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5G來了!你不可不知的技術趨勢與標準

2018-03-23 08:48CTimes零組件

【作者: 葉奕緯】

2017年,5G技術的應用已經被大眾所知,舉凡自動駕駛、個人AI助手、遠距醫療等,都將因為5G技術的突破而實現,到底5G與4G技術的差異在哪裡呢?這就得從有線、無線傳輸開始說起。

顧名思義,有線傳輸代表透過實體介質傳送資料,而無線傳輸則是透過電磁波傳送訊號到基地台,接著轉往電信系統商的機房傳輸。以有線傳輸來說,目前單條光纖最高速度已經能達到26Tbps,幾乎是傳統網速的上萬倍之快,因此,當前世界各國苦心鑽研的,是打破無線傳輸的速度限制。

圖1 : 整合物聯網的全新網路
圖1 : 整合物聯網的全新網路
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除了常見的電磁波傳送外,近年竄紅的還有光波傳輸Li-Fi(Light Fidelity),是相當於Wi-Fi的可見光無線通訊(VLC)技術,能利用發光二極體(LED)燈泡的光波傳輸資料,除能提供照明與無線聯網,還可避免產生電磁干擾。

然而在無線傳輸技術的研發主流上,仍是以電磁波傳輸為主,其中的頻率範圍扮演了重要角色,它的公式原理也很簡單─頻率越低(如特低頻VLF,3-30KHz),速度越慢,同時它的波長也就越長(長波,1,000Km-100Km),傳輸範圍更廣,目前主要的應用為遠距離通信。

反之亦然,頻率越高(至高頻EHF,30-300GHz),速度越快,波長越短(毫米波,10mm-1mm),傳播範圍也就越短。

目前中華電信使用的4G頻段包含900、1800、2100、2600MHz四個頻段,台灣大哥大支援700、1800兩個頻段,遠傳則支援700、1800、2600 三個頻段。台灣的主流電信商大多使用的是超高頻(UHF,0.3-3GHz)技術。總而言之,台灣目前是以使用高頻率、大頻寬,速度快的頻段為主。

而目前的第五代行動通訊系統(5G)標準,雖然預計將於2018年中訂出,但下一代行動網路聯盟(Next Generation Mobile Networks Alliance)則早先定義了5G網路的要求:以10Mbps的資料傳輸速率支援數萬用戶;以1Gbps的資料傳輸速率同時提供給在同一樓辦公的許多人員等等規定;支援數十萬的並發連接以用於支援大規模傳感器網路的部署等。成為各大電信系統商欲達成的目標。

5G厲害在哪裡?

圖2 : 5G特點示意圖(Source:IEEE Computer Societ...
圖2 : 5G特點示意圖(Source:IEEE Computer Society)
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5G並不是簡單提升速度就好,它還得包含許多特性:包括毫米波、MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)、波束賦形、D2D等。所謂的毫米波,也就是前述所提到的高頻,然而為什麼我們過去不使用速度更快的高頻呢?是因為高頻過去多半運用於軍事上,另外則是有成本的考量。

成本的考量又是什麼?假使電磁波的頻率越高,波長就越長,連帶地它的繞射能力也就越差,就如同衛星通訊及GPS導航一樣,對於傳輸方向有一定要求,因此,電信系統商就得興建更多的基地站來傳遞訊號,成本也就跟著水漲船高。舉例來說,原本一個4G的基地台就能覆蓋的範圍,5G基地台就得裝設6-8個基地台才夠用。

為了解決這項問題,多數電信商會使用微型基地台(Microcell),來取代過往的大基地台,成本也能跟著下降,這時也會引發一些疑慮,如果架設了這麼多的基地台,會不會造成更多的輻射汙染呢?

這可以用一種簡單的類比來說明:在一間房間裡,用一個大功率的暖爐好,還是數個小功率的暖爐好呢?答案當然是後者,因為後者的覆蓋良好,熱能不會集中於某區域散播,而是相對分散,並且速度快,功率影響也更小。

而MIMO又是什麼呢?答案是裝設「更多的天線」。為什麼智慧型手機內能容納更多支天線呢?是因為當頻率越高時,波長短,天線也就跟著縮短。過去的大哥大多有一隻長長的天線,而今日卻已經不常見了,並不是因為它們不再被需要,而是縮小嵌入整隻手機裡頭去了。

而5G時代使用的毫米波,天線也能再度縮小。因此,除了可以將更多的天線塞入手機外,微型基地台內也能放入更多的天線,接收與發送訊號的窗口越多,處理速度也能大幅增加,達到所謂的「多進多出」。

控制電磁波的傳輸方向

再來是具備高技術門檻的波束賦形。電磁波的傳輸,一般是用四散、廣播的方式傳遞訊號,然而我們通常只需要將訊號朝著某方向傳遞即可,多數的電磁波能量都被大幅浪費。

而波束賦形則是可以控制射頻訊號,使得基地台站上的電磁波,能對準它提供服務的對象(智慧型手機),並隨之改變方向。透過此項精準傳遞訊號的服務,可以大大提升基地站的服務數量。

圖3 : 多天線MIMO示意圖(Source:Rick Janse Kok MB...
圖3 : 多天線MIMO示意圖(Source:Rick Janse Kok MBA)
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最後一項5G特性─D2D(Device to Device),則代表當日後使用5G技術時,不再需要透過基地台來轉送訊號,即可讓鄰近的兩台無線裝置能夠建立直接連線(Device-to-Device Link)來進行通訊,大幅度地降低基地站的使用資源。

5G在生活中實現

而在什麼時候才能夠看到5G實現在日常生活中呢?目前已經有部分5G技術開始進行測試,例如美國AT&T和Verizon正測試家庭和企業的5G寬頻固網;而南韓的電信商則希望趁著2018年平昌冬季奧運會時,能夠提前讓5G網路到位;世界各地的電信商則預估將在2020年開始提供5G的行動服務。

2017年11月,美國電信商Verizon也宣布在2018下半年將在加州推出業界第一個商用5G固定無線接入寬頻網路服務,並在年底前擴張市場。此外,Verizon宣布將和瑞典電信設備製造商Ericsson合作,Ericsson將成為2018年商用固定無線接入5G服務的網路設備供應商。

目前各家電信商正在進行多種模型的測試校正,包含網路的建立方式以及使用的電磁波頻段,可預見的是,5G將是新一波的戰場,勝出的技術和方案將成為業界標準,也能在新世代中取得領導地位。

2018年3月第317期
2018年3月第317期
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