5G 到底有多厉害?谈新一代通讯技术发展与演变

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虽然 5G 通讯技术一直是新兴科技及产业的热门议题之一,但到底与 4G 有什么不同?又有什么非发展不可的理由呢?

所谓的 5G 通讯指的并非是具体的单一技术,而是第 5 代移动通讯网络(5th Generation Mobile Networks)的泛称,是在 4G 通讯技术成熟后,对下一代通讯网络的期待。目前标准尚未完全确定,但有所共识的是,5G 系统至少要能达到几项能力,以 10Gbps 以上的资料传输速率支持数万用户,及大规模的并发连结能力及感测器网络的部署,在覆盖率、频谱效率及低延迟性应远胜于 4G。


什么是无线通讯?


无线通讯(Wireless Communication)是指利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行资讯交换的一种通讯方式,而在近代因广泛的需求而有爆发式的发展。例如早期的第一代无线通讯系统为类比式移动电话系统,自1983 年起开始使用,而直至被 2G 数字通讯取代。而由第三代合作伙伴计划( 3GPP)负责制定及维护的 3G GSM 系统,更提供了国际漫游及更高品质的数位语音通话服务。


从 4G 开始,讲求资料传输量需达到 1 Gbps以上,甚至在高速移动下也要有 100 Mbps,除了语音之外,更扩展到了影像通讯等领域,并应用在金融、医疗、教育、交通等产业上。拥有媲美 ADSL 速度的无线网络,屏弃传统电路交换,转向由网络之间互连协议(IP)构成的通讯,并衍伸出无限网络(Pervasive Network)的概念,而 5G 就是这样理念下的新产物。


事实上,无线通讯技术涵盖范围很广,不仅是指用于远距离通话的移动通讯,还包含了蓝牙、NFC 等近场通讯技术,及各种衍伸出来的通讯协定。而 5G 的理念,除了更快更稳之外,就是能够满足近场及远距等不同的通讯需求。


无线通讯技术的特征


无线通讯既然是通过电磁波来传递,当然在描述其性能的时候多会提到物理性质,例如频率,像 2.4 GHz 意思即是指每秒震动 24 亿次的电磁波,这已算是相当高频的频率了。最低频的电话电报大约仅 1,000 Hz,而讨论 5G 时常提到的毫米波(Millimeter Wave)频率则高达 26.5~300 GHz。


虽然资料传输的效率还有其他技术可以改善,但就物理性质而言,通常频率越高,资料传输量往往也越快,所以在无线通讯发展基本上都是朝向高频率前进。但从物理学来讲,越高频率的电磁波,更具有指向性,也越难饶射,也将使衰减更快,传递距离更短。


例如蓝牙就是一种短波特高频技术,利用 2.4 GHz 以上的 ISM 频段来进行通讯,并试图能够让行动设备,在短距离间交换资料,并形成个人区域网络(PAN)。不过像 NFC 则是用 13.56 MHz 的频率,但很明显的仅适用于很短的距离,且资料传输率也远逊于蓝牙,不过其更为简便快捷,更多是被应用在物联网上,所以通讯技术未必是互相取代,而是针对不同场景的应用。


不仅是毫米波


虽然在仅仅 30 多年来通讯技术就已进展到第 5 代,但其实这一点都不容易,光是提高能利用的电磁波频率,就已是重重阻碍。有鉴于 6 Ghz 的中低频段已非常拥挤,所以毫米波技术成为各大科技业者不可回避的挑战,包括高频路径损失、传输耗损、穿墙性等性能。


当然也因为如此,毫米波技术的研发也有先后,首先当然还是从低频毫米波入手,主要着重在 40 GHz 以下,以因应商业化进程,预计2019 年初就能完成。而超过 100 GHz 的频率,可能要到 2020 年才会出现。国际电信联盟(ITU)目前已提出最适用于 5G 的频率为 28、39 及 73 GHz。


当然也有业者野心更大,如英特尔发布的 5G Modem 就强调是全球通用,不仅支持最主要的 6 GHz 以下频谱及毫米波频段,还有超宽频操作、超低延迟、聚合频宽等性能,及支持 5G NR 等技术,不过预计第一波上市的 5G 设备仍仰赖的是自 4G 时代就有的 LTE 技术及 OFDM 波形。


而且事实上 5G 系统不是仅建立在高频的系统,而是一个多管道系统。高频天线体积将会更小,亦即在同一设备中可置入更多天线,而透过多进多出(MIMO),将能够让 5G 的资料传输率媲美光纤,至少是 4G 的十倍以上。现在有许多国家也正打算将到期的 3G 频谱挪用至 5G 发展。


如中国已规划其 5G 系统频谱除毫米波外将利用 4800~5000 MHz 及 3300-3600 MHz 频段,以符合 ITU 的 IMT-2020 工作计划。不过整体来讲 5G 毫米波芯片的设计与 4G 是截然不同的,高频电路元件的金属导体损失、介电质损失、辐射损失及散热等问题都有待克服,而目前业界比较青睐的是由氮化镓半导体工艺制成的元件。


除了材料之外,波束赋形及 Massive MIMO 就成了 5G 技术的热门词汇,波束赋形(Beamforming),是一种使用感测器阵列定向发送和接收讯号的技术,透过在特定方向上发射或接收讯号的叠加,以延长讯号传送距离。而 Massive MIMO 则是使用复数波束赋形天线,以实现庞大的资料传输的有力技术。


当然这并不容易,因为基地台要运用 Massive MIMO 技术不仅是要面对多个终端,且这些终端往往都是在移动状态,这也表示,对讯号路径的估测(Channel Estimation)将更为困难,还有领航讯号污染(Pilot Contamination)、预编码复杂化等问题,当然简化及改善 MIMO 技术就是实现 5G 通讯的重大挑战。


不仅如此,5G 的野心还包括了不同场景的应用,例如基于蜂巢式网络的 D2D 通讯(Device to Device)。其实 3GPP 早在 2013 年就开始探讨 D2D 通讯技术,其前身就是各种不需要仰赖基础设施的无线通讯技术,以实现终端对终端的通讯,如蓝牙。但相对于其他类似技术,D2D 将更加灵活,不仅可以在无网络基础设施的时候进行传输,也可以在无网络状态下,利用邻近有网络的设备进行网络连接。


当然在 5G 时代下,D2D 通讯将能带来更高的频谱利用率,利用邻近服务(Proximity Service,ProSe)提高用户体验,包括广播、组播、单播等各种通讯模式,甚至能应用在类似的物联网(M2M)通讯上,当然也比传统的蜂窝网络架构更复杂许多。


而为了囊括这么多种服务,网络切片(Network Slicing)成为 5G 的关键技术,简单而言,就是在物理网络中使用软件定义网络(SDN)架构,将网络切割并虚拟化(Network Function Virtualization,NFV),且每个虚拟网络之间,包括设备、接入、传输及核心网络等,都是逻辑独立的,不会因为其中一个虚拟网络出错,而影响到其他服务。


比目前正使用的 LTE 行动网络架构能更具有弹性来支持各种不同的服务。一般而言,5G 网络应用可被分为移动宽带、大规模物联网跟关键物联网 3 种场域,以因应不同的应用。所以网络切片更形重要,而目前中国的中兴通讯领先推出了相当成熟的 5GE2E 网络切片技术方案。


不过现行要商业化还是要先从「非独立 5G 」做起,以4G 网络为基础发展准 5G 模式,营运商利用现有的 LTE 网络,在 2019 年就可以开始试营运并布署 5G NR,并可在未来添加 5G 无线电接取载波以增加应用。而 3GPP 其实早在 2017 年底即已完成非独立 5G 的标准,为大规模试验和商用部署奠定了基础。


5G 应用场景


简单来讲,5G 的应用目前可以分为 5 个层面,大量数据传输、移动用户体验、提升企业效率、创造数位生态及 5G 基础设施及服务。在中国华为技术的 5G 白皮书中提到,关于未来 5G 运用有十大重要场景,包括云端图形计算、车联网、智慧制造、智慧能源、无线医疗、无限家庭娱乐、联网无人机、社交直播网络、个人 AI 助理、智慧城市等。


其中最仰赖 5G 的就是在云端即时演算电脑图形渲染和建模,意即将可大大降低 VR 及 AR 的设备需求,更有效的拓展用户使其更加普及,不管是各种产业都将占一席之地。但前提就是大量极地低延迟数据传输,才能让用户能有效地访问云端高速计算服务器,达到规模效应。


据估计,到 2025 年 AR 和 VR 的市场规模将达到 2,920 亿美元,将成为行动服务提供商的主力业务。当然还有自驾车、智慧制造等耳熟能详的新兴技术需要用到 5G,不过市场潜力最大的,还是无线家庭娱乐,超高清 8K 视频及云端游戏等将会是 5G 技术的重要战场。


不过目前在部署 5G 技术仍有重重阻碍,不仅是技术问题,商业考量也非常的重要。例如与过往的 4G 网络不同,5G 无线电特性也使其覆盖率不如 4G,同样范围内需要更多的基地台,这对厂商而言会有更多的成本考量。


所以在 5G 时代更多的基础设施共享才会带来更大的投资效益,例如英国政府就致力于解决投资障碍、厘清基础设施共享的框架、减免企业税务甚至直接的干预等政策,以确保市场有足够的资金投入来促进 5G 网络的发展,当然目前各国的 5G 政策其实尚未明朗,会依照最终标准及商业试验的结果而变化。

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