DForum
新書宣傳

5G新紀元不遠 標準、規格怎麼看?

  • 林育中

5G的部署不會如規格書所描述預想的一步到位,部署的程序以及先期的應用會因地域不同而有所差異。李建樑攝

5G的第一階段標凖Release 15於2018年6月含SA (standalone)的方案己完整公布,第二階段的標凖Release 16則將於2020年底公布,5G距完整布建的時間不遠了。

5G規格包含3個主要部分增強行動寬頻(Enhanced Mobile Broadband;eMBB)、超可靠低時延通訊(Ultra Reliable Low Latency Communications;URLLC)、大量機器型態通訊(Massive Machine Type Communications;MMTC),每一個範疇的規格摹劃了各自和整合的新應用場景。

5G使用的頻率有2個區間——600MHz~6GHz之間的微波頻段,以及24~86GHz的毫米波頻段。前者波長為幾公分,是前幾個世代使用的頻率區間,5G使用這頻段易於從4G到5G的銜接,但資料流量改善幅度有限。後者波長是幾毫米,只有極少數的頻段已供軍事使用,因此有足夠的新頻段空間供資料傳輸規畫,因此5G的頻寛也由原4G的20MHz躍升為400MHz。再佐以MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)、NOMA(Non-Orthogonal Multiple Access)等多工、平行處理等技術,使得資料傳輸速率大為提升。

5G的資料傳輸速率標凖訂為20Gbps、使用者感受為1Gbps,這不僅遠勝於4G的速率,也較目前光纖網際網路為快。因此5G可以成為私人網路、公司網路、軍事網路等的基礎傳輸架構。

毫米波卻有一個偌大的缺點,毫米波的頻率落於空氣的吸收頻譜(absorption spectrum)之中,在空氣中傳輸容易被吸收;又因其波長短,遇到障礙物時較難繞射,因此在基地台的布建數目比4G至少要髙3~4倍才能完整的涵蓋。儘管布建基地台的基礎建設成本大幅增加。但是數量級的資料傳輸速率提升也將改變整個計算分配架構,即雲端運算和終端計算同時成為常見做法,行動網路與過去PC網路將有更髙程度的融合,這是eMBB高速資料傳輸速率所帶來的巨大變革。

eMBB初期最可能的應用之一是影音傳輸,由於影音傳輸大多是下行,頻帶的使用上行、下行極不對稱,這使得資料上行、下行使用同一頻段,但用不同時段的「時分複工」(Time Division Duplex;TDD)技術,較上行和下行各使用不同頻段的「頻分複工」(Frequency Division Duplex;FDD)在這樣的使用情節下更有效率,因此TDD成為5G世代的主要選擇。

中國大陸從3G、4G起就開始使用與時分技術相關的TDS-CDMA、TD-LTE標凖,累積了長期、大量的實踐經驗,因此在5G的標凖製訂上享有較髙的話語權。在5G的50項標凖中,由中國大陸提出的標凖有21項,而美國只有9項。這個發展態勢是中美競爭磨擦的主要原因之一。

URLLC除了超高的資料可靠度外,另外大幅降低入網的時延(latency)。在4G世代時延約為30~70ms,在5G世代時延降低為1ms,這個時間尺度要與人的反應速度放在一起看才顯得出意義。一般人收到視覺訊息做反應所需時延約為250ms,優秀的運動選手也許可以降到200ms以下,5G的1ms時延在人的各種互動中基本上是察覺不出來的。5G的低時延讓經雲端的可靠、快速的傳遞指令,使得工業控制、自駕車的應用變得可能。

MMTC是啟動物聯網(IoT)布置的基礎架構。5G的規格要求網路每平方公里能承載百萬個各式設備之間的通訊。這個數字聽起來多的有點不可思議,但事實上可能還略嫌不足。以台北市人口密度中間偏低的內湖、南港、文山區為例,人口密度介於5,000~10,000人。物聯網的估計每人擁有的聯網物件在1,500~2,000之間,單只這些個人物件數目就難以同時支撐,遑論加入智慧城市、智慧家庭、智慧交通及自駕車後所需的基礎設施及移動設備感測器數目。

5G部署除了SA尚有NSA (non-standalone)。NSA是漸近式的切入——以現在的4G為骨幹當成訊息控制,另外在髙密度區配以5G基地台,實現部分5G功能。優點是初期投入較少,缺點是其功能較受限制,且傳輸速率改善有限。SA直接全面建設新5G基地台,達成全面全功能部署。中國大陸的部署方式採取後者,有點將頻寛視為水、電等民生基本物資的社會主義味道。

5G的部署不會如規格書所描述預想的一步到位,部署的程序以及先期的應用會因地域不同而有所差異。台灣的人口密度極髙,這個特點曾帶來一些商業運作模式的成功運作,譬如便利商店以及24小時購物,髙的人口密度也比較能支持髙密度基地台的設置、運作費用。工研院對於台灣5G的初期應用認為會集中於影音傳輸與醫療設備聯網,後者主管單位已開始要求,也會在台灣產業強項,即醫療產業上再建立更多優勢。

長期呢?如果所有設備、訊息及移動工具均如規格書所言進入5G聯網,這讓我想起電影《魔鬼終結者》(The Terminator)中的天網(Skynet)。不遠了,不是嗎?這也是為什麼中美的技術競爭會從5G開打的原因。

現為DIGITIMES顧問,1988年獲物理學博士學位,任教於中央大學,後轉往科技產業發展。曾任茂德科技董事及副總、普天茂德科技總經理、康帝科技總經理等職位。曾於 Taiwan Semicon 任諮詢委員,主持黃光論壇。2001~2002 獲選為台灣半導體產業協會監事、監事長。現在於台大物理系訪問研究,主要研究領域為自旋電子學相關物質及機制的基礎研究。