新一代行動技術：5G 未來發展怎麼走？



2018年10月26日

現今的 IT 產業分成兩派陣營，一派擔心自己錯失搶得 5G 市場一席之地的機會，另一派則認為時間上仍綽綽有餘。這樣混亂的現象有部分要歸咎於電信龍頭釋放的訊息模稜兩可，然而新一代行動技術沒有具體發布時間也是一大主因。


■ 作者 Bernd Schöne

工商業界一直在等待 5G 時代的到來。透過第五代行動通訊技術，未來連網裝置預計高達 1,000 億台，其中經由物聯網 (IoT) 連接的裝置佔絕大多數。在毫無延遲的觸覺網際網路架構下，當今智慧型手機網路的資料容量可增加 1,000 倍，這勢必會掀起新一波科技革命，而自動化領域對此的感受將尤其深切。

事實上，「5G」只是涵蓋多種創新行動技術的行銷術語。早在 2012 年初，前身為國際電報聯盟 (International Telegraph Union) 的國際電信聯盟 (ITU) 標準委員會便要求業者提供的網路容量應高達 20 GB。具體而言，雖然 LTE 的速度理論上可達 300 Mbps 左右，但實際上其速度不超過 42 Mbps；標準 4G 的實際速度也不過落在 14 Mbps 上下。目前各界正紛紛展開 5G 測試。以美國的威訊通訊 (Verizon) 為例，該公司表示其技術的下載速度比現有 4G 網路快 30 至 50 倍。如此一來，下載一部完整電影只需約 15 秒就能完成，但 4G 卻需要 6 分鐘左右的時間。




顛覆傳統：從運送包裹到記錄患者資訊，再到尋找走丟的小狗或停車位，5G 技術將為日常生活帶來重大影響。


大多數電信公司和其他供應商都認為 5G 要到 2020 年才會正式進入商用階段，但部分業者似乎打算在這場競爭中搶得先機。儘管中國製造商中興通訊 (ZTE) 是第一家在 2017 年全球行動通訊系統協會 (GSMA) 世界行動通訊大會上展示 5G 智慧型手機的手機製造商，但聯想 (Lenovo) 仍因美國高通 (Qualcomm) 公司所提供的晶片組，在 5G 智慧型手機領域拔得頭籌。未來世界的大門是否已悄悄打開？5G 是否如同 25 年前興起的網際網路一樣，預示著新時代即將到來？

但我們非常清楚的是，5G 能夠以更靈活的方式來擴展頻率使用範圍，藉此連接數十億台行動裝置。其中大部分裝置都不會是智慧型手機，而是眾多 IoT 裝置中的感測器和致動器，包括汽車、火車與飛機在內。



各就各位，準備開跑！

工程師正忙於打造機器人乃至整個生產線，其將擁有完全匹敵現今固網系統的連線能力，不過速度更快，也安全得多。
5G 是第一個專為機器對機器 (M2M) 應用而生的行動標準。從理論上而言，該技術至少能促進自動駕駛車輛和其他系統蓬勃發展，包括「智慧工廠」。

對電信公司和供應商來說，5G 最重要的特色就是能更靈活地因應客戶需求，效果超過以往。為此，5G 一開始便以軟體定義網路 (SDN) 為核心架構，其幾乎可隨時重新編寫程式，且所需時間比先前版本要少許多。雖然資料傳輸速率會變得相當慢，但部分供應商已開始在 4G 頻率下測試 5G 技術。這些測試幾乎肯定會成為宣傳時的主要賣點，為未來真正的 5G 服務鋪平道路。事實上，許多國家仍需分配必要頻段，過去通常會以拍賣整個頻塊的方式來進行分配。2015 年時，德國三大電信龍頭：德國電信 (Deutsche Telekom)、沃達豐德國分公司(Vodafone)和西班牙電信德國分公司 (O2-Telefonica) 參與線上服務區競拍，該場拍賣籌集到超過 50 億歐元的資金，所得全歸屬於國庫，這通常稱為「數位紅利」(digital dividend)。德國聯邦網路管理局 (Bundesnetzagentur) 原訂在 2018 年底拍賣 G5 服務地區，但目前已延期到 2019 年初進行。至於全球性拍賣會的舉行時間，則有待 ITU 在明年十月的下一屆世界無線電通訊大會 (WRC) 上做出最後決策。

雖然政府機關通常認為所有頻率都是相等的，但不同頻率間的差異其實相當明顯。範圍介於 700 到 800 兆赫 (MHz) 間的頻率適合進行遠距離傳輸，例如在人口稀少的偏鄉地區。頻率越高，訊號就越強，因此業者可以透過特定的無線電基地台為更多使用者提供服務，但這會導致傳輸距離變短。在這樣的情況下，增加中繼站數量是必要的措施，特別是在建物密集的都市地區，或是有高樓大廈阻礙無線電波接收的地區。對 G5 服務地區而言，介於 3.3 到 4.2 GHz 之間的頻率至關重要，因為這些頻率能同時兼顧覆蓋範圍與資料傳輸量。製造商和電信業者正積極推動國際統一標準的制定及應用，然而以過往的經驗來看，實現這目標並非易事。

5G 幾乎在各方面都領先前代技術許多。第三代合作夥伴計劃 (3GPP) 的 600 多名代表日前宣布第一版 5G 統一標準正式出爐；該規範稱為新無線電 (NR)，其可用來定義所謂的空中介面 (或稱存取模式)，也就是行動或無線通訊模式下兩個站點間的通訊線路。不過，5G 本身不需要核心或骨幹架構也能展現出色效能，因為其是依靠多躍式中繼機制來運作；該機制屬於無線電網路中的一種通訊方式，其網路覆蓋區域比單一節點的無線電範圍更大。因此，節點可以使用其他節點作為中繼站，進而連接某個目的端。5G 還支援裝置對裝置 (D2D) 或點對點 (P2P) 網路架構，其可在感測器和致動器間建立直接連線，無需電信業者的協助或支付使用費。可想而知，電信業者並不看好這種模式，多躍式架構是否能成為市場上可行的替代方案還有待觀察。



想享受網路分割服務嗎？

RG 幾乎不會依賴固定的連線方式，而是根據客戶的需求和預算限制，進一步分割功能強大且靈活的核心網路。過去，行動網路不會以這種方式運作。但在未來，對傳輸速率要求極高的客戶可能會分配到相對較高的頻段，甚至有可能一次分配到多個頻段。分割技術也讓業者能保證延遲不超過一定程度，或是特定時間內遺失的最大 TCP/IP 封包數量。對依賴「永不斷線」的創新業務模式而言，這點相當重要。尤其是虛擬和擴增實境應用，都非常重視延遲問題。5G 網路運作時的延遲時間不超過 1 毫秒，而 UTMS 和 LTE 網路分別會出現 400 與 40 毫秒左右的延遲現象。



展望未來：5G 讓現有技術全面進化，呈現顛覆傳統的科技未來。
透過小巧但覆蓋範圍廣闊的網路架構，使用者將受惠於快速連線與即時通訊能力，享受到前所未有的使用體驗。


若自駕車、自駕卡車或無人駕駛客機等自動化系統故障，就會造成死傷慘重的事件。
為此，5G 增加大量備援系統，以防發生任何問題。這些系統會傳送每個訊號多次，必要時還會透過不同的無線電頻段進行傳輸。
同時，這種做法能讓損失的封包數量保持在最低限度，即使距離遙遠或環境不佳也是如此。不過，這項技術仍有待發展，我們可以預見使用者要付出一些代價才能獲得低延遲服務，特別是在需要簽訂服務層級協議 (SLA) 的時候。

如果一切順利的話，5G 技術勢必會大放異彩。儘管這項技術仍在實驗和測試階段，但不可否認的是，5G 能夠傳送的資料量比舊系統多一千倍，且節省的能源相當可觀。漸漸地，未來透過 5G 進行傳輸所消耗的能源至少會減少 90%！若要達到這個目標，新一代無線電和天線技術是不可或缺的，其可依需求將傳送功率集中在個別使用者上。該技術會利用具有波束成形或空間濾波及多輸入多輸出 (MIMO) 功能的相位陣列天線系統，避免發生訊號衰落的現象。如此一來，即使是在移動的狀態下，多名使用者也能共用一個頻率；這就像是一個孩子在別人說話時將手放在耳後，即便環境很吵雜，他還是能聽到對方在說什麼。5G 還有另一個巧妙之處，那就是該技術能讓兩個人 (或機器) 使用不同通道來進行雙向通訊，有效地將資料處理量加倍。




嶄新模型：全新時代即將來臨，在範圍 30 GHz 至 300 GHz 的毫米波頻譜下操控無線系統，不再是夢想。
這些系統的運作方式與 6 GHz 以下的傳統行動通訊系統非常不同，其需要用到新的數學模型來分析效能。


客戶和服務供應商紛紛站上起跑線，等待槍聲響起。那麼，這是否代表一切都沒問題呢？很遺憾，答案是否定的。雖然 2018 年夏季就已經公布第一個 5G 標準，而晶片製造商的設計也逐漸完善，但仍有許多問題尚未解決，其中大部分議題要等到 2019 年召開 WRC 才能定案，例如：歐洲、亞洲、非洲和北美洲地區為 G5 服務區保留的無線電頻段。








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