2018年03月24日 | 5G来了！ 你不可不知的技术趋势与标准

2017年，5G技术的应用已经被大众所知，举凡自动驾驶、个人AI助手、远距医疗等，都将因为5G技术的突破而实现，到底5G与4G技术的差异在哪里呢？ 这就得从有线、无线传输开始说起。

顾名思义，有线传输代表透过实体介质传送数据，而无线传输则是透过电磁波传送讯号到基地台，接着转往电信系统商的机房传输。 以有线传输来说，目前单条光纤最高速度已经能达到26Tbps，几乎是传统网速的上万倍之快，因此，当前世界各国苦心钻研的，是打破无线传输的速度限制。

图1 : 整合物联网的全新网络
除了常见的电磁波传送外，近年窜红的还有光波传输Li-Fi(Light Fidelity)，是相当于Wi-Fi的可见光无线通信(VLC)技术，能利用发光二极管(LED)灯泡的光波传输数据，除能提供照明与无线联网， 还可避免产生电磁干扰。

然而在无线传输技术的研发主流上，仍是以电磁波传输为主，其中的频率范围扮演了重要角色，它的公式原理也很简单─频率越低(如特低频VLF，3-30KHz)，速度越慢，同时它的波长也就越长(长波，1,000Km-100Km)， 传输范围更广，目前主要的应用为远距离通信。

反之亦然，频率越高(至高频EHF，30-300GHz)，速度越快，波长越短(毫米波，10mm-1mm)，传播范围也就越短。

目前中华电信使用的4G频段包含900、1800、2100、2600MHz四个频段，台湾大哥大支持700、1800两个频段，远传则支持700、1800、2600 三个频段。 台湾的主流电信商大多使用的是超高频(UHF，0.3-3GHz)技术。 总而言之，台湾目前是以使用高频率、大带宽，速度快的频段为主。

而目前的第五代行动通讯系统(5G)标准，虽然预计将于2018年中订出，但下一代行动网络联盟(Next Generation Mobile Networks Alliance) 则早先定义了5G网络的要求：以10Mbps的数据传输速率支持数万用户；以1Gbps的数据传输速率同时提供给在同一楼办公的许多人员等等规定；支持数十万的并发连接以用于支持大规模传感器网络的部署等。 成为各大电信系统商欲达成的目标。

5G厉害在哪里？



图2 : 5G特点示意图(Source:IEEE Computer Society)
5G并不是简单提升速度就好，它还得包含许多特性：包括毫米波、MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)、波束赋形、D2D等。 所谓的毫米波，也就是前述所提到的高频，然而为什么我们过去不使用速度更快的高频呢？ 是因为高频过去多半运用于军事上，另外则是有成本的考虑。

成本的考虑又是什么？ 假使电磁波的频率越高，波长就越长，连带地它的绕射能力也就越差，就如同卫星通讯及GPS导航一样，对于传输方向有一定要求，因此，电信系统商就得兴建更多的基地站来传递讯号，成本也就跟着水涨船高。 举例来说，原本一个4G的基地台就能覆盖的范围，5G基地台就得装设6-8个基地台才够用。

为了解决这项问题，多数电信商会使用微型基地台(Microcell)，来取代过往的大基地台，成本也能跟着下降，这时也会引发一些疑虑，如果架设了这么多的基地台，会不会造成更多的辐射污染呢？

这可以用一种简单的模拟来说明：在一间房间里，用一个大功率的暖炉好，还是数个小功率的暖炉好呢？ 答案当然是后者，因为后者的覆盖良好，热能不会集中于某区域散播，而是相对分散，并且速度快，功率影响也更小。

而MIMO又是什么呢？ 答案是装设「更多的天线」。 为什么智能型手机内能容纳更多支天线呢？ 是因为当频率越高时，波长短，天线也就跟着缩短。 过去的大哥大多有一只长长的天线，而今日却已经不常见了，并不是因为它们不再被需要，而是缩小嵌入整只手机里头去了。

而5G时代使用的毫米波，天线也能再度缩小。 因此，除了可以将更多的天线塞入手机外，微型基地台内也能放入更多的天线，接收与发送讯号的窗口越多，处理速度也能大幅增加，达到所谓的「多进多出」。

控制电磁波的传输方向

再来是具备高技术门坎的波束赋形。 电磁波的传输，一般是用四散、广播的方式传递讯号，然而我们通常只需要将讯号朝着某方向传递即可，多数的电磁波能量都被大幅浪费。

而波束赋形则是可以控制射频讯号，使得基地台站上的电磁波，能对准它提供服务的对象(智能型手机)，并随之改变方向。 透过此项精准传递讯号的服务，可以大大提升基地站的服务数量。



图3 : 多天线MIMO示意图(Source:Rick Janse Kok MBA)
最后一项5G特性─D2D(Device to Device)，则代表当日后使用5G技术时，不再需要透过基地台来转送讯号，即可让邻近的两台无线装置能够建立直接联机（Device-to-Device Link）来进行通讯， 大幅度地降低基地站的使用资源。

5G在生活中实现

而在什么时候才能够看到5G实现在日常生活中呢？ 目前已经有部分5G技术开始进行测试，例如美国AT&T和Verizon正测试家庭和企业的5G宽带固网；而南韩的电信商则希望趁着2018年平昌冬季奥运会时，能够提前让5G网络到位 ；世界各地的电信商则预估将在2020年开始提供5G的行动服务。

2017年11月，美国电信商Verizon也宣布在2018下半年将在加州推出业界第一个商用5G固定无线接入宽带网络服务，并在年底前扩张市场。 此外，Verizon宣布将和瑞典电信设备制造商Ericsson合作，Ericsson将成为2018年商用固定无线接入5G服务的网络设备供货商。

目前各家电信商正在进行多种模型的测试校正，包含网络的建立方式以及使用的电磁波频段，可预见的是，5G将是新一波的战场，胜出的技术和方案将成为业界标准，也能在新世代中取得领导地位。