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從核心網路看臺灣的5G發展
文／交通大學無線網際網路研究與工程實驗室博士後研究員 張宏鉦
前言
5G是第五代行動通訊技術的簡稱，於2018年底被標準制定組織「3GPP」所提出。5G除了擁有快於前一代4G行動通訊技術約100倍的網路傳輸速度，並有著低於1毫秒，即0.001秒的網路延遲，能夠帶來快速且可靠的網路服務。與歷代行動通訊技術只專注人與人之間的通訊不同，5G將能夠讓更多樣的裝置連接，如物聯網、車載系統及穿戴式等裝置，提供更多元的服務，讓網路所帶來的便利無所不在。
什麼是5G
行動通訊網路
通訊網路自發展以來皆可拆成三個部份──終端裝置、基地台及核心網路。終端裝置即我們一般所熟知的手機，會對訊號範圍內的基地台連接進行通訊；數台基地台後面會再連著核心網路，負責處理終端裝置的連接、認證、資料流處理、漫遊等，為整個通訊網路的中樞，主宰了整個通訊網路的效能。最後在核心網路的背後即是我們所熟知的網際網路。
圖一、通訊網路的架構
資料來源：由張宏鉦博士後研究員提供
3GPP
3GPP（3rd Generation Partnership Project），第三代合作夥伴計劃，於1998年成立的組織，專職於制定通訊網路的各項標準，成員包含各國的電信業者及通訊設備製造商，舉凡現在所用的手機、基地台、核心網路等設備或裝置，都是遵循著3GPP所制定的標準去設計製造的。之所以會有「第三代」這個名稱，是因為這個組織最初的目的就是致力於推動第三代通訊網路的產生，即使後續的通訊網路標準仍然是由這個組織所制定，「第三代」這個名稱依舊保留了下來。
什麼是5G
3GPP每一個涵蓋完整議題的標準發佈會稱為一個Release，例如最初裝置間通訊（Device-to-device, D2D）就被規範在3GPP Release 12 （簡稱為R12）；一個世代（Generation）會由連續幾個Release所組成，以4G來說，其標準就涵蓋了R8到R14等多種版本，世代的變動代表整個通訊網路架構的革新，也同時意味著能夠提供更快速、功能更多的行動網路服務。現在的第五代行動通訊技術是從R15開始定義且持續更新中。
行動通訊網路每一世代的變動都會帶來傳輸速率的提升及網路延遲的降低。以5G來說，10 Gbit/s的速率是4G理論值上限80-90 Mbit/s的約100倍；低於1毫秒的網路延遲也優於4G的30-70毫秒。然而5G所帶來的革新並不只在傳輸速率提升和網路延遲降低，其最大的特色在於5G的應用將不再只在是連結「人」與「人」，更多的物聯網、車載、穿戴式裝置將被加入到5G網路裡。想像一個街道上，一個交通號誌可以透過5G網路，告知同樣連至5G網路的車輛或行人身上的裝置（如項鍊、手錶），這個區域的路況或所發生的交通事故；而車輛或行人之間也能透過5G系統，瞭解彼此的位置及距離，在事故發生之前發出警告。5G的應用將使得網路服務無所不在。
然而5G有一個致命的缺點：受於物理限制，5G無線訊號的傳輸距離會大幅小於4G；也就是，要服務同樣範圍裡的裝置，5G需要設置比4G還多的基地台。無論是因佈建的時間或是增加的成本所造成的影響，這對於5G的普及無疑是一種障礙。
臺灣5G的發展
由於行動通訊網路的價格相對於其他國家相當便宜，臺灣使用行動通訊網路的人口遠高於使用非3GPP接取網路（如WiFi）的族群；再加上臺灣土地面積小且人口密度高，使得佈建完整5G網路所需的基地台數量相對較少，佈建完成後也能保持高度的使用率，這樣特殊的條件將能有效減少5G因通訊距離短所造成的影響。在佈建成本上台灣已有相對的優勢。
另一方面，臺灣的通訊產業發達，在4G時代就已有多家廠商發表小型基地台產品，而5G的小型基地台更是有多樣產品正在進行測試準備發表中。在這市場與技術看似完美的環境中，卻有著一個致命的缺點──臺灣沒有自己的核心網路。目前核心網路的技術大都掌握在國外大廠手中，諸如Nokia、Ericsson、華為，這些廠商所生產的核心網路造價昂貴，動輒數十甚至數百萬，若要大量佈署成本將是一個很大的負擔。
free5GC
圖二、世界第一套開放原始碼核心網路
資料來源：交通大學團隊
free5GC為臺灣學界所發展的全世界第一套完全依照3GPP R15標準的開放原始碼核心網路，任何一個同樣以3GPP標準而開發的基地台皆能與之對接。free5GC開發團隊最初目的，只是希望從事通訊網路相關研究的人員，能夠有一個完整且可靠的測試或實現平台，以軟體實現free5GC能很輕易地在一台個人電腦上，就建出一套完全符合3GPP標準的核心網路。而free5GC在開放的同時，並未對商用行為有所限制，也就是free5GC除了學術上使用，於5G通訊網路的佈建上更能作為可實際使用的核心網路，相信以台灣通訊產業的實力加上free5GC的加持，5G的普及將指日可待。
（詳情請見https://www.free5gc.org/）
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