新一代行动技术：5G 未来发展怎么走？



2018年10月26日

现今的 IT 产业分成两派阵营，一派担心自己错失抢得 5G 市场一席之地的机会，另一派则认为时间上仍绰绰有余。这样混乱的现象有部分要归咎于电信龙头释放的讯息模棱两可，然而新一代行动技术没有具体发布时间也是一大主因。


■ 作者 Bernd Schöne

工商业界一直在等待 5G 时代的到来。透过第五代行动通讯技术，未来连网装置预计高达 1,000 亿台，其中经由物联网 (IoT) 连接的装置占绝大多数。在毫无延迟的触觉因特网架构下，当今智能型手机网络的数据容量可增加 1,000 倍，这势必会掀起新一波科技革命，而自动化领域对此的感受将尤其深切。

事实上，「5G」只是涵盖多种创新行动技术的营销术语。早在 2012 年初，前身为国际电报联盟 (International Telegraph Union) 的国际电信联盟 (ITU) 标准委员会便要求业者提供的网络容量应高达 20 GB。具体而言，虽然 LTE 的速度理论上可达 300 Mbps 左右，但实际上其速度不超过 42 Mbps；标准 4G 的实际速度也不过落在 14 Mbps 上下。目前各界正纷纷展开 5G 测试。以美国的威讯通讯 (Verizon) 为例，该公司表示其技术的下载速度比现有 4G 网络快 30 至 50 倍。如此一来，下载一部完整电影只需约 15 秒就能完成，但 4G 却需要 6 分钟左右的时间。




颠覆传统：从运送包裹到记录患者信息，再到寻找走丢的小狗或停车位，5G 技术将为日常生活带来重大影响。


大多数电信公司和其他供货商都认为 5G 要到 2020 年才会正式进入商用阶段，但部分业者似乎打算在这场竞争中抢得先机。尽管中国制造商中兴通讯 (ZTE) 是第一家在 2017 年全球行动通讯系统协会 (GSMA) 世界行动通讯大会上展示 5G 智能型手机的手机制造商，但联想 (Lenovo) 仍因美国高通 (Qualcomm) 公司所提供的芯片组，在 5G 智能型手机领域拔得头筹。未来世界的大门是否已悄悄打开？5G 是否如同 25 年前兴起的因特网一样，预示着新时代即将到来？

但我们非常清楚的是，5G 能够以更灵活的方式来扩展频率使用范围，藉此连接数十亿台行动装置。其中大部分装置都不会是智能型手机，而是众多 IoT 装置中的传感器和致动器，包括汽车、火车与飞机在内。



各就各位，准备开跑！

工程师正忙于打造机器人乃至整个生产线，其将拥有完全匹敌现今固网系统的联机能力，不过速度更快，也安全得多。
5G是第一个专为机器对机器 (M2M) 应用而生的行动标准。从理论上而言，该技术至少能促进自动驾驶车辆和其他系统蓬勃发展，包括「智能工厂」。

对电信公司和供货商来说，5G 最重要的特色就是能更灵活地因应客户需求，效果超过以往。为此，5G 一开始便以软件定义网络 (SDN) 为核心架构，其几乎可随时重新编写程序，且所需时间比先前版本要少许多。虽然数据传输速率会变得相当慢，但部分供货商已开始在4G频率下测试 5G技术。这些测试几乎肯定会成为宣传时的主要卖点，为未来真正的5G服务铺平道路。事实上，许多国家仍需分配必要频段，过去通常会以拍卖整个频块的方式来进行分配。2015年时，德国三大电信龙头：德国电信 (Deutsche Telekom)、沃达丰德国分公司 (Vodafone) 和西班牙电信德国分公司 (O2-Telefonica) 参与在线服务区竞拍，该场拍卖筹集到超过 50 亿欧元的资金，所得全归属于国库，这通常称为「数字红利」(digital dividend)。德国联邦网络管理局 (Bundesnetzagentur) 原订在 2018 年底拍卖 G5 服务地区，但目前已延期到 2019 年初进行。至于全球性拍卖会的举行时间，则有待 ITU 在明年十月的下一届世界无线电通讯大会 (WRC) 上做出最后决策。

虽然政府机关通常认为所有频率都是相等的，但不同频率间的差异其实相当明显。范围介于 700 到 800 兆赫 (MHz) 间的频率适合进行远距离传输，例如在人口稀少的偏乡地区。频率越高，讯号就越强，因此业者可以透过特定的无线电基地台为更多用户提供服务，但这会导致传输距离变短。在这样的情况下，增加中继站数量是必要的措施，特别是在建物密集的都市地区，或是有高楼大厦阻碍无线电波接收的地区。对 G5 服务地区而言，介于 3.3 到 4.2 GHz 之间的频率至关重要，因为这些频率能同时兼顾覆盖范围与数据传输量。制造商和电信业者正积极推动国际统一标准的制定及应用，然而以过往的经验来看，实现这目标并非易事。

5G 几乎在各方面都领先前代技术许多。第三代合作伙伴计划 (3GPP) 的 600 多名代表日前宣布第一版 5G 统一标准正式出炉；该规范称为新无线电 (NR)，其可用来定义所谓的空中接口 (或称存取模式)，也就是行动或无线通信模式下两个站点间的通讯线路。不过，5G 本身不需要核心或骨干架构也能展现出色效能，因为其是依靠多跃式中继机制来运作；该机制属于无线电网络中的一种通讯方式，其网络覆盖区域比单一节点的无线电范围更大。因此，节点可以使用其他节点作为中继站，进而连接某个目的端。5G 还支持装置对装置 (D2D) 或点对点 (P2P) 网络架构，其可在传感器和致动器间建立直接联机，无需电信业者的协助或支付使用费。可想而知，电信业者并不看好这种模式，多跃式架构是否能成为市场上可行的替代方案还有待观察。



想享受网络分割服务吗？

RG 几乎不会依赖固定的联机方式，而是根据客户的需求和预算限制，进一步分割功能强大且灵活的核心网络。过去，行动网络不会以这种方式运作。但在未来，对传输速率要求极高的客户可能会分配到相对较高的频段，甚至有可能一次分配到多个频段。分割技术也让业者能保证延迟不超过一定程度，或是特定时间内遗失的最大 TCP/IP 封包数量。对依赖「永不断线」的创新业务模式而言，这点相当重要。尤其是虚拟和扩增实境应用，都非常重视延迟问题。5G 网络运作时的延迟时间不超过 1 毫秒，而 UTMS 和 LTE 网络分别会出现 400 与 40 毫秒左右的延迟现象。



展望未来：5G 让现有技术全面进化，呈现颠覆传统的科技未来。
透过小巧但覆盖范围广阔的网络架构，使用者将受惠于快速联机与实时通讯能力，享受到前所未有的使用体验。


若自驾车、自驾卡车或无人驾驶客机等自动化系统故障，就会造成死伤惨重的事件。
为此，5G增加大量备援系统，以防发生任何问题。这些系统会传送每个讯号多次，必要时还会透过不同的无线电频段进行传输。
同时，这种做法能让损失的封包数量保持在最低限度，即使距离遥远或环境不佳也是如此。不过，这项技术仍有待发展，我们可以预见使用者要付出一些代价才能获得低延迟服务，特别是在需要签订服务层级协议 (SLA) 的时候。

如果一切顺利的话，5G 技术势必会大放异彩。尽管这项技术仍在实验和测试阶段，但不可否认的是，5G 能够传送的数据量比旧系统多一千倍，且节省的能源相当可观。渐渐地，未来透过 5G 进行传输所消耗的能源至少会减少 90%！若要达到这个目标，新一代无线电和天线技术是不可或缺的，其可依需求将传送功率集中在个别使用者上。该技术会利用具有波束成形或空间滤波及多输入多输出 (MIMO) 功能的相位数组天线系统，避免发生讯号衰落的现象。如此一来，即使是在移动的状态下，多名使用者也能共享一个频率；这就像是一个孩子在别人说话时将手放在耳后，即便环境很吵杂，他还是能听到对方在说什么。5G 还有另一个巧妙之处，那就是该技术能让两个人 (或机器) 使用不同信道来进行双向通讯，有效地将数据处理量加倍。



崭新模型：全新时代即将来临，在范围 30 GHz 至 300 GHz 的毫米波频谱下操控无线系统，不再是梦想。
这些系统的运作方式与 6 GHz 以下的传统行动通讯系统非常不同，其需要用到新的数学模型来分析效能。


客户和服务供货商纷纷站上起跑线，等待枪声响起。那么，这是否代表一切都没问题呢？很遗憾，答案是否定的。虽然 2018 年夏季就已经公布第一个 5G 标准，而芯片制造商的设计也逐渐完善，但仍有许多问题尚未解决，其中大部分议题要等到 2019 年召开 WRC 才能定案，例如：欧洲、亚洲、非洲和北美洲地区为 G5 服务区保留的无线电频段。








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