不同于過去3G和4G通訊技術改朝換代的重點，5G除要達到更佳的寬頻速率、聯網品質及能源效率等性能指標外，最大的特點是從需求、設計階段即考量物聯網(IoT)多元應用情境，以提供毋須布線、覆蓋率高、再用性高的全新行動通訊技術。
行動通訊技術在過去三十年里一路從類比行動演進到4G，每一代標準的傳輸吞吐量(Throughput)都有大幅提升，以滿足個人行動服務的需求。不過，不同于過去的行動通訊技術改朝換代，5G行動通訊技術將在頻譜效率(Spectrum Efficiency)、能源效率(Energy Efficiency)及成本效率(Cost Efficiency)提升100～1000倍的前提下，追求其他效能指標。此外，除了人對人(Human-to-Human, H2H)的應用情景，更增加了人對機器(Human-to-Machine, H2M)，甚至是機器對機器(Machine-to-Machine, M2M)通訊的應用情景，如圖1所示。
圖1 5G應用情景
5G不是升級而是革命 各國積極介入標準制定
因為新一代行動通訊系統需要面對各式各樣應用情景的要求，增加網路系統設計的復雜度及挑戰性。簡單來說，5G不是4G的升級，而是行動通訊的革命。因此，從2012年起，美、中、日、韓各國皆陸續投入5G技術的研究與發展，冀望在5G的發展上占有舉足輕重的角色。此外，歐洲有多家營運商、設備商，甚至跨足汽車、能源、農業、運輸、智慧城市、公共安全等產業，跨國、跨產學業界、跨區域的國家層級專案研發計劃，如行動暨無線通訊網路驅動計劃(Mobile and Wireless Communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society, METIS)、新世代行動網路聯盟(Next Generation Mobile Networks Alliance, NGMN Alliance)等，將為5G行動和無線通訊系統奠定理論與技術基礎，在需求、特性和指標上達成共識，充分討論概念、雛形、關鍵技術等議題。
國際電信聯盟(ITU)已在日前正式將5G系統命名為IMT-2020，并公布整體目標、流程與時間表(圖2)。根據目前提出的時間表，將在2016年與2017年間訂出5G的技術效能規格、標準評估辦法與無線介面技術，正式規格要到2019年或2020年才會出爐，屆時新的5G系統也將隨之問世，將展現行動寬頻的各種應用，諸如高畫質的影片服務，高可靠且低延遲的各式應用及物聯網應用。
圖2 5G行動網路標準時間表
納入物聯網應用需求 5G技術發展挑戰高
5G網路除了提供更佳的寬頻速率、品質之外，最大的特色是從需求、設計階段即考慮物聯網(Internet of Things, IoT)的應用。為了適應不同的應用，具備毋需布線、覆蓋率高、再用性高的行動通訊技術成了相當重要的承載媒介。
然而，物與物之間的通訊仍有相當大的困難尚待解決，例如要如何降低大量M2M通訊對現有通訊網路的影響，同時也要避免M2M通訊增加網路營運維護的復雜度。因此，M2M的發展將未來5G中扮演極為重要的角色，使得具有資料擷取及通訊能力的各式裝置透過網路互相連結，以進行各類控制、偵測、識別及服務，為人類提供更便利、舒適及安全的生活。
MTC/M2M技術發展及標準化概況
3GPP標準組織將M2M稱之為機器型態通訊(Machine Type Communication, MTC)，是一種新興的通訊架構，以機器終端設備為主，具備網路通訊能力，可智慧互動地提供各式各樣前所未見的應用與服務，例如：監控、控制、資料擷取等資訊化的需求。
其實，早在2002年時，M2M業務的概念已經被提出，但礙于通訊技術尚未成熟，發展仍屬于啟蒙階段，例如自來水、電力公司的自動抄表及數位家庭應用等。隨著無線通訊技術的快速發展，M2M的應用服務進入快速發展的階段，在農業、工業、公共安全、城市管理、醫療、大眾運輸及環境監控上，都可看到M2M的應用，例如：智慧節能、智慧車載、智慧醫療、智慧城市、智慧物流等，這些服務及應用的整合，非常仰賴M2M的技術開發。
由于物聯網產業快速起飛，更加需要M2M技術的統一標準化的整合；目前國際間有相當多的標準組織機構投入M2M標準化的研究工作，當中包含ITU-T、ETSI、IETF、IEEE、3GPP、OMA、Zigbee等聯盟。依據每個標準組織的研究方向及重點，M2M國際標準組織可分為整體架構類、感知延伸類、網路延伸類及業務應用類，每個類別的具體內容如下：
整體架構類
針對M2M需求、點對點架構、標識解析、網路管理及安全等問題進行標準化研究，典型的標準組織有ITU-T SG13、ETSI TC SmartM2M、OneM2M、CCSA TC10等。
感知延伸類
針對部分低傳輸速率和近距離無線通訊技術進行標準化，相關技術包含近距離無線通訊技術、感測網路與電信網路融合及輕量型IPv6技術，典型的標準組織有IEEE802.15、IETF 6LoWPAN 、CCSA TC10、Zigbee聯盟等。
網路通訊類
針對M2M承載網路等進行轉換和最佳化工作，有關的技術包含無線連線網路增加、核心網路增強、環境感知、異質網路融合等，典型的標準組織有ITU-T、3GPP、CCSA TC5、IETF、ETSI等。
業務應用類
針對企業應用、公眾應用、跨企業應用及應用中介軟體平臺進行標準化，其重點應用領域包含智慧交通、智慧家居、智慧電網、健康醫療等，典型的標準組織有IETF、CCSA TS10、ETSI、OGC等。
MTC/M2M的挑戰與解決方法
機器型態通訊跟人類型態通訊特征上有極大的差異(表1)。其中最大的不同是機器型態通訊具有傳輸量少、巨量連結、突發性等特征，例如：開關訊號、智慧電網或水網的讀表等，在這樣的情況下，使用3GPP LTE-A的網路架構來傳送機器型態裝置的訊息，可能會造成系統過于壅塞或不符合成本效益等問題。
因此，為了滿足物聯網時代各式各樣的應用，LTE-A網路系統架構已針對M2M業務的需求進行系統最佳化，如考慮LTE-A網路接取機制所面臨的困難與挑戰：隨著機器型態通訊裝置的巨量增加，隨機接取通道(Physical Random Access Channel, PRACH)的不足，造成資料傳輸擁塞、系統負載過于沉重，導致延遲過長及連線失敗。
如何設計隨機接取機制來滿足巨量裝置連結，且不影響人類型態通訊的品質，M2M技術發展上的一個重大議題。
LTE-A隨機接取機制包含競爭式及非競爭式的接取過程，當中競爭式隨機接取透過隨機接取前置碼(Preamble)、隨機接取回覆、連線要求及競爭解決，四個步驟來完成RRC連線；因應機器型態通訊系統不同應用的需求，隨機接取機制的改良可從接取成功機(Access Success Probability)、前置碼碰撞比率(Preamble Collision Rate)、及接取延遲(Access Delay)等指標來做為設計目標，目前文獻中針對隨機接取機制改良的方法有：限制存取層級機制(Access Class Barring, ACB)、回避機制(Back-off)、分離RACH、RACH動態調整等方法。
然而，現行LTE-A系統需要嚴格的同步處理以保有子載波間的正交性，當中牽扯許多基站與終端之間復雜的運算，不適用于MTC各式各樣應用情景的需求，特別是Massive MTC及Mission-critical MTC，其要求如下：
Massive MTC
要求‘大量’的低成本、低耗能的終端連接上網路，這類型的業務通常具有傳輸量小、移動性小、使用性小、覆蓋率高及容忍傳輸延遲等特性，例如：公共設施的監控與管理、環境監測、智慧城市等
Mission-critical MTC
要求高可靠度、高可用性及即時的網路通訊能力，這類型的業務通常需要極高可靠、極低延遲的特性，例如：無人車自動巡航、智慧工廠自動化控制、虛擬實境或增廣實境的應用等
新波型技術與新多重接取技術亦被廣泛研究，期以滿足5G技術指標，如基于濾波器組多載波技術(Filter Bank Multi-Carrier, FBMC)、通用濾波器多載波技術(Universal Filtered Multi-Carrier, UFMC)、廣義分頻多工技術(Generalized Frequency Division Multiplexing, GFDM)及濾波/適應性的正教分頻多工技術(Filtered/Flexible OFDM, F-OFDM)，說明如下：
FBMC
相較于OFDM技術，FBMC在每個子載波上使用單獨的濾波器，消除子載波(Sub-carrier)間的干擾，即使彼此間沒有正交性；另外，也不需要循環前置碼(Cyclic Prefix, CP)來克服符元間干擾(Inter-symbol Interference, ISI)，來達到更高的頻譜效率；可透過Off-QAM調變及濾波器設計達到5G情景中高延遲到低延遲廣泛性的應用，但硬體成本過高，特別是在MIMO傳輸及突發性訊號傳輸的情景中。
UFMC
相較于FBMC，UFMC是對一組連續的子載波濾波；另外，可提供不同子載波帶寬(Bandwidth)及符元(Symbol)的選擇，支援不同的服務需求。但面臨大尺度多路徑延遲(Large-scale Multipath Delay)的通道時，需要更高階的濾波器設計，并增加收發機的復雜度；而且，缺少CP將產生ISI。
GFDM
GFDM兼具UFMC的靈活性，并提供更好的帶外輻射(Out-of-band emission)抑制技術，減少訊號的峰均功率比(Peak-to-Average Power Ratio, PAPR)。
F-OFDM
相較于OFDM，F-OFDM提供靈活的參數配置，如CP、子載波寬度、符元長度及保護區間(Guard Band)，提供更廣泛的應用。
在多重接取技術方面，目前值得關注的技術有非正交多址接取(Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA)及稀疏碼多址接取技術(Sparse Code Multiple Access, SCMA)。搭配以使用者為主軸發起Grant-free的資源配置技術或新的媒體存取控制(Medium Access Control)通訊協定設定，讓新的5G行動通訊系統更廣泛地支援MTC的不同服務與應用。
NB-IoT成MTC/M2M討論熱點
窄頻物聯網(Narrow Band IoT, NB-IoT)通訊技術規格為近一兩年新興的概念，在2016年世界行動大會(Mobile World Congress, MWC)有許多智慧應用的展出；在標準規格上，2015年的3GPP會議中被提出討論，并預計在2016年的3GPP會議將其納入R13標準規格中；另外，多家國際大廠的聯合下，如中國移動、華為、諾基亞(Nokia)、愛立信(Ericsson)、英特爾(Intel)、Vodafone、高通(Qualcomm)等積極投入與推動下，加速NB-IoT的發展。
NB-IoT主要特色是低功耗，希望可維持十年之久；成本低廉，希望一個終端設備定價可在5美元以下；更寬廣的覆蓋范圍，希望可傳輸距離可達20公里；大量布建，每平方公里的范圍內可達到一百萬個終端設備。
雖然在3GPP R12的規范里已定義了LTEMTC終端Cat.0標準，但Cat.0的傳輸率、功耗與成本仍偏高，更重要的是其單一通道頻寬仍達20MHz，與標準LTE相同。在R13上也有另一個LTE-M通訊規格的推行，主要是頻寬降至1MHz及降低傳輸功率，此三種的MTC終端規格比較如下：
當中每個規格各有它的適當應用，Cat.0主要用于穿戴式電子與能源管理，如健身類智慧手表、居家用電控制等；LTE-M則希望用于物品追蹤，例如：水電瓦斯等公用事業抄表、連線型健康診斷監督、城市基礎建設(即停車投幣機記錄、路燈管理)等；而NB-IoT則偏向產業應用，如環境監督、智慧建筑。
NB-IoT另一個相關技術專有名詞─低功耗廣域網路(Low Power Wide Area Network, LPWAN)，強調覆蓋范圍大且待機時間長特點，目前主流通訊技術有LoRa、Sigfox、EC-GSM/EC-EGPRS等，與NB-IoT的比較如下：
LoRa及Sigfox的主要特色是能在未授權的ISM頻段，以極低電力傳送小量資料做智慧聯網的應用；EC-GSM/EC-EGPRS則是使用原GSM頻段，具體規范仍在制定中，但相較于LoRa及Sigfox陣營，物聯網解決方案則相對成熟，預計2016年底送案，將率先帶動智慧化城市的應用。NB-IoT因為使用申請頻段，可減少其他服務所產生的干擾；另一個特征是頻寬設定為200kHz，與GSM相同，有利原持有GSM的業者切入NB-IoT。
NB-IoT問世代表營運商正式加入提供IoT服務，未來NB-IoT這類相對低廉的基礎建設，讓企業更愿意嘗試IoT的應用，加速智慧化的發展。
導入機器型態通訊 5G設計必須更靈活
不同于人類型態通訊技術，機器型態通訊面臨各式各樣的應用情景，為了滿足各種情景的需求，可以預期的是系統設計上將更加復雜且更具彈性化；目前沒有統一化的方針或準則可滿足5G應用的所有要求；因此，彈性化的設計方法，因應不同情景的要求，做出最佳的系統配置，為未來5G系統設計的方向。
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