5G已成移动通讯革命 MTC/M2M技术未来驶向何方？（一）
不同于过去3G和4G通讯技术改朝换代的重点，5G除要达到更佳的宽频速率、联网品质及能源效率等性能指标外，最大的特点是从需求、设计阶段即考量物联网（IoT）多元应用情境，以提供毋须布线、覆盖率高、再用性高的全新行动通讯技术。
行动通讯技术在过去三十年里一路从类比行动演进到4G，每一代标准的传输吞吐量（Throughput）都有大幅提升，以满足个人行动服务的需求。不过，不同于过去的行动通讯技术改朝换代，5G行动通讯技术将在频谱效率（Spectrum Efficiency）、能源效率（Energy Efficiency）及成本效率（Cost Efficiency）提升100∼1000倍的前提下，追求其他效能指标。此外，除了人对人（Human-to-Human， H2H）的应用情景，更增加了人对机器（Human-to-Machine， H2M），甚至是机器对机器（Machine-to-Machine， M2M）通讯的应用情景，如图1所示。
5G不是升级而是革命 各国积极介入标准制定
因为新一代行动通讯系统需要面对各式各样应用情景的要求，增加网路系统设计的复杂度及挑战性。简单来说，5G不是4G的升级，而是行动通讯的革命。因此，从2012年起，美、中、日、韩各国皆陆续投入5G技术的研究与发展，冀望在5G的发展上占有举足轻重的角色。此外，欧洲有多家营运商、设备商，甚至跨足汽车、能源、农业、运输、智慧城市、公共安全等产业，跨国、跨产学业界、跨区域的国家层级专案研发计画，如行动暨无线通讯网路驱动计画（Mobile and Wireless Communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society， METIS）、新世代行动网路联盟（Next Generation Mobile Networks Alliance， NGMN Alliance）等，将为5G行动和无线通讯系统奠定理论与技术基础，在需求、特性和指标上达成共识，充分讨论概念、雏形、关键技术等议题。
国际电信联盟（ITU）已在日前正式将5G系统命名为IMT-2020，并公布整体目标、流程与时间表（图2）。根据目前提出的时间表，将在2016年与2017年间订出5G的技术效能规格、标准评估办法与无线介面技术，正式规格要到2019年或2020年才会出炉，届时新的5G系统也将随之问世，将展现行动宽频的各种应用，诸如高画质的影片服务，高可靠且低延迟的各式应用及物联网应用。
纳入物联网应用需求 5G技术发展挑战高
5G网路除了提供更佳的宽频速率、品质之外，最大的特色是从需求、设计阶段即考虑物联网（Internet of Things， IoT）的应用。为了适应不同的应用，具备毋需布线、覆盖率高、再用性高的行动通讯技术成了相当重要的承载媒介。
然而，物与物之间的通讯仍有相当大的困难尚待解决，例如要如何降低大量M2M通讯对现有通讯网路的影响，同时也要避免M2M通讯增加网路营运维护的复杂度。因此，M2M的发展将未来5G中扮演极为重要的角色，使得具有资料撷取及通讯能力的各式装置透过网路互相连结，以进行各类控制、侦测、识别及服务，为人类提供更便利、舒适及安全的生活。
MTC/M2M技术发展及标准化概况
3GPP标准组织将M2M称之为机器型态通讯（Machine Type Communication， MTC），是一种新兴的通讯架构，以机器终端设备为主，具备网路通讯能力，可智慧互动地提供各式各样前所未见的应用与服务，例如：监控、控制、资料撷取等资讯化的需求。
其实，早在2002年时，M2M业务的概念已经被提出，但碍于通讯技术尚未成熟，发展仍属于启蒙阶段，例如自来水、电力公司的自动抄表及数位家庭应用等。随着无线通讯技术的快速发展，M2M的应用服务进入快速发展的阶段，在农业、工业、公共安全、城市管理、医疗、大众运输及环境监控上，都可看到M2M的应用，例如：智慧节能、智慧车载、智慧医疗、智慧城市、智慧物流等，这些服务及应用的整合，非常仰赖M2M的技术开发。
由于物联网产业快速起飞，更加需要M2M技术的统一标准化的整合；目前国际间有相当多的标准组织机构投入M2M标准化的研究工作，当中包含ITU-T、ETSI、IETF、IEEE、3GPP、OMA、Zigbee等联盟。依据每个标准组织的研究方向及重点，M2M国际标准组织可分为整体架构类、感知延伸类、网路延伸类及业务应用类，每个类别的具体内容如下：
整体架构类
针对M2M需求、点对点架构、标识解析、网路管理及安全等问题进行标准化研究，典型的标准组织有ITU-T SG13、ETSI TC SmartM2M、OneM2M、CCSA TC10等。
感知延伸类
针对部分低传输速率和近距离无线通讯技术进行标准化，相关技术包含近距离无线通讯技术、感测网路与电信网路融合及轻量型IPv6技术，典型的标准组织有IEEE802.15、IETF 6LoWPAN 、CCSA TC10、Zigbee联盟等。
网路通讯类
针对M2M承载网路等进行转换和最佳化工作，有关的技术包含无线连线网路增加、核心网路增强、环境感知、异质网路融合等，典型的标准组织有ITU-T、3GPP、CCSA TC5、IETF、ETSI等。
业务应用类
针对企业应用、公众应用、跨企业应用及应用中介软体平台进行标准化，其重点应用领域包含智慧交通、智慧家居、智慧电网、健康医疗等，典型的标准组织有IETF、CCSA TS10、ETSI、OGC等。
MTC/M2M的挑战与解决方法
机器型态通讯跟人类型态通讯特征上有极大的差异（表1）。其中最大的不同是机器型态通讯具有传输量少、巨量连结、突发性等特征，例如：开关讯号、智慧电网或水网的读表等，在这样的情况下，使用3GPP LTE-A的网路架构来传送机器型态装置的讯息，可能会造成系统过于壅塞或不符合成本效益等问题。
因此，为了满足物联网时代各式各样的应用，LTE-A网路系统架构已针对M2M业务的需求进行系统最佳化，如考虑LTE-A网路接取机制所面临的困难与挑战：随着机器型态通讯装置的巨量增加，随机接取通道（Physical Random Access Channel， PRACH）的不足，造成资料传输拥塞、系统负载过于沉重，导致延迟过长及连线失败。
如何设计随机接取机制来满足巨量装置连结，且不影响人类型态通讯的品质，M2M技术发展上的一个重大议题。
LTE-A随机接取机制包含竞争式及非竞争式的接取过程，当中竞争式随机接取透过随机接取前置码（Preamble）、随机接取回覆、连线要求及竞争解决，四个步骤来完成RRC连线；因应机器型态通讯系统不同应用的需求，随机接取机制的改良可从接取成功机（Access Success Probability）、前置码碰撞比率（Preamble Collision Rate）、及接取延迟（Access Delay）等指标来做为设计目标，目前文献中针对随机接取机制改良的方法有：限制存取层级机制（Access Class Barring， ACB）、回避机制（Back-off）、分离RACH、RACH动态调整等方法，如表2所示。
然而，现行LTE-A系统需要严格的同步处理以保有子载波间的正交性，当中牵扯许多基站与终端之间复杂的运算，不适用于MTC各式各样应用情景的需求，特别是Massive MTC及Mission-critical MTC，其要求如下：
Massive MTC
要求‘大量’的低成本、低耗能的终端连接上网路，这类型的业务通常具有传输量小、移动性小、使用性小、覆盖率高及容忍传输延迟等特性，例如：公共设施的监控与管理、环境监测、智慧城市等
Mission-critical MTC
要求高可靠度、高可用性及即时的网路通讯能力，这类型的业务通常需要极高可靠、极低延迟的特性，例如：无人车自动巡航、智慧工厂自动化控制、虚拟实境或增广实境的应用等
