5G到威力有多大？新一代通訊技術(shù)會有怎樣的未來

雖然 5G 通訊技術(shù)一直是新興科技及產(chǎn)業(yè)的熱門議題之一，但到底與 4G 有什么不同？又有什么非發(fā)展不可的理由呢？

所謂的 5G 通訊指的并非是具體的單一技術(shù)，而是第 5 代移動通訊網(wǎng)絡(luò)（5th Generation Mobile Networks）的泛稱，是在 4G 通訊技術(shù)成熟后，對下一代通訊網(wǎng)絡(luò)的期待。目前標(biāo)準(zhǔn)尚未完全確定，但有所共識的是，5G 系統(tǒng)至少要能達到幾項能力，以 10Gbps 以上的資料傳輸速率支持?jǐn)?shù)萬用戶，及大規(guī)模的并發(fā)連結(jié)能力及感測器網(wǎng)絡(luò)的部署，在覆蓋率、頻譜效率及低延遲性應(yīng)遠勝于 4G。

什么是無線通訊？

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(fā)式的發(fā)展。例如早期的第一代無線通訊系統(tǒng)為類比式移動電話系統(tǒng)，自1983 年起開始使用，而直至被 2G 數(shù)字通訊取代。而由第三代合作伙伴計劃（ 3GPP）負責(zé)制定及維護的 3G GSM 系統(tǒng)，更提供了國際漫游及更高品質(zhì)的數(shù)位語音通話服務(wù)。

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(lǐng)域，并應(yīng)用在金融、醫(yī)療、教育、交通等產(chǎn)業(yè)上。擁有媲美 ADSL 速度的無線網(wǎng)絡(luò)，屏棄傳統(tǒng)電路交換，轉(zhuǎn)向由網(wǎng)絡(luò)之間互連協(xié)議（IP）構(gòu)成的通訊，并衍伸出無限網(wǎng)絡(luò)（Pervasive Network）的概念，而 5G 就是這樣理念下的新產(chǎn)物。

事實上，無線通訊技術(shù)涵蓋范圍很廣，不僅是指用于遠距離通話的移動通訊，還包含了藍牙、NFC 等近場通訊技術(shù)，及各種衍伸出來的通訊協(xié)定。而 5G 的理念，除了更快更穩(wěn)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(shù)的特征

無線通訊既然是通過電磁波來傳遞，當(dāng)然在描述其性能的時候多會提到物理性質(zhì)，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(dāng)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(yīng)用

雖然資料傳輸?shù)男蔬€有其他技術(shù)可以改善，但就物理性質(zhì)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(fā)展基本上都是朝向高頻率前進。但從物理學(xué)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(shù)，利用 2.4 GHz 以上的 ISM 頻段來進行通訊，并試圖能夠讓行動設(shè)備，在短距離間交換資料，并形成個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（PAN）。不過像 NFC 則是用 13.56 MHz 的頻率，但很明顯的僅適用于很短的距離，且資料傳輸率也遠遜于藍牙，不過其更為簡便快捷，更多是被應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)上，所以通訊技術(shù)未必是互相取代，而是針對不同場景的應(yīng)用。

不僅是毫米波

雖然在僅僅 30 多年來通訊技術(shù)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。有鑒于 6 Ghz 的中低頻段已非常擁擠，所以毫米波技術(shù)成為各大科技業(yè)者不可回避的挑戰(zhàn)，包括高頻路徑損失、傳輸耗損、穿墻性等性能。

當(dāng)然也因為如此，毫米波技術(shù)的研發(fā)也有先后，首先當(dāng)然還是從低頻毫米波入手，主要著重在 40 GHz 以下，以因應(yīng)商業(yè)化進程，預(yù)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(xiàn)。國際電信聯(lián)盟（ITU）目前已提出最適用于 5G 的頻率為 28、39 及 73 GHz。

當(dāng)然也有業(yè)者野心更大，如英特爾發(fā)布的 5G Modem 就強調(diào)是全球通用，不僅支持最主要的 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，及支持 5G NR 等技術(shù)，不過預(yù)計第一波上市的 5G 設(shè)備仍仰賴的是自 4G 時代就有的 LTE 技術(shù)及 OFDM 波形。

波束賦形及 Massive MIMO

而且事實上 5G 系統(tǒng)不是僅建立在高頻的系統(tǒng)，而是一個多管道系統(tǒng)。高頻天線體積將會更小，亦即在同一設(shè)備中可置入更多天線，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(xiàn)在有許多國家也正打算將到期的 3G 頻譜挪用至 5G 發(fā)展。

如中國已規(guī)劃其 5G 系統(tǒng)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 工作計劃。不過整體來講 5G 毫米波芯片的設(shè)計與 4G 是截然不同的，高頻電路元件的金屬導(dǎo)體損失、介電質(zhì)損失、輻射損失及散熱等問題都有待克服，而目前業(yè)界比較青睞的是由氮化鎵半導(dǎo)體工藝制成的元件。

除了材料之外，波束賦形及 Massive MIMO 就成了 5G 技術(shù)的熱門詞匯，波束賦形（Beamforming），是一種使用感測器陣列定向發(fā)送和接收訊號的技術(shù)，透過在特定方向上發(fā)射或接收訊號的疊加，以延長訊號傳送距離。而 Massive MIMO 則是使用復(fù)數(shù)波束賦形天線，以實現(xiàn)龐大的資料傳輸?shù)挠辛夹g(shù)。

當(dāng)然這并不容易，因為基地臺要運用 Massive MIMO 技術(shù)不僅是要面對多個終端，且這些終端往往都是在移動狀態(tài)，這也表示，對訊號路徑的估測（Channel Estimation）將更為困難，還有領(lǐng)航訊號污染（Pilot Contamination）、預(yù)編碼復(fù)雜化等問題，當(dāng)然簡化及改善 MIMO 技術(shù)就是實現(xiàn) 5G 通訊的重大挑戰(zhàn)。

D2D 及網(wǎng)絡(luò)切片

不僅如此，5G 的野心還包括了不同場景的應(yīng)用，例如基于蜂巢式網(wǎng)絡(luò)的 D2D 通訊（Device to Device）。其實 3GPP 早在 2013 年就開始探討 D2D 通訊技術(shù)，其前身就是各種不需要仰賴基礎(chǔ)設(shè)施的無線通訊技術(shù)，以實現(xiàn)終端對終端的通訊，如藍牙。但相對于其他類似技術(shù)，D2D 將更加靈活，不僅可以在無網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的時候進行傳輸，也可以在無網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下，利用鄰近有網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備進行網(wǎng)絡(luò)連接。

當(dāng)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(wù)（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(yīng)用在類似的物聯(lián)網(wǎng)（M2M）通訊上，當(dāng)然也比傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更復(fù)雜許多。

而為了囊括這么多種服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)切片（Network Slicing）成為 5G 的關(guān)鍵技術(shù)，簡單而言，就是在物理網(wǎng)絡(luò)中使用軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）架構(gòu)，將網(wǎng)絡(luò)切割并虛擬化（Network Function Virtualization，NFV），且每個虛擬網(wǎng)絡(luò)之間，包括設(shè)備、接入、傳輸及核心網(wǎng)絡(luò)等，都是邏輯獨立的，不會因為其中一個虛擬網(wǎng)絡(luò)出錯，而影響到其他服務(wù)。

比目前正使用的 LTE 行動網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能更具有彈性來支持各種不同的服務(wù)。一般而言，5G 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用可被分為移動寬帶、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)跟關(guān)鍵物聯(lián)網(wǎng) 3 種場域，以因應(yīng)不同的應(yīng)用。所以網(wǎng)絡(luò)切片更形重要，而目前中國的中興通訊領(lǐng)先推出了相當(dāng)成熟的 5GE2E 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)方案。

不過現(xiàn)行要商業(yè)化還是要先從「非獨立 5G 」做起，以4G 網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)發(fā)展準(zhǔn) 5G 模式，營運商利用現(xiàn)有的 LTE 網(wǎng)絡(luò)，在 2019 年就可以開始試營運并布署 5G NR，并可在未來添加 5G 無線電接取載波以增加應(yīng)用。而 3GPP 其實早在 2017 年底即已完成非獨立 5G 的標(biāo)準(zhǔn)，為大規(guī)模試驗和商用部署奠定了基礎(chǔ)。

5G 應(yīng)用場景

簡單來講，5G 的應(yīng)用目前可以分為 5 個層面，大量數(shù)據(jù)傳輸、移動用戶體驗、提升企業(yè)效率、創(chuàng)造數(shù)位生態(tài)及 5G 基礎(chǔ)設(shè)施及服務(wù)。在中國華為技術(shù)的 5G 白皮書中提到，關(guān)于未來 5G 運用有十大重要場景，包括云端圖形計算、車聯(lián)網(wǎng)、智慧制造、智慧能源、無線醫(yī)療、無限家庭娛樂、聯(lián)網(wǎng)無人機、社交直播網(wǎng)絡(luò)、個人 AI 助理、智慧城市等。

其中最仰賴 5G 的就是在云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(shè)備需求，更有效的拓展用戶使其更加普及，不管是各種產(chǎn)業(yè)都將占一席之地。但前提就是大量極地低延遲數(shù)據(jù)傳輸，才能讓用戶能有效地訪問云端高速計算服務(wù)器，達到規(guī)模效應(yīng)。

據(jù)估計，到 2025 年 AR 和 VR 的市場規(guī)模將達到 2，920 億美元，將成為行動服務(wù)提供商的主力業(yè)務(wù)。當(dāng)然還有自駕車、智慧制造等耳熟能詳?shù)男屡d技術(shù)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 視頻及云端游戲等將會是 5G 技術(shù)的重要戰(zhàn)場。

不過目前在部署 5G 技術(shù)仍有重重阻礙，不僅是技術(shù)問題，商業(yè)考量也非常的重要。例如與過往的 4G 網(wǎng)絡(luò)不同，5G 無線電特性也使其覆蓋率不如 4G，同樣范圍內(nèi)需要更多的基地臺，這對廠商而言會有更多的成本考量。

所以在 5G 時代更多的基礎(chǔ)設(shè)施共享才會帶來更大的投資效益，例如英國政府就致力于解決投資障礙、厘清基礎(chǔ)設(shè)施共享的框架、減免企業(yè)稅務(wù)甚至直接的干預(yù)等政策，以確保市場有足夠的資金投入來促進 5G 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，當(dāng)然目前各國的 5G 政策其實尚未明朗，會依照最終標(biāo)準(zhǔn)及商業(yè)試驗的結(jié)果而變化。