【產業科普】5G 到底有多厲害?談新一代通訊技術發展與演變

作者 | 發布日期 2018 年 05 月 04 日 15:58 | 分類 物聯網 , 科技政策 , 網路 follow us in feedly

雖然 5G 通訊技術一直是新興科技及產業的熱門議題之一,但到底與 4G 有什麼不同?又有什麼非發展不可的理由呢?




所謂的 5G 通訊指的並非是具體的單一技術,而是第 5 代行動通訊網路(5th Generation Mobile Networks)的泛稱,是在 4G 通訊技術成熟後,對下一代通訊網路的期待。目前標準尚未完全確定,但有所共識的是,5G 系統至少要能達到幾項能力,以 10Gbps 以上的資料傳輸速率支援數萬用戶,及大規模的並發連結能力及感測器網路的部署,在覆蓋率、頻譜效率及低延遲性應遠勝於 4G。

什麼是無線通訊?

無線通訊(Wireless Communication)是指利用電磁波信號可以在自由空間中傳播的特性進行資訊交換的一種通訊方式,而在近代因廣泛的需求而有爆發式的發展。例如早期的第一代無線通訊系統為類比式行動電話系統,自1983 年起開始使用,而直至被 2G 數位通訊取代。而由第三代合作夥伴計畫(3GPP)負責制定及維護的 3G GSM 系統,更提供了國際漫遊及更高品質的數位語音通話服務。

從 4G 開始,講求資料傳輸量需達到 1 Gbps以上,甚至在高速移動下也要有 100 Mbps,除了語音之外,更擴展到了影像通訊等領域,並應用在金融、醫療、教育、交通等產業上。擁有媲美 ADSL 速度的無線網路,屏棄傳統電路交換,轉向由全網際網路協議(IP)構成的通訊,並衍伸出無限網路(Pervasive Network)的概念,而 5G 就是這樣理念下的新產物。

事實上,無線通訊技術涵蓋範圍很廣,不僅是指用於遠距離通話的行動通訊,還包含了藍牙、NFC 等近場通訊技術,及各種衍伸出來的通訊協定。而 5G 的理念,除了更快更穩之外,就是能夠滿足近場及遠距等不同的通訊需求。

無線通訊技術的特徵

無線通訊既然是通過電磁波來傳遞,當然在描述其性能的時候多會提到物理性質,例如頻率,像 2.4 GHz 意思即是指每秒震動 24 億次的電磁波,這已算是相當高頻的頻率了。最低頻的電話電報大約僅 1,000 Hz,而討論 5G 時常提到的毫米波(Millimeter Wave)頻率則高達 26.5~300 GHz。

▲ 電磁波頻譜與應用。

雖然資料傳輸的效率還有其他技術可以改善,但就物理性質而言,通常頻率越高,資料傳輸量往往也越快,所以在無線通訊發展基本上都是朝向高頻率前進。但從物理學來講,越高頻率的電磁波,更具有指向性,也越難饒射,也將使衰減更快,傳遞距離更短。

例如藍牙就是一種短波特高頻技術,利用 2.4 GHz 以上的 ISM 頻段來進行通訊,並試圖能夠讓行動裝置,在短距離間交換資料,並形成個人區域網路(PAN)。不過像 NFC 則是用 13.56 MHz 的頻率,但很明顯的僅適用於很短的距離,且資料傳輸率也遠遜於藍牙,不過其更為簡便快捷,更多是被應用在物聯網上,所以通訊技術未必是互相取代,而是針對不同場景的應用。

不僅是毫米波

雖然在僅僅 30 多年來通訊技術就已進展到第 5 代,但其實這一點都不容易,光是提高能利用的電磁波頻率,就已是重重阻礙。有鑑於 6 Ghz 的中低頻段已非常擁擠,所以毫米波技術成為各大科技業者不可迴避的挑戰,包括高頻路徑損失、傳輸耗損、穿牆性等性能。

當然也因為如此,毫米波技術的研發也有先後,首先當然還是從低頻毫米波入手,主要著重在 40 GHz 以下,以因應商業化進程,預計2019 年初就能完成。而超過 100 GHz 的頻率,可能要到 2020 年才會出現。國際電信聯盟(ITU)目前已提出最適用於 5G 的頻率為 28、39 及 73 GHz。

當然也有業者野心更大,如英特爾發表的 5G Modem 就強調是全球通用,不僅支援最主要的 6 GHz 以下頻譜及毫米波頻段,還有超寬頻操作、超低延遲、聚合頻寬等性能,及支援 5G NR 等技術,不過預計第一波上市的 5G 裝置仍仰賴的是自 4G 時代就有的 LTE 技術及 OFDM 波形。

波束賦形及 Massive MIMO

而且事實上 5G 系統不是僅建立在高頻的系統,而是一個多管道系統。高頻天線體積將會更小,亦即在同一裝置中可置入更多天線,而透過多進多出(MIMO),將能夠讓 5G 的資料傳輸率媲美光纖,至少是 4G 的十倍以上。現在有許多國家也正打算將到期的 3G 頻譜挪用至 5G 發展。

如中國已規劃其 5G 系統頻譜除毫米波外將利用 4800~5000 MHz 及 3300-3600 MHz 頻段,以符合 ITU 的 IMT-2020 工作計畫。不過整體來講 5G 毫米波晶片的設計與 4G 是截然不同的,高頻電路元件的金屬導體損失、介電質損失、輻射損失及散熱等問題都有待克服,而目前業界比較青睞的是由氮化鎵半導體工藝製成的元件。

除了材料之外,波束賦形及 Massive MIMO 就成了 5G 技術的熱門詞彙。波束賦形(Beamforming),是一種使用感測器陣列定向發送和接收訊號的技術,透過在特定方向上發射或接收訊號的疊加,以延長訊號傳送距離。而 Massive MIMO 則是使用複數波束賦形天線,以實現龐大資料傳輸的有力技術。

當然這並不容易,因為基地台要運用 Massive MIMO 技術不僅是要面對多個終端,且這些終端往往都是在移動狀態,這也表示,對訊號路徑的估測(Channel Estimation)將更為困難,還有領航訊號污染(Pilot Contamination)及預編碼複雜化等問題,當然簡化及改善 MIMO 技術就是實現 5G 通訊的重大挑戰。

▲ 5G 智慧天線技術。

D2D 及網路切片

不僅如此,5G 的野心還包括了不同場景的應用,例如基於蜂巢式網路的 D2D 通訊(Device to Device)。其實 3GPP 早在 2013 年就開始探討 D2D 通訊技術,其前身就是各種不需要仰賴基礎設施的無線通訊技術,以實現終端對終端的通訊,如藍牙。但相對於其他類似技術,D2D 將更加靈活,不僅可以在無網路基礎設施的時候進行傳輸,也可以在無網路狀態下,利用鄰近有網路的設備進行網路連接。

當然在 5G 時代下,D2D 通訊將能帶來更高的頻譜利用率,利用鄰近服務(Proximity Service,ProSe)提高用戶體驗,包括廣播、組播、單播等各種通訊模式,甚至能應用在類似的物聯網(M2M)通訊上,當然也比傳統的蜂窩網路架構更複雜許多。

而為了囊括這麼多種服務,網路切片(Network Slicing)就成為 5G 的關鍵技術,簡單來講,就是在物理網路中使用軟體定義網路(SDN)架構,將網路切割並虛擬化(Network Function Virtualization,NFV),且每個虛擬網路之間,包括設備、接入、傳輸及核心網路等,都是邏輯獨立的,不會因為其中一個虛擬網路出錯,而影響到其他服務。

比目前正使用的 LTE 行動網路架構能更具有彈性來支援各種不同的服務。一般而言,5G 網路應用可被分為行動寬頻、大規模物聯網跟關鍵物聯網 3 種場域,以因應不同的應用。所以網路切片更形重要,而目前中國的中興通訊領先推出了相當成熟的 5GE2E 網路切片技術方案。

不過現行要商業化還是要先從「非獨立 5G 」做起,以4G 網路為基礎發展準 5G 模式,營運商利用現有的 LTE 網路,在 2019 年就可以開始試營運並佈署 5G NR,並可在未來添加 5G 無線電接取載波以增加應用。而 3GPP 其實早在 2017 年底即已完成非獨立 5G 的標準,為大規模試驗和商用部署奠定了基礎。

5G 應用場景

簡單來講,5G 的應用目前可以分為 5 個層面,大量數據傳輸、行動用戶體驗、提升企業效率、創造數位生態及 5G 基礎設施及服務。在中國華為技術的 5G 白皮書中提到,關於未來 5G 運用有十大重要場景,包括雲端圖形計算、車聯網、智慧製造、智慧能源、無線醫療、無限家庭娛樂、聯網無人機、社群直播網路、個人 AI 助理、智慧城市等。

▲ VR/AR 未來應用假想。

其中最仰賴 5G 的就是在雲端即時演算電腦圖形渲染和建模,意即將可大大降低 VR 及 AR 的設備需求,更有效的拓展用戶使其更加普及,不管是各種產業都將占一席之地。但前提就是低延遲大量數據傳輸,才能讓用戶能有效地訪問雲端高速計算伺服器,達到規模效應。

據估计,到 2025 年 AR 和 VR 的市場規模將達到 2,920 億美元,將成為行動服務提供商的主力業務。當然還有自駕車、智慧製造等耳熟能詳的新興技術需要用到 5G,不過市場潛力最大的,還是無線家庭娛樂,超高清 8K 視頻及雲端遊戲等將會是 5G 技術的重要戰場。

不過目前在部署 5G 技術仍有重重阻礙,不僅是技術問題,商業考量也非常的重要。例如與過往的 4G 網路不同,5G 無線電特性也使其覆蓋率不如 4G,同樣範圍內需要更多的基地台,這對廠商而言會有更多的成本考量,如何部署在合適地址也將會是挑戰,相當需要政府的協助。

所以在 5G 時代講求的是基礎設施共享才會帶來更大的投資效益,例如英國政府就致力於解決投資障礙、釐清基礎設施共享的框架、減免企業稅務甚至直接的干預等政策,以確保市場有足夠的資金投入來促進 5G 網路的發展,當然目前各國的 5G 政策其實尚未明朗,會依照最終標準及商業試驗的結果而變化。

(首圖來源:shutterstock)

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