3GPP無線通訊標準的沿革與現況

導讀
第四代通訊系統(4G)一般稱為長期演進技術(LTE-A)由3GPP推廣,是世界上唯一ITU認為達到4G系統要求的標準,未來5G系統也將延續相同模式發展,因此3GPP的動態與發展格外重要,台灣要成功發展下世代通訊這絕對是重要的一環。
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無線通訊系統的成功帶動行動裝置的發展,根據CISCO 預測在2019年聯網手機數量(115億隻)將超過全球預計總人數(76億人),智慧型手機約占四成,資料顯示行動裝置產生的資訊流約七成是由智慧型裝置產生。主要原因是用戶習慣改變了,語音與簡訊服務已無法滿足一般需求,需要大量與快速資料流的網路瀏覽、社群網站、音樂與影像已成為主要的服務。這股趨勢儼然成型,但是無線通訊系統是否能達到需求便是關鍵,而這牽涉到通訊系統的改善或建立。然而,系統建立的影響可大可小,大致國家ICT政策,小至一公司營收,因此系統的建立必須通過一定的程序得出各方認為最佳的方案,或是所謂的標準。廠商唯有依照標準製程的商品在市場上才具競爭性與普及性達到市場最大的經濟效益。如何與標準組織合作推動台灣有利的標準規格必須先了解國際標準組織的發展與制定工作。因此在這文章中將介紹3GPP無線通訊標準的沿革與現況。

1999年當時最紅的手機金城武代言的愛立信鯊魚機,相較於現在智慧手機功能,鯊魚機可說是相當陽春。智慧型手機發展只不過是十幾年的光景便能如此廣泛被消費者接受,與無線通訊標準制定工作息息相關。無線通訊標準組織例如IEEE或3GPP的制定工作經過第二代到現在的第四代標準已相當成熟健全。圖 一顯示各世代數位無線通訊的標準,手機的數位時代真正發生在第二代無線通訊系統,進入數位時代也是行動裝置起飛的重要關鍵因為數位技術讓手機製程相對容易與穩定提供更好的服務品質,應用服務包括:簡訊(Short Message Service, SMS)、來電顯示、三方通話等服務。到了第三代,系統採用所謂的分封交換(Packet Switching)技術讓通訊品質更為可靠,可以支持更多樣的手機服務與應用例如 上網、Email、網路電視、視訊服務等;同時,智慧型手機(Smart Phone)的出現,結合智慧手機強大的功能與新穎的應用服務帶給使用者在使用上全新感受,並促進智慧手機市場的蓬勃。然而,用戶產生的資料流中數據資料(data)已成為主要的訊務(traffic),第四代的手機系統設計採用 all-IP packet-based 的網路機制更適合數據資料傳遞並提供更高的資料量,讓使用者享受更高階的語音視覺享受,隨時隨地不間斷觀看高畫質影音,即時聯網遊戲等。

圖 一各世代標準演格與規格[1]

各世代無線通訊標準制定過程中包含不同的成員參與例如各區域性標準組織代表,各區性製造商,網路營運商、電信商、學研機構等單位讓標準制定更具公信力。如圖一所示,早期世代的標準以區域劃分可分為北美、歐洲和IEEE標準。 以第二代數位無線通訊標準發展為例,1980年代歐洲郵政電訊管理會議(Conference of Postal and Telecommunication Administrations, CEPT)成立行動通訊研究小組(Groupe Spécial Mobile, GSM)研究制定汎歐行動通訊的統一標準。行動通訊研究小組後改名為Special Group for Mobile (SGM)並改隸於歐洲電信標準協會(European Telecommunications Standards Institute, ETSI),而所制定之汎歐行動通訊系統則稱為全球行動通訊系統 (Global System for Mobile Communications, GSM)[2]。ETSI該標準協會是獨立非營利歐洲地區性資訊與通信科技(Information and Communication Technology, ICT)標準化組織。

GSM 使用分時多重接取技術(Time-Division Multiple Access, TDMA)是1980年代全球最被廣泛應用的行動通訊技術。但GSM的缺點易受干擾(時間同步問題)、穿透性差而導致通話品質不穩定。整合封包無線服務(General Packet Radio Service, GPRS)藉由在GSM的架構下,提供以「封包」為基礎的數據服務並按照資料流量來進行計費,降低手機上網費用。另外GPRS能同時處理音訊與數據資料,所以當用戶通話的同時,仍然可以繼續上網[1]。

到了第三代無線通訊,由ITU(International Telecommunication Union) 國際電信組織制定標準規格而由各區域性組織(3GPP, 3GPP2)進行技術規格討論,例如歐洲地區起源最後發展成全球性組織的第三代合作夥伴計劃(3G Partnership Project, 3GPP)[4],該組織於1998年12月成立的,七個標準組織夥伴包括歐洲的ETSI、日本的ARIB(註1)與TTC(註2)、韓國的TTA(註3)、中國的CCSA(註4)、印度的TSDSI(註5)和美國的ATIS(註6)的會員一起參與3GPP技術規格訂定,其技術規格涵蓋2G至4G技術 包含GSM、全球行動通訊系統 (Universal Mobile Telecommunication System, UMTS) 和長期演進技術(Long Term Evolution, LTE)。

圖 二 國際標準制定的流程

資料來源:工研院教戰守策網頁

如圖 二為一般國際標準制定的流程,在標準組織中成立各種工作小組並廣大徵求全球產學研機構組織提案,根據各提案議題在各特定小組間討論(Treated),或是經過各會員間協商(Harmonized),再經過投票決定提案是否通過。通過後成為標準草案,若有其他異議,可提出並在會議中討論修改,最後成為標準規格。同樣的,3GPP也是以類似的流程制定標準,圖三是3GPP分層負責的架構圖。專案協調組(Project Co-ordination Group,PCG)為最高階層決策機構負責資源統合、時程規劃與進度管理等;另一個為技術規格組(Technical Specification Groups, TSGs)與其相關的工作組(Working Groups, WGs)負責各項不同領域的標準技術規格制訂,並在每一季中產出最新修正技術報告(Technical Report, TR)、技術規格(Technical Specification, TS)或是變更申請(Change Request, RS)。

圖 三 3GPP技術規格小組(TSG)與其工作小組架構

資料來源: Takehiro Nakamura, 3GPP TSG-RAN Chairman會議報告, 2009

3GPP標準制定是高度系統化的程序,從會員遴選、規格籌備、格式內容或是制定程序等都有一定步驟與規範,如此嚴謹的規範就是確保標準的一致性與公信力,也因為如此當我們在查詢標準時更為方便,例如標準編號的命名TS或是TR緊跟者的數字編號(如aa.bbb)與版本(如V x.y.z),數字編號可以清楚顯示特定技術的規格。至於版本可以顯示出規格的狀態;如x是0表示仍是初稿,1表示約完成60%,2表示約完成80%,3以上表示已相當完整但可能需要修改。在完整的規格中又可以分為三類: freezing、Closing與Withdrawing。Freezing與Closing規格的唯一不同是freezing的規格仍可以被修改,但並不能牽涉新內容或是新功能的增修。

如果是新的服務、功能或特徵必須修正,這是必須向TSG或TSG WG提出Work Item describe sheet要求,在沒有影響到其版本的完整性或一致性的前提下才能放入修正版本中。以這樣的模式3GPP已發展到標準第十二版(Rel-12),而Rel-8是所謂3GPP長期演進(LTE)標準的第一版本,且之後的版本為LTE的演進版或稱LTE-Advanced。

圖 四 3GPP各標準版本與相關技術

另一個觀察3GPP的重點便是參與制定工作的會員,由於標準制定如同一場角力戰,站有利的位置才能站得上風,因此標準制定工作受到全球大廠的重視。觀察2010年至2014年的四個TSGs會議的統計資料,共80次會議,參與會議人數累計約20,268人次,超過280家全球機構參加。圖 五為前20名最積極參與的機構,佔全部參與人數中將近六成,其中Ericsson、Huawei與Samsung各占前三名,是TSG會議中主要影響標準的發展的players。觀察TSG會議中以TSG RAN (Radio Access Networks)參與人數最為踴躍,六成以上的與會人員是參加TSG RAN的會議,主要是討論UTRA/E-UTRA網路功能、需求與介面等議題,是極為重要的工作組。

圖 五. 2010至2014年參與3GPP技術規格小組(TSG)的組織與人數分布國研院、鄭凱仁整理

台灣參與的機構以ETSI會員的方式參與會議討論其中包括聯發科、宏達電、宏碁、工研院(ITRI)與資策會(III),其中聯發科與工研院最為積極參與TSG RAN會議(如圖六所示)。工研院不但觀察會議動向與分享訊息,也發表相關標準修正建議。除此之外,也與其他廠家代表保持良好的互動關係,在必要時爭取其他廠家的支持,形成多數支持將會更有利。

圖 六. 台灣參與的機構(SP、RP、GP、CP分別代表Service & Systems Aspects, Radio Access Networks, GSM EDGE Radio Access Networks, Core Network & Terminals ) 國研院、鄭凱仁整理

全球無線通訊的標準在3GPP成功的推廣下建立2G至4G的標準,以相同成功的模式將持續發展下世代通訊標準(5G)。台灣方面,為強化台灣在標準制參與的強度,在今年初經濟部技術處推動成立「台灣資通產業標準協會TAICS」,協會的目的是對內建立台灣資通技術產業標準制定的平台,整合我國參與國際標準會議的資源與力量參考圖七,對外成為代表台灣對國際組織的單一窗口。最終的目的是希望成為3GPP的組織夥伴,進而具有決策主導權,參考圖 八為台灣資通產業標準協會對於參與3GPP的10年計劃策略與目標。

圖 七 台灣資通產業標準協會的定位

資料來源:TAICS說明會報告

圖 八 台灣資通產業標準協會參與3GPP的策略與目標

資料來源:TAICS說明會報告

對於國內廠商參與標準除了人力成本外還需要大量資金投入的研發,對企業而言是相當沉重的負擔,因此台灣資通產業標準協會對台灣廠商來說是一個相當好的管道去追蹤與了解標準制定的內容與進度,並掌握技術與產品發展趨勢縮短商品化時程,掌握會議最新技術發展方向與準則布局關鍵智財權,與國際大廠形成策略聯盟提升國際競爭力。

附註:

註1:The Association of Radio Industries and Businesses, Japan

註2:Telecommunication Technology Committee, Japan

註3:Telecommunications Technology Association, Korea

註4:China Communications Standards Association

註5:Telecommunications Standards Development Society, India

註6:The Alliance for Telecommunications Industry Solutions, USA

延伸閱讀