5G夠用？淺談6G願景、技術需求、專利佈局、挑戰與機會

【李淑蓮╱北美智權報　編輯部】

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當許多地區仍在建設5G網路、當5G手機仍未普及的時候，已有不少國家早就投入6G的研發，這是否表示5G通訊技術不足以滿足未來需求？在3G當道的時候，人們普遍都覺得5G是遙不可及的未來；到了現在4G已成為主流，一般消費者就認為5G已經夠用了，在更換手機時也開始考慮5G的機種。是的，對一般消費者而言，如果只是聽聽音樂、看看電影、偶而來個視訊電話，甚至是直播，5G網路的確是綽綽有餘。然而，隨著科技發達，人工智慧、智慧製造、自動駕駛、工業物聯網、以及高擬真全像通訊這些應用開始普及的時候，5G網路便會顯得不足。根據行動通訊的發展規律，大約每十年便會更新一代移動通訊系統，並且有「商用一代，規劃一代」的發展原則；然而，就各國研發腳步觀之，現在每一代 (Generation，簡稱「G」)的時間間隔已越來越短了。

據ITU-T的文獻指出，在未來十年內有3個與人們生活方式和社會變化相關的重要驅動因素，會直接影響 6G 網路的設計和架構，分別是：(1) 高擬真全像社會、(2) 萬物互聯，以及(3) 對時間敏感的工程應用。

6G關鍵驅動因素

單看字面可能還不太清楚這3個關鍵性的驅動因素為何，以下一一說明：

(1) 高擬真全像社會 (High-Fidelity Holographic Society) :現在視訊已逐漸取代單純的語音通訊，成為人們訊息交流時的首選方式；另一方面，也朝著AR（擴增實境）、VR（虛擬實境）和MR（混合實境）發展。在這種情況下，影像解析度也在快速提升中。像是支持4k的用戶端設備，其數據傳輸率即要達到 15.4 Mb / s。

另一方面，新冠病毒從2019年開始肆虐全球，直到現在2021年底仍未有任何停歇的跡象。在病毒流行期間，不管是居家辦公、遠距教學、線上診療…...，視頻通訊讓人們、企業、政府、學校、醫療專業人員及患者在兼顧防疫的原則下保持虛擬聯繫。從一開始設備不完善、線路不順暢、使用上不習慣，到現在已經漸漸成為一種日常。今天即使居家上班，大部分的企業仍可照常辦公、處理公務；主要會議和研討會在世界各地已習慣使用實時（real-time）視訊以虛擬方式舉行；學校即使停課，仍可透過線上視訊方式授課、考試。縱使已進入後疫情時代，由於「與病毒共存」已成為大多數人的共識，因此相應的視訊及虛擬通訊的需求在未來確定會有增無減，且對品質的要求也會不斷提升。

除了單純的視訊通訊，高擬真全像和多感通訊將會是下一個虛擬通訊模式的主流。早在2017年時，著名物理學家史蒂芬霍金 (Stephen William Hawking) 便曾以高擬真全像為香港聽眾發表演說。高擬真全像不僅是一個技術噱頭或僅限於娛樂應用，而是透過視訊通訊的邏輯演變，提供用戶更豐富的使用者體驗。像是工程師在遠端排除故障和維修、醫生進行遠端手術，以及老師線上授課時，高擬真全像的效果確定會比傳統視訊來得好。

然而，除了標準的視訊屬性，像是顏色、深度、解析度及幀速率外，高擬真全像還需要從多個角度傳輸，以更全面詮釋在傾斜時、以及角度上的變化，所需要的傳輸速率遠遠超過目前5G 的能力。此外，要不間斷的提供如此高的數據傳輸速率，需要額外的同步來協調，從多個角度來確保傳輸內容可以無縫連接。

(2) 萬物互聯：以5G為平台，數量級 (order-of-magnitude) 和越來越多計劃中的互連網路，以及其廣泛的使用將成為未來社會的一個主流現象；像是供水、農業、不間斷電力、運輸和物流網路。這些網路對民生社會以及百工業百業的運轉都相當重要，其發展已超越當今的標準地面網路。透過地面網路及和許多計劃中的衛星網路之整合（特別是用於低地球軌道LEO衛星），全球性的寬頻進接網路已開始實現。

(3) 對時間敏感或是重視時間的工程應用：儘管程度不同，但不管是人類或是機器設備，其實對傳輸過程中的訊息延遲都是很敏感的。尤其是在高度互聯的網路中，信息的實時傳遞最為重要。可預見的是在未來的社會中，新的應用程式與智慧型網路的交互運作，必須保證通訊網路的高容量及即時性。傳統的互聯網能夠提供音訊和視訊傳播，為非觸覺控制溝通。然而，觸覺互聯網還能提供一個用於觸摸和驅動的即時平台，由於基本的系統設計和架構限制，現今的5G系統無法在人類反應1 毫秒延遲限制下，完全虛擬化並傳輸到一個定點，這將會是6G 系統才能解決的難題。

6G應用場景及性能需求

以上簡述了一些6G市場的主要驅動因素，以下介紹一下具體的應用場景及6G網路的需求。

• 高擬真全像通訊：
如前所述，全像顯示器是下一個提供3D影像的多媒體體驗，分別從一個或多個來源傳輸到一個或多個目的地，為最終用戶提供身臨其境的3D體驗。在傳輸的過程中，網路中的交互式全像能力需要藉由非常高的數據傳輸速率和極低的時間延遲來達成；這是因為全像圖是由多個3D圖像組成，如果時間延遲即會產生視差，延遲情況越嚴重則視差問題也越嚴重，會大大影響使用者的體驗。　

全像通訊的基本系統需求如下：

1. 數據傳輸速率：全像通訊所需的數據傳輸速率取決於全像圖的構建方式，以及顯示的類型和需要同步的圖像數量。利用數據壓縮技術可能有助於降低全像圖所需的數據傳輸速率，但即使有壓縮，傳輸全像圖仍需要大量頻寬；如果要傳輸一個成人大小的全像圖，需要的數據傳輸速率需求從每秒數十Mb到每秒4.3 Tb 不等。
2. 超低延遲：真正的沉浸式場景必須要超低延遲；否則，用戶會感到模擬器病 (simulator sickness)。如果還添加了觸覺功能，則需要達到亞毫秒級 (submillisecond) 的延遲標準。
3. 同步：在執行全像通訊時，有很多場景必須要同步進行。不同的感官將會藉不同的傳感器經由不同的路徑或數據流傳送，到最後會融合，因此需要同步及協調的傳輸過程。當數據流涉及來自多個來源的數據時（像是視訊、音訊和觸覺）、必須要確保有精準及嚴格的串流同步，以確保數據包能實時到達。
4. 安全性：對於安全性的需求，視乎應用場景而定。像是要進行遠距醫療手術時，完整性和安全性絕對是首要考量，因為任何微小的失誤都可能危及生命。在這種情況下，協調多個協流（coflows） 的安全性是一個挑戰，因為只要出現對單一數據流的攻擊，即可能會危及傳輸流程中所有的數據。
5. 彈性：在系統層面，彈性與數據包最少丟失、信號干擾和延遲相關。在服務層面，相關的體驗質量指標是可取得和可靠性。在全像通訊服務中，無法修復的故障事件可能會導致廠商重大損失。因此，網路系統的彈性至關重要，用以維持對這些服務的高品質 （Quality of Service，QoS）需求。
6. 計算：全像傳播的生成及接收過程中，每一步都充滿挑戰。雖然利用壓縮可以減少頻寬的需求，但會嚴重影響延遲的產生。因此，在更高層級的壓縮、計算能力、頻寬和延遲之間，必須要權衡輕重。

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