也許可能會感到奇怪，怎么4G技術(shù)才開臺短短幾年的時間，國外相關(guān)業(yè)者以及臺灣都已開始積極布局下一代行動通訊——5G的技術(shù)與市場?也許也感覺臺灣4G網(wǎng)路品質(zhì)似乎沒有電信營運商說的那么“神”，臺灣產(chǎn)官學(xué)界已經(jīng)攜手舉行了幾次“誓師大會”，務(wù)必扶植臺灣相關(guān)業(yè)者能在5G技術(shù)市場搶得先機。究竟5G通訊技術(shù)有何迷人之處，讓廠商如此趨之若鶩?
4G技術(shù)迅速蔓延全球
觀察過去行動通訊技術(shù)的發(fā)展，如2G與3G，從技術(shù)研究初始到全面開臺、普及，大約10年為一個周期，但相較之下，4G通訊技術(shù)也就是長程演進計畫(LTE)的發(fā)展可謂相當(dāng)快速。根據(jù)全球行動供應(yīng)商協(xié)會(GSA)統(tǒng)計，截至2014年底，全球LTE用數(shù)已達4.97億戶;至2015年中，已達7.55億戶。用戶數(shù)的成長數(shù)量每年都以億計，也為相關(guān)廠商如晶片、設(shè)備、電信或量測儀器業(yè)者注入一劑強心針。
全球LTE用戶數(shù)成長分析
高通技術(shù)公司(Qualcomm)資深技術(shù)行銷總監(jiān)Rasmus Hellberg指出，全球行動營運商均積極升級LTE-Advanced(LTE-A)載波聚合(Carrier Aggregation;CA)技術(shù)，又稱為4G+。GSA報告指出，截至2015年7月為止共有88個商業(yè)網(wǎng)路支援載波聚合，最高可支援450Mbps全球峰值傳輸速率。
觀察大中華區(qū)4G的發(fā)展，Hellberg表示，中國電信(China Telecom)已在國內(nèi)的重點城市推出“天翼4G+”第6類(CAT-6)服務(wù);中國移動(China Mobile)宣布將于多個地點建置CAT-6甚至CAT-9網(wǎng)路。不僅如此，4G+演進的下一步計畫將落實3GPP Rel-12功能，例如高階調(diào)變，能將下行鏈路的數(shù)據(jù)傳輸速率增至600Mbps，又稱CAT-12。
臺灣阿爾卡特朗訊(Alcatel-Lucent)客戶技術(shù)方案處技術(shù)長李思柏(Johan Asplund)亦援引GSA的數(shù)據(jù)說明臺灣4G的蓬勃發(fā)展。他表示，“從開臺至今，今年臺灣的4G用戶已達866萬，甚至是全球4G用戶增長排名第一的地區(qū)，”更遑論臺灣曾經(jīng)在4G的發(fā)展走了岔路——發(fā)展WiMAX——能有這樣的成績，相當(dāng)難能可貴。
未來LTE-A的演進趨勢強勁，也將拓展新用途，如裝置對裝置功能，有助于近距離探索及車輛溝通，也能以聚合授權(quán)頻譜的形式，將其優(yōu)點擴及未授權(quán)頻譜(在美國等地稱LTE-U，在歐洲、日本等地稱LAA)。甚至包括物聯(lián)網(wǎng)(IoT)也將一并獲得改善，例如低復(fù)雜度機器通訊(eMTC)及針對新控制服務(wù)的超低延遲等，在在都將進一步擴大LTE-A的使用情況。
日韓5G技術(shù)搶先起跑
4G如火蔓延全球之際，下一代行動通訊技術(shù)5G也開始醞釀，日本與韓國電信業(yè)者已分別宣布將在2020年、2018年展現(xiàn)最新的5G技術(shù)網(wǎng)路——日本NTT DoCoMo與諾基亞(Nokia)將共同研發(fā)實現(xiàn)高頻網(wǎng)路運行的5G無線網(wǎng)路技術(shù)，并計畫在2020年的東京奧運會上向全世界展示;而韓國電信(KT)腳步更快，將和成功驗證5G多層次異質(zhì)網(wǎng)路載波聚合技術(shù)的愛立信(Ericsson)，在2018年平昌冬季奧運上成為全球第一個推出5G通訊服務(wù)的業(yè)者。
此外，中國大陸網(wǎng)通設(shè)備供應(yīng)商華為(Huawei)也宣布2018年將開始布建5G網(wǎng)路，中興(ZTE)也將隨之跟進。由此可見，4G市場的火焰正熾之時，相關(guān)業(yè)者已開始5G技術(shù)的研發(fā)，以期可順利進軍下一代傳輸速率更高、效能更好的行動通訊技術(shù)。
面對3G與4G成本尚未全面回收的同時，全球許多地區(qū)已開始發(fā)展5G技術(shù)，業(yè)者均表示，現(xiàn)階段發(fā)展5G技術(shù)并沒有所謂太早或太晚的問題，反而時機正好。Marvell行動產(chǎn)品總監(jiān)張路認為，4G發(fā)展相當(dāng)?shù)目?，今年下半年新興國家如俄羅斯、印尼與印度等地，利用4G取代3G技術(shù)的態(tài)勢會越發(fā)顯著，而5G在技術(shù)與應(yīng)用上需要長遠的演進，預(yù)期2020年之后5G技術(shù)將開始進入商用階段，因此現(xiàn)在著手進行研發(fā)、克服5G技術(shù)挑戰(zhàn)，并不會太早。
李思柏也表示，從1G到現(xiàn)在的4G，每一個G的技術(shù)發(fā)展大約需歷經(jīng)10年時間，因此現(xiàn)在發(fā)展5G，到3GPP發(fā)布標(biāo)準，時間上其實沒有較其他技術(shù)初期發(fā)展時來得快，而5G技術(shù)的要求須讓現(xiàn)有行動通訊技術(shù)再大幅精進，因此現(xiàn)在正是對的時間發(fā)展5G技術(shù)。
物聯(lián)網(wǎng)、M2M成為5G關(guān)鍵應(yīng)用
5G技術(shù)究竟能為現(xiàn)在的生活環(huán)境帶來多大的改變?以至于業(yè)者即便在標(biāo)準未定的狀態(tài)下，毅然投入?Hellberg 指出，5G能開創(chuàng)新服務(wù)、連接新產(chǎn)業(yè)與裝置、創(chuàng)造新使用者體驗，這些皆是以LTE-A以及4G+帶動的轉(zhuǎn)變?yōu)榛A(chǔ)，而未來LTE-A也將繼續(xù)演進。不僅如此，5G不只是提高峰值速率，更將滿足未來10年不斷擴大的連網(wǎng)需求，同時無縫運用4G與無線區(qū)域網(wǎng)路(Wi-Fi)領(lǐng)域的投入成果。
未來，5G將促進行動寬頻的演進，但更重要的是，其將更具備規(guī)模彈性以支援更極端的使用情況，從連接大量的物件到新服務(wù)如超穩(wěn)定的任務(wù)臨界管控。Hellberg強調(diào)，5G將提供無邊際的連網(wǎng)體驗，裝置不再只是終點，而是提供全新的連接和互動方式，并帶來一致的體驗，例如無所不在的高速數(shù)據(jù)傳輸和基地臺邊際的限制。而統(tǒng)一的5G平臺將建于OFDM基礎(chǔ)上，支援所有頻譜類型與頻段，可彈性容納新服務(wù)與各種營運模式。
5G與通訊、儲存、處理……各方面均密不可分
羅德史瓦茲(R&S)應(yīng)用工程支援部經(jīng)理林志龍表示，4K、8K電視將是5G市場發(fā)展底層推手，以及對影像或視訊即時回傳需求大的應(yīng)用，如救災(zāi)工作，將更有5G發(fā)揮的空間。反而智慧型手機應(yīng)用不再是主要推動力，這是由于相較之下，智慧型手機應(yīng)用還是相當(dāng)有限，一般的使用者可能不需要那么高的頻寬。張路則認為，使用者或新應(yīng)用對于頻寬的需求，物聯(lián)網(wǎng)及涵蓋其中的智慧家庭(Smart Home)、車對車(V2V)、智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施、遠近程醫(yī)療或是工業(yè)應(yīng)用，都是讓5G快速萌芽的“養(yǎng)分”。
從5G技術(shù)演進來看，5G有部份技術(shù)的更新與采用是為了因應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)而設(shè)計。李思柏分析，在可預(yù)見的未來物聯(lián)網(wǎng)時代中，機器與人的溝通將擴展至大量的機器對機器(M2M)的連結(jié)，另外，未來的影像資料傳輸量，將占總體網(wǎng)路資料傳輸量的70%，這些都將促使行動網(wǎng)路傳輸速率的再提升，而5G的高傳輸速率與更高的網(wǎng)路穩(wěn)定性恰好能符合上述應(yīng)用所需。
目前，或許每個人都認為5G是指4G后的第五代行動通訊技術(shù)，但5G并不僅止于此。德國德勒斯登工業(yè)大學(xué)(TU Dresden)通訊網(wǎng)路教授Frank Fitzek在日前的歐洲國際半導(dǎo)體展中強調(diào)“5G技術(shù)更是為了物聯(lián)網(wǎng)裝置的控制與操縱而打造的。”
美國國家儀器(NI)大中華區(qū)市場經(jīng)理湯敏也認同這一看法。她表示5G能夠讓物聯(lián)網(wǎng)的概念落實，而物聯(lián)網(wǎng)則有利促進5G未來的通訊技術(shù)發(fā)展，“物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)講了很多年了，如今拜5G之賜正進一步讓工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)應(yīng)用場景落地實現(xiàn)，這2種技術(shù)即將展現(xiàn)1+1大于2的趨勢!”
盡管5G將從4G發(fā)展而來，在LTE蜂巢式技術(shù)上強調(diào)更大的資料量與頻寬，但5G更關(guān)系到物聯(lián)網(wǎng)。NI技術(shù)經(jīng)理潘建安進一步解釋，“5G除了追求更高速率，另一方面也著眼于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中要求更長電池續(xù)航力、更省電且低功耗傳輸?shù)腗2M與裝置對裝置(D2D)通訊，而在這方面沿用的就是802.11的架構(gòu)。”
市場或各家業(yè)者紛紛預(yù)測5G殺手級應(yīng)用的同時，Hellberg 則有不同看法。他認為，“5G技術(shù)三大服務(wù)類別包括：增進行動寬頻規(guī)模至超寬頻、能夠連接低功率/復(fù)雜度物件等大量物件、超穩(wěn)定任務(wù)臨界管理等新服務(wù)，然而5G標(biāo)準化進程才剛起步，若要判斷哪個應(yīng)用市場會率先引進上言之過早，但增強型5G行動寬頻服務(wù)預(yù)估將成為首批5G技術(shù)試驗及商用項目，以做為最根本的服務(wù)。”
5G技術(shù)“大躍進”
雖然5G技術(shù)可創(chuàng)造新的應(yīng)用服務(wù)商機，但要發(fā)展5G真正將晶片、設(shè)備、終端裝置…等開發(fā)出來，可不是件簡單的事。Gartner物聯(lián)網(wǎng)與無線部門研究副總裁洪岑維表示，事實上，所謂“真正”稱得上是5G的技術(shù)目前皆尚未開發(fā)出來，各家廠商都還在戮力研究中。
市場或業(yè)界對于行動網(wǎng)路技術(shù)的三個新需求——亦為對5G技術(shù)的新要求——傳輸速率更快速行動寬頻、高效能且低延遲，以及支援機器間的通訊。而這三項需求看似目前的4G已可滿足，但實際上卻相當(dāng)嚴苛。根據(jù)國際電訊聯(lián)盟(ITU)公開5G的網(wǎng)路標(biāo)準，其傳輸速度為20Gbps，目前最快的4G網(wǎng)路傳輸為150Mbps，這即為上述更快速傳輸速率的需求。低延遲的需求是指資料從A點傳輸至B點時，在最慢1毫秒(ms)及99.999%的時間點內(nèi)就得完成;而支援機器間通訊的需求即是M2M。
ITU為5G網(wǎng)路制定目標(biāo)
上述三個需求也衍生了5G技術(shù)的五大技術(shù)挑戰(zhàn)。洪岑維進一步解釋，五大技術(shù)挑戰(zhàn)包括毫米波(mmWave)、大規(guī)模多重輸入多重輸出(Massive MIMO)、M2M、智慧裝置，以及節(jié)點為中心的網(wǎng)路(Node-Centric Network)。為了提升傳輸速度，勢必使用更高頻的頻段，據(jù)了解，5G將使用6G~300GHz頻段，此超高頻段已非新技術(shù)，軍方早已使用，但即便如此，5G也將面臨新的問題——訊號穿透率——高頻訊號將很難穿透一般建筑物的墻壁，需在空曠處才能有較佳的連線品質(zhì)。
現(xiàn)今的4G技術(shù)發(fā)展至2×2或2×4最多到4×4 MIMO已具備相當(dāng)?shù)募夹g(shù)挑戰(zhàn)，5G的Massive MIMO從字面上來看就“不簡單”。洪岑維表示，5G由于要因應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中大量裝置間的聯(lián)系，因此設(shè)計32×32或64×64 MIMO的架構(gòu)。不僅如此，每一根MIMO天線都要能夠進行波束成型(Beamingforming)，也就是說，一旦裝置與基地臺的連線確立后，即使裝置開始移動，這樣的連線機制與波束成型的功能都不能因此中斷。
現(xiàn)今蜂巢式Cellular技術(shù)架構(gòu)仍是以基地臺(BS)為主，但是傳送到遠端的建筑物中訊號不僅會減弱，傳輸速度也無法保持原有的品質(zhì)，因此5G節(jié)點為中心的網(wǎng)路架構(gòu)則是在室內(nèi)布建支援毫米波的小型基地臺，如此一來，遠端的基地臺就可以換手(Hand-off)給室內(nèi)或房間的基地臺，提升訊號傳輸覆蓋率的品質(zhì)，也能提高資料傳輸速度。不過這中間的傳輸機制該如何制訂、不同廠牌間的基地臺該如何互通或順利進行換手，將相當(dāng)考驗電信營運商或網(wǎng)通設(shè)備商的智慧。
在M2M的部分，愛立信集團技術(shù)部亞太區(qū)技術(shù)長Magnus Ewerbring指出，2020年全球?qū)⒂?60億個聯(lián)網(wǎng)裝置，M2M即占73.2億臺，這些龐大的裝置要能同時連上網(wǎng)路并進一步互通，對電信業(yè)者將是很大的技術(shù)挑戰(zhàn)。也因此，若5G技術(shù)要能滿足上述條件，不僅延遲時間不能高于1ms，且也須在時間點內(nèi)完成資料的傳輸，亦即網(wǎng)路傳輸?shù)男实迷偬岣摺?/p>
Ewerbring簡單統(tǒng)整5G技術(shù)挑戰(zhàn)，包括行動寬頻資料傳輸速率提高10~100倍、延遲時間再縮短5倍，但連網(wǎng)裝置功耗卻得低上10倍。李思柏強調(diào)，4G跨到5G技術(shù)中間有一定的技術(shù)挑戰(zhàn)，除了換手機制、連線品質(zhì)的再升級外，干擾問題、新頻譜的使用、毫米波等問題的克服亦相當(dāng)重要。洪岑維則坦言，業(yè)者們?nèi)栽诔掷m(xù)思考能以那些現(xiàn)有或新技術(shù)實現(xiàn)5G的技術(shù)架構(gòu)。
標(biāo)準、政治角力也影響5G發(fā)展
如果你認為5G發(fā)展挑戰(zhàn)只有上述所提，那就是把5G技術(shù)想得太簡單了。羅德史瓦茲應(yīng)用支援經(jīng)理陳飛宇表示，5G和4G間的技術(shù)差異真的相當(dāng)大，然而除此之外，還需考量技術(shù)以外的問題。
現(xiàn)階段，由于標(biāo)準未定，因此5G技術(shù)的發(fā)展處于“多頭馬車”的狀態(tài)。林志龍認為，各家甚至各地區(qū)相關(guān)業(yè)者發(fā)展5G技術(shù)尚未有共識，雖然ITU、3GPP等國際單位正在研擬相關(guān)5G規(guī)范，但是日韓或是美國電信業(yè)者，以及晶片商或設(shè)備供應(yīng)商等率先在標(biāo)準底定前發(fā)展5G網(wǎng)路，目的就是為了要取得市場與標(biāo)準制定的主導(dǎo)權(quán)。
舉例來說，4G技術(shù)美國本想取得“主控權(quán)”，但因VoLTE(Voice over LTE)、載波聚合等關(guān)鍵技術(shù)韓國發(fā)展較快，也因此韓國掌握較多“資源”，在4G發(fā)展上“講話也比較大聲”。有此先例，也促使韓國電信搶先建置5G技術(shù)，以期可贏得市場先機，成為5G標(biāo)準規(guī)范或市場主導(dǎo)者;而其他國家如臺灣、美國及日本電信商為了不讓韓國專美于前，也紛紛急起直追。
除了標(biāo)準未定外，各國間的頻譜角力戰(zhàn)也可能影響5G標(biāo)準制定的進行，甚至市場發(fā)展。林志龍指出，目前尚未確定5G采用的頻段會落在何處，只知道會采用尚未使用的200MHz及6~300GHz以上的高頻段，而隨著各國搶先開臺，采用的頻段各不相同時，漫游費用若是談不攏、各家業(yè)者搶著當(dāng)領(lǐng)導(dǎo)者，如此裝置的漫游就會發(fā)生問題，若是晶片得支援每個被使用的頻段，則不僅成本會很高，功耗也會提升。
業(yè)者積極布局5G技術(shù)
5G的標(biāo)準究竟何時底定?目前所知是2017年時，會有初步的版本出來，2020年5G將可正式開臺。不過即便標(biāo)準未定，業(yè)者已開始搶先布局，其中以量測儀器廠商及設(shè)備商的腳步最快。Ewerbring表示，3GPP持續(xù)推出LTE新標(biāo)準，如Rel.10、11、12等演進版本，或是針對M2M制定的LTE-M，以及NB-LTE，都是讓廠商循序漸進由4G過渡到5G的重要方式，只要遵循此進程，業(yè)者研發(fā)的5G產(chǎn)品將不會有太大的“失準”。
·先進測試驗證方案加速5G研究 盡管系統(tǒng)業(yè)者、元件商與營運商對于5G的未來發(fā)展看法不同，甚至還存在政治角力，但從技術(shù)上來看目標(biāo)是一致的。是德科技(Keysight Technologies)行銷處副總經(jīng)理羅大鈞指出，“5G的終極目標(biāo)在于將傳輸速率提高到GHz/s等級、小于1ms的低延遲與低功耗等，為此，更重要的是定義哪一個頻道的應(yīng)用。”
羅大鈞進一步解釋，針對6GHz頻段以下的5G測試，現(xiàn)有的2G、3G與4G方案已能滿足需求，目前全球各地研究單位看好的是毫米波頻段，但對于這一頻段的通道瞭解有限，需要更前端的通道探測(channel sounding)途徑掌握通道特性與建模。為此，是德科技在現(xiàn)有的5G測試方案外，率先提供通道探測解決方案，整合毫米波、超寬頻頻寬與MIMO技術(shù)，協(xié)助研究單位加速更先進的5G通道探測研究。
NI更進一步提供從原型開發(fā)、演算法部署與驗證，以及最后發(fā)布到機房進行實測的完整系統(tǒng)，期望協(xié)助客戶盡早走出實驗室。湯敏表示，“5G標(biāo)準化進程雖然還在發(fā)展中，但業(yè)界廠商已經(jīng)在主要技術(shù)方面達成了共識。舉凡Massive MIMO、波束成形與毫米波等各種與5G技術(shù)有關(guān)的驗證與測試，以及無論是強調(diào)更高速的蜂巢式通訊還是瞄準超低功耗的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，NI均提供了相應(yīng)的方案架構(gòu)，不但為還在實驗階段的5G研究提供演算法與標(biāo)準化驗證，另一方面也協(xié)助營運商進行實測。”
羅德史瓦茲自然也不會在此市場缺席。陳飛宇指出，除了先前軍方已使用的毫米波技術(shù)，以及因應(yīng)5G采用高頻的趨勢，羅德史瓦茲持續(xù)增加現(xiàn)有儀器產(chǎn)品如頻譜分析儀、訊號產(chǎn)生器等支援的頻寬，以滿足測試需求外，針對5G產(chǎn)線端的測試儀器，將有新的測試機種問世。
·晶片商等待標(biāo)準才有進一步計畫 Hellberg強調(diào)，5G標(biāo)準化工作剛從2015年9月中開始，預(yù)計至2020年才會正式商用，由于5G尚未定義完成，討論產(chǎn)品還言之過早。張路亦認為，5G標(biāo)準未定，因此Marvell尚未有明確的5G產(chǎn)品計畫出爐。
分析現(xiàn)有晶片商或網(wǎng)通設(shè)備供應(yīng)商在5G市場的競爭力，洪岑維透露，英特爾(Intel)、高通、聯(lián)發(fā)科(MedaiTek)、三星(Samsung)等較有機會勝出，主要關(guān)鍵是“口袋夠深”;網(wǎng)通廠的部份則是愛立信、華為、諾基亞、三星、中興等。林志龍則認為，展訊背后有官方支持，加上4G晶片市場展訊(Spreadtrum)已逐步追趕上來，其未來發(fā)展態(tài)勢也不容小覷。
臺灣產(chǎn)官學(xué)齊力斷金 領(lǐng)跑5G Small Cell
臺灣在5G的技術(shù)專利或參與國際標(biāo)準制定上相當(dāng)積極，不可諱言，是為迎頭趕上國際大廠的腳步，不想重蹈2G到4G都只能當(dāng)跟隨者的覆轍。林志龍表示，由于5G要求更高的傳輸穩(wěn)定性、可靠性與更好的網(wǎng)路覆蓋率，并得解決高頻訊號遮蔽的問題，因此小型基地臺(Small Cell)將具備舉足輕重的角色。
而臺灣在5G小型基地臺的市場相當(dāng)有優(yōu)勢，這是由于臺灣小型基地臺具備“一條龍”的研發(fā)優(yōu)勢，因此臺灣官方與產(chǎn)學(xué)界戮力參與標(biāo)準制定，以期協(xié)助臺灣小型基地臺制造商有更多的產(chǎn)品設(shè)計主導(dǎo)空間，而不再只是代工。
李思柏則認為，每個國家政府都會扶植自有廠商的發(fā)展，并導(dǎo)引業(yè)者朝對的、具優(yōu)勢的產(chǎn)業(yè)前進。林志龍也強調(diào)，小型基地臺由于系統(tǒng)架構(gòu)較小，技術(shù)門檻相對較低，因此是臺灣局端業(yè)者，甚至先前發(fā)展WiMAX的用戶端(CPE)廠商可鎖定的目標(biāo)市場。
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