涉到無線電(Radio)，也就是要能讓應用裝置快速與基地台進行通訊。周勝鄰指出，低延遲與高可靠度在未來5G的新應用上，會是相當重要的，像是智慧製造，在機器人的控制當中，若沒有低延遲的控制，在產線上有任何一點的耽擱，就會很嚴重地影響到產量與產值。
周勝鄰分析，從4G演進到5G，在2017年年底要確認、2019年要實施的標準中，會是非獨立架構(Non-Standalone, NSA)(圖2)，也就是讓5G的系統先依附在4G的基地台與核網上，5G的基地台也必須與4G的系統進行溝通，因此第一代5G的建置會是依附在4G上，這會是2019年最快要實施的方式。
周勝鄰進一步分析，未來5G的核心網路會開始出現，並進入獨立架構(Standalone, SA)階段(圖3)，其可能會是4G接4G的基地台與核網，5G接5G的基地台與核網，彼此獨立，彼此也可以互相溝通。最後，4G則會升級為enhanced LTE(eLTE)，並慢慢被5G淘汰。
若以一個基地台的設備來看，在非獨立架構階段，將會有好幾張5G的卡板插在4G的機櫃上，而在獨立架構階段，則會開始出現5G獨立的機櫃。周勝鄰指出，就電信營運商的角度來看，布建5G勢必須要增加相當多的成本，即便是運用卡板插在4G的機櫃上，仍會是一個全新的基地台設備，因其不可能在既有的設備上，直接更改軟體來做更新。
不過，無論是非獨立架構還是獨立架構，5G系統都會須要使用到大型基地台與小型基地台，其所採用的系統架構一定會是相同的，差別僅在於大型基地台的功率範圍比較大、用戶數比較多，小型基地台的功率範圍比較小、用戶數比較少。
相較於大型基地台在過去的3G、4G時代，即扮演了提升網路容量的要角，在未來的5G行動通訊系統，高密度布建的小型基站(圖4)，目前被產業視為提升頻譜資源利用率、實現異質網路無縫連接的一大解方。有鑑於此，工研院資通所為協助台灣通訊上游元件產業掌握小型基站商機，於近期發布小型基站功率放大器晶片封裝模組原型。
搶攻5G小基站商機 工研院發表RF IC原型
此一小型基站功率放大器晶片與模組原型，目前於4G LTE 2.5~2.7GHz(Band-41)上運作，並符合Picocell規格(27dBm, ACLR>47dBc)(圖5)。該技術的開發，主要以提升線性度與效率為指標，其先整合了SMD被動元件於SiP封裝模組，最後則整合於小型基站進行訊號傳輸。
工研院資通所無線新應用射頻技術部技術經理陳正中表示，目前6GHz以下的頻譜，主要會從傳統的2GHz，慢慢延伸到3GHz~5GHz，而3.5GHz目前是相當多國家首先展開部署的一個5G頻段，而因通道的頻寬已大幅提升，從過去的20MHz提升到5G~6GHz頻段以下的200MHz，若是到毫米波頻段，則將達400MHz，這對射頻元件來說，是一大挑戰。
陳正中進一步分析，這樣的頻寬提升，將讓功率放大器的線性度設計變得非常困難，而這些挑戰往往在過去是大型基地台才會碰到的。像是如今在提供給小型基地台使用的功率放大器中，輸出功率不超過1W，其若要需求記憶體裸晶(Memory Die)的話，是很不容易的，勢必得運用到數位預失真技術(Digital Pre-Distortion, DPD)來處理。
小型基地台是增加覆蓋率和頻譜利用率的重要技術，而射頻前端元件與模組則是非常關鍵的區塊，因其主導了系統的訊號品質、發射距離與接收的敏感度。以半導體的整體供應鏈來看，射頻前端的晶片，在整個通訊系統的比例是相當重的。
根據市調機構Mobile Experts的預估，小型基地台的功率放大器(PA)與收發器(Transceiver)的產值，在2019年將占小型基地台半導體元件產值的16%。對此，陳正中指出，當基站的功率越高，該比例亦會更高。
然而，如今小型基地台的功率放大器，由Skyworks在Femtocell擁有全球最大的市占。由於行動通訊之射頻前端元件與製程相依存性高，市場大多由國際整合元件製造商(IDM)占有。
陳正中指出，不過，台灣相關晶片廠商現正藉由Fabless+Foundry合作模式逐漸進入市場，但因基站射頻元件規格與門檻較高，因此目前由工研院先行投入，接下來將與台灣射頻晶片廠商展開合作，開發下一代基站射頻功率放大器，並使其先期進入國際晶片大廠的5G解決方案的參考設計。
小基站干擾問題有解 SON系統開放技轉
未來5G網路環境下，超高密度網路的相互干擾，是各家廠商在部署、開發小型基地台時的一大困擾。
由工研院自主研發的小型基地台Network MIMO技術，透過將多台小型基地台，集合成一個單一多天線超級基地台，進而將基地台間之破壞性干擾，轉成建設性合成波。藉此讓電信營運等級的5G基地台，得以順利將資料串流給大量的使用者。該技術現已成熟到可開放技轉的程度，並於今年Q1技轉給台灣某知名網通廠。
工研院日前於資通訊科技日展出超高密度小型基地台Network MIMO技術(圖6)，該技術運用自行開發的8個小型基地台，以超高密度、覆蓋區域高度重疊的方式布建，基地台將可在系統同步上，達到大於1ppb的頻率精準度，並搭配超高密度網路伺服器的協調運作，進行多基地台間的合作傳輸，整體系統可達到接近4~8倍的系統效能成長。
工研院新世代通訊技術與應用推廣部管理師曾祥倍表示，該技術現已可充分解決未來5G小型基地台布建時所產生的破壞性干擾問題，目前也已技轉給台灣某知名網通廠，該SON系統將進一步與廠商旗下的硬體設備進行實際整合。
曾祥倍進一步表示，因4G的基地台密度還沒有很高，基本上還是屬於獨立運作，但5G基地台的密度勢必會大幅提升，也就需要自我組織網路(Self Organization Network, SON)網路管理系統，來讓高密度的小型基地台，可以順利運作而不會彼此干擾。
這樣的系統已可充分做到自動化，因此在電信營運商在管理上，並不會產生過多的人力成本，像是將可依據人口流動、網路流量，來自動調配基地台訊號的發射。
此一SON系統可在電信營運商架設基地台的過程中，提供優化的參數，如功耗的大小、天線訊號發射的方向。
舉例而言，一般的基地台的天線是發出放射狀的訊號，但透過該系統，基地台的天線將可發出固定方向的訊號，也就可以避開基站與基站間，因訊號重疊所產生的干擾。
在此一SON系統中，包含了PCI(Physical Cell Identity)，其為物理層的ID，當兩個基站的PCI相同，其所發射出的訊號是會在同個地方的，也就會產生干擾，因此系統會進行避開。
除此之外，也包含了覆蓋與系統容量最佳化(Coverage and Capacity Optimization, CCO)。當功耗越大，訊號範圍便會越大，而功耗越小，訊號範圍便會越小。因而當每個基站的訊號範圍都很大時，其所重疊的部分也就會很大，中間干擾的地方會變得越多，此時透過CCO，將天線方向改變，或將用量較低的基地台功耗調小，便可順利增加超級基地台的覆蓋率。
高通/工研院合作 加速5G NR小基站開發
高通(Qualcomm)近期也宣布與工研院的合作意向，其將共同發展由5G新空中介面技術(New Radio, NR)所驅動的小型基地台。透過此合作，可望加速台灣OEM和ODM廠商，在5G NR的小型基地台及基礎設備之上市。
高通資深副總裁暨亞太與印度區總裁Jim Cathey(圖7)表示，這項與工研院的合作，是高通在台灣進行的重要投資之一，以確保產業繼續快速進行5G NR應用。台灣的OEM和ODM廠商，在5G NR小型基地台的快速創新，將有助加快其上市時程並降低成本，是邁向眾所期待的5G經驗的一大步。
小型基地台不僅可配置在分散式(或獨立)架構中，也能配置在具有無線寬頻頭端設備(Remote Radio Heads, RRH)的集中式架構。具有RRH的小型基地台，將是實現5G完整潛力的必備要素，特別適合支援6GHz以下和mmWave的大範圍頻譜。
此外，5G NR小型基地台的創新，也將成為新型態配置運用的重要推手，例如專用5G網路、中立主機和固定式無線網路等。
工研院資訊與通訊研究所所長闕志克則表示，小型基地台將是5G網路的關鍵要角，其將藉由mmWave和6GHz以下的頻譜，帶來更高的通訊表現。這項新的合作將使工研院提早獲得高通的關鍵5G小型基地台技術，包括為通訊協議產品，建立產業級品管能力，並提供實體網路測試台，且在產品發布前，得以在真實環境下，落實產品測試和效能驗證，使台灣廠商和台灣在推動未來的5G網路居於領導地位。
目前的4G小型基地台常用於人口稠密地區，如市中心、機場、體育場和購物中心，以增進這些地區額外的傳輸容量；也經常配置在家庭、辦公室和其他室內或室外區域以增強覆蓋範圍。為了適應各種不同的環境配置使用案例，小型基地台以包括超微蜂巢式基地台(Femtocell)、微型基地台(Picocell)和小型基地台(Microcell)等不同形態出現，以支持不同等級的容量和覆蓋範圍。
而5G小型基地台除了將可支援超大頻寬上網應用，如虛擬實境(VR)和擴充實境(AR)，以及海量物聯網，其也可以支援超低延遲應用。
與大型基地台(Macrocell)相比，小型基地台產品更容易配置，也更具有成本效益，其可以以各種造型規格出現，並在大型基地台無法覆蓋的區域，帶來更快的行動上網速度。
然而，隨著5G時代的到來，基地台設備的站台數將越來越多，尤其是小型基地台(Small Cell)的數量，將大為增加，這會讓5G基地台的維運產生龐大的人力需求。
紓解5G基站維運荒 外包工程師需求可期
對此，上海諾基亞貝爾日前指出，電信營運商為節省人力成本，將會廣泛尋求外包工程師來完成基地台維運的工作，且在諾基亞(Nokia)打造的知識管理數據庫協助下，工程師的任務執行程序也會比過去來得更加簡單(圖8)。
上海諾基亞貝爾全球服務部大中國區維運業務推廣經理周世煒表示，當5G地台的數量不斷增加時，服務人員的需求也勢必會增加，這讓現有的服務模式將不再能滿足需求。即便業者可以運用新科技輔助，加強後台管理的能力，但還是有許多問題，得靠人力實際到基地台現場去解決，像是硬體損壞、連接錯誤等。針對這樣的人力需求，諾基亞認為，這些人員將不會只是電信營運商的內部人員，更包含了案件計酬的外包工程師。
這些外包工程師將會有專門的一套系統，到了現場以後，將可以運用VR此類型的工具來分析問題，並在Nokia的知識管理數據庫，找到相對應的解決方案。
周世煒指出，外包的工程師僅須經過培訓，對基地台有明確的認識，就可以完成工作，這對電信營運商而言，是有效減少人力成本的最佳解決方案，對整體社會來說，也將讓工程師能更專業地聚焦在解決問題上，而在知識庫的幫助下，工程師亦將有能力完成越來越多跨領域的任務。因此，Nokia目前正積極打造具有知識經驗的數據庫，以便迎接未來5G時代的到來。
除此之外，諾基亞也開發了多用途直覺知識助理–MIKA，其與蘋果(Apple)的Siri有異曲同工之妙，不過主要是鎖定在工程師有需要對知識庫進行諮詢時，能更快地提供關鍵訊息，藉此提高電信營運商在維運電信設備上的效率。這樣的維運系統是由Nokia所開發，目前正在北美處於實驗階段。
