5G將是新一波的戰(zhàn)場，勝出者能在新世代中取得領(lǐng)導(dǎo)地位

2017年，5G技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)被大眾所知，舉凡自動駕駛、個人AI助手、遠(yuǎn)距醫(yī)療等，都將因?yàn)?G技術(shù)的突破而實(shí)現(xiàn)，到底5G與4G技術(shù)的差異在哪里呢？ 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(shí)體介質(zhì)傳送數(shù)據(jù)，而無線傳輸則是透過電磁波傳送訊號到基地臺，接著轉(zhuǎn)往電信系統(tǒng)商的機(jī)房傳輸。 以有線傳輸來說，目前單條光纖最高速度已經(jīng)能達(dá)到26Tbps，幾乎是傳統(tǒng)網(wǎng)速的上萬倍之快，因此，當(dāng)前世界各國苦心鉆研的，是打破無線傳輸?shù)乃俣认拗啤?/p>

圖1 ： 整合物聯(lián)網(wǎng)的全新網(wǎng)絡(luò)

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(dāng)于Wi-Fi的可見光無線通信（VLC）技術(shù)，能利用發(fā)光二極管（LED）燈泡的光波傳輸數(shù)據(jù)，除能提供照明與無線聯(lián)網(wǎng)， 還可避免產(chǎn)生電磁干擾。

然而在無線傳輸技術(shù)的研發(fā)主流上，仍是以電磁波傳輸為主，其中的頻率范圍扮演了重要角色，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）， 傳輸范圍更廣，目前主要的應(yīng)用為遠(yuǎn)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），傳播范圍也就越短。

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

而目前的第五代行動通訊系統(tǒng)（5G）標(biāo)準(zhǔn)，雖然預(yù)計(jì)將于2018年中訂出，但下一代行動網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟（Next GeneraTIon Mobile Networks Alliance） 則早先定義了5G網(wǎng)絡(luò)的要求：以10Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率支持?jǐn)?shù)萬用戶；以1Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率同時提供給在同一樓辦公的許多人員等等規(guī)定；支持?jǐn)?shù)十萬的并發(fā)連接以用于支持大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署等。 成為各大電信系統(tǒng)商欲達(dá)成的目標(biāo)。

圖2 ： 5G特點(diǎn)示意圖（Source:IEEE Computer Society）

5G并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，然而為什么我們過去不使用速度更快的高頻呢？ 是因?yàn)楦哳l過去多半運(yùn)用于軍事上，另外則是有成本的考慮。

成本的考慮又是什么？ 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(wèi)星通訊及GPS導(dǎo)航一樣，對于傳輸方向有一定要求，因此，電信系統(tǒng)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的基地臺就能覆蓋的范圍，5G基地臺就得裝設(shè)6-8個基地臺才夠用。

為了解決這項(xiàng)問題，多數(shù)電信商會使用微型基地臺（Microcell），來取代過往的大基地臺，成本也能跟著下降，這時也會引發(fā)一些疑慮，如果架設(shè)了這么多的基地臺，會不會造成更多的輻射污染呢？

這可以用一種簡單的模擬來說明：在一間房間里，用一個大功率的暖爐好，還是數(shù)個小功率的暖爐好呢？ 答案當(dāng)然是后者，因?yàn)楹笳叩母采w良好，熱能不會集中于某區(qū)域散播，而是相對分散，并且速度快，功率影響也更小。

而MIMO又是什么呢？ 答案是裝設(shè)“更多的天線”。 為什么智能型手機(jī)內(nèi)能容納更多支天線呢？ 是因?yàn)楫?dāng)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只長長的天線，而今日卻已經(jīng)不常見了，并不是因?yàn)樗鼈儾辉俦恍枰强s小嵌入整只手機(jī)里頭去了。

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(jī)外，微型基地臺內(nèi)也能放入更多的天線，接收與發(fā)送訊號的窗口越多，處理速度也能大幅增加，達(dá)到所謂的“多進(jìn)多出”。

再來是具備高技術(shù)門坎的波束賦形。 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(shù)的電磁波能量都被大幅浪費(fèi)。

而波束賦形則是可以控制射頻訊號，使得基地臺站上的電磁波，能對準(zhǔn)它提供服務(wù)的對象（智能型手機(jī)），并隨之改變方向。 透過此項(xiàng)精準(zhǔn)傳遞訊號的服務(wù)，可以大大提升基地站的服務(wù)數(shù)量。

圖3 ： 多天線MIMO示意圖（Source:Rick Janse Kok MBA）

最后一項(xiàng)5G特性─D2D（Device to Device），則代表當(dāng)日后使用5G技術(shù)時，不再需要透過基地臺來轉(zhuǎn)送訊號，即可讓鄰近的兩臺無線裝置能夠建立直接聯(lián)機(jī)（Device-to-Device Link）來進(jìn)行通訊， 大幅度地降低基地站的使用資源。

而在什么時候才能夠看到5G實(shí)現(xiàn)在日常生活中呢？ 目前已經(jīng)有部分5G技術(shù)開始進(jìn)行測試，例如美國AT&T和Verizon正測試家庭和企業(yè)的5G寬帶固網(wǎng)；而南韓的電信商則希望趁著2018年平昌冬季奧運(yùn)會時，能夠提前讓5G網(wǎng)絡(luò)到位 ；世界各地的電信商則預(yù)估將在2020年開始提供5G的行動服務(wù)。

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(yè)界第一個商用5G固定無線接入寬帶網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，并在年底前擴(kuò)張市場。 此外，Verizon宣布將和瑞典電信設(shè)備制造商Ericsson合作，Ericsson將成為2018年商用固定無線接入5G服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供貨商。

目前各家電信商正在進(jìn)行多種模型的測試校正，包含網(wǎng)絡(luò)的建立方式以及使用的電磁波頻段，可預(yù)見的是，5G將是新一波的戰(zhàn)場，勝出的技術(shù)和方案將成為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，也能在新世代中取得領(lǐng)導(dǎo)地位。