5G來了！你不可不知的技術趨勢與標準

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作者：葉奕緯 來源：ctimes

2017年，5G技術的應用已經被大眾所知，例如自動駕駛、個人AI助手、遠程醫療等，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數據，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

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的可見光無線通信(VLC)技術，能利用發光二極體(LED)燈泡的光波傳輸數據，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程離通信。

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。

而目前的第五代移動通訊系統(5G)標準，雖然預計將於2018年中訂出，但下一代移動網路聯盟(Next Generation Mobile Networks Alliance)則早先定義了5G網路的要求：以10Mbps的數據傳輸速率支持數萬用戶；以1Gbps的數據傳輸速率同時提供給在同一樓辦公的許多人員等等規定；支持數十萬的並發連接以用於支持大規模感測器網路的部署等。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 Society)

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于軍事上，另外則是有成本的考慮。

成本的考慮又是什麼？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」。為什麼智能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(智能手機)，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 MBA)

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聯機（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；而韓國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的移動服務。

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服務的網路設備供貨商。

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。

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