5G到威力有多大？新一代通訊技術(shù)會(huì)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(dòng)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(duì)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(shí)的是，5G 系統(tǒng)至少要能達(dá)到幾項(xiàng)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(yuǎn)勝于 4G。

無線通訊（Wireless CommunicaTIon）是指利用電磁波信號(hào)可以在自由空間中傳播的特性進(jìn)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(dòng)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(jì)劃（ 3GPP）負(fù)責(zé)制定及維護(hù)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(dá)到 1 Gbps以上，甚至在高速移動(dòng)下也要有 100 Mbps，除了語音之外，更擴(kuò)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(shí)上，無線通訊技術(shù)涵蓋范圍很廣，不僅是指用于遠(yuǎn)距離通話的移動(dòng)通訊，還包含了藍(lán)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(yuǎn)距等不同的通訊需求。

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(shí)候多會(huì)提到物理性質(zhì)，例如頻率，像 2.4 GHz 意思即是指每秒震動(dòng) 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(bào)大約僅 1，000 Hz，而討論 5G 時(shí)常提到的毫米波（Millimeter Wave）頻率則高達(dá) 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(jìn)。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(lán)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(jìn)行通訊，并試圖能夠讓行動(dòng)設(shè)備，在短距離間交換資料，并形成個(gè)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(yuǎn)遜于藍(lán)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(duì)不同場景的應(yīng)用。

雖然在僅僅 30 多年來通訊技術(shù)就已進(jìn)展到第 5 代，但其實(shí)這一點(diǎn)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?yàn)槿绱耍撩撞夹g(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(jìn)程，預(yù)計(jì)2019 年初就能完成。而超過 100 GHz 的頻率，可能要到 2020 年才會(huì)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(qiáng)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(jì)第一波上市的 5G 設(shè)備仍仰賴的是自 4G 時(shí)代就有的 LTE 技術(shù)及 OFDM 波形。

而且事實(shí)上 5G 系統(tǒng)不是僅建立在高頻的系統(tǒng)，而是一個(gè)多管道系統(tǒng)。高頻天線體積將會(huì)更小，亦即在同一設(shè)備中可置入更多天線，而透過多進(jìn)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(jì)劃。不過整體來講 5G 毫米波芯片的設(shè)計(jì)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(hào)的技術(shù)，透過在特定方向上發(fā)射或接收訊號(hào)的疊加，以延長訊號(hào)傳送距離。而 Massive MIMO 則是使用復(fù)數(shù)波束賦形天線，以實(shí)現(xiàn)龐大的資料傳輸?shù)挠辛夹g(shù)。

當(dāng)然這并不容易，因?yàn)榛嘏_(tái)要運(yùn)用 Massive MIMO 技術(shù)不僅是要面對(duì)多個(gè)終端，且這些終端往往都是在移動(dòng)狀態(tài)，這也表示，對(duì)訊號(hào)路徑的估測（Channel EsTImaTIon）將更為困難，還有領(lǐng)航訊號(hào)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(shí)現(xiàn) 5G 通訊的重大挑戰(zhàn)。

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(shí) 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(shí)現(xiàn)終端對(duì)終端的通訊，如藍(lán)牙。但相對(duì)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(shí)候進(jìn)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(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接。

當(dāng)然在 5G 時(shí)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(yàn)，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(gè)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(dú)立的，不會(huì)因?yàn)槠渲幸粋€(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)出錯(cuò)，而影響到其他服務(wù)。

比目前正使用的 LTE 行動(dòng)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(dòng)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(dú)立 5G 」做起，以4G 網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)發(fā)展準(zhǔn) 5G 模式，營運(yùn)商利用現(xiàn)有的 LTE 網(wǎng)絡(luò)，在 2019 年就可以開始試營運(yùn)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(shí)早在 2017 年底即已完成非獨(dú)立 5G 的標(biāo)準(zhǔn)，為大規(guī)模試驗(yàn)和商用部署奠定了基礎(chǔ)。

簡單來講，5G 的應(yīng)用目前可以分為 5 個(gè)層面，大量數(shù)據(jù)傳輸、移動(dòng)用戶體驗(yàn)、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(yùn)用有十大重要場景，包括云端圖形計(jì)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(jī)、社交直播網(wǎng)絡(luò)、個(gè)人 AI 助理、智慧城市等。

其中最仰賴 5G 的就是在云端即時(shí)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(jì)算服務(wù)器，達(dá)到規(guī)模效應(yīng)。

據(jù)估計(jì)，到 2025 年 AR 和 VR 的市場規(guī)模將達(dá)到 2，920 億美元，將成為行動(dòng)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(huì)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(tái)，這對(duì)廠商而言會(huì)有更多的成本考量。

所以在 5G 時(shí)代更多的基礎(chǔ)設(shè)施共享才會(huì)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(jìn) 5G 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，當(dāng)然目前各國的 5G 政策其實(shí)尚未明朗，會(huì)依照最終標(biāo)準(zhǔn)及商業(yè)試驗(yàn)的結(jié)果而變化。