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由5G世代愿景探索通讯网络技术发展
软性议题同样需高度重视

【作者: MIC行動通訊研究團隊】2014年10月02日 星期四

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Samsung在2013年6月宣称开发出5G通讯技术,引起各界的高度重视,随后包括5GPPP和METIS等标准组织亦开始投入5G技术的探讨与研发,提早掀起各国于下世代行动通讯网络之技术竞争。基于在3G世代,Qualcomm掌控主要核心技术专利而成为3G世代最大赢家的前车之鉴,各国在5G技术之竞赛亦绝不会缺席。


5G通讯网络的概念与愿景

正当全球处于迎接4G通讯网络时代来临之际,Samsung于2013年6月宣称其开发出5G通讯的技术(5G标准目前尚未提出),为超快毫米波(mmWave)数据传输技术,搭配64组天线模块,于行动通讯毫米波ka频段(28 GHz)自适应式数组天线(adaptive array transceiver)的传输技术。


纽约大学为Samsung测试的结果显示,在两公里距离下、数据传输速率可超过1Gbps;在更短的距离内,数据传输速率有机会超过10Gbps,相较于LTE速率至少提升了10倍。



图一 : 下一代的行动通讯将会整合奈米技术、云端运算、MIMO、正交频分多址等技术,来满足消费者的需求。
图一 : 下一代的行动通讯将会整合奈米技术、云端运算、MIMO、正交频分多址等技术,来满足消费者的需求。

Samsung突破的关键技术在于64组天线模块,这64组智能天线可以于数十个奈秒内(nanosecond)快速切换至最佳的讯号收发模式。虽然如何把64组天线整合于行动装置中仍不清楚,且此技术目前尚在开发的初始阶段,然随着Samsung预计2020年进入商业量产阶段,以及韩国政府投资15亿美元加速5G技术开发,可见韩国政府与Samsung对于5G技术开发的雄心壮志。


5G (the fifth generation)将是一个实现全球无线信息网(Wireless World Wide Web,WWWW)的时代,亦即可达到所有行动终端可在全球范围进行漫游。因此,无论是数据传输速率的升级、延迟时间的缩短、带宽使用效率提升、传输讯号干扰抑制,以及整合全球不同国家和不同技术的能力需求等,其实在4G网络通讯的标准当中已有端倪。换言之,4G通讯网络技术是5G的前沿,只待5G时代的来临,这些技术将更显成熟。


5G无线通信网络的标准和规格虽尚未问世,现今却已有许多公司和研究单位开始推估5G未来的愿景,其中可推知5G标准可能与过去1G演进至4G、着重于速率提升的思维开始有些不同,而加入更多元的应用思考。因此,5G标准之发展除将持续提升过去标准规格如「传输速率提升」、「延迟时间缩短」、「带宽使用效益改善」、「传输讯号干扰抑制」和「各式存取技术整合」等,一旦硬件规格达到一定的水平时,包括后4G时代或5G时代,更应转向思索这些硬件规格将如何应用于日常生活之中。


5G「以人为本」的智能生活情境

因此,「以人为本」的情境仿真,将成为5G时代一个很重要的课题。简单地说,应思考如何以5G时代的高规格网络服务质量为基础,设计出更有利于促进人类方便、舒适、安全生活的云端服务和终端装置。



图二 : 5G的高质量网络服务愿景,将会改变人们的需求和习惯,「智能生活」终将实现。
图二 : 5G的高质量网络服务愿景,将会改变人们的需求和习惯,「智能生活」终将实现。

高画质影音的契机

过去,用户可能无法想象高画质的影音可以使用移动电话或平板计算机快速下载,甚至一边下载、一边观看都不会有网络等待时间。为了解决冗长的下载时间问题,用户可能会有两种做法,其一为利用其他更稳定的传输方式下载(如:有线传输或转至Wi-Fi网络等),其二为降低影音的画质需求来减少下载的时间量。


倘若4G或5G的世代中,允许我们能于数秒钟内传递完一部高画质的影音,用户还会忍受在行动装置上观看一部降低画质的电影吗?答案很清楚,用户的需求只会越来越高。当高画质的影音高速流窜于行动装置中,基于视觉上的享受,行动装置的屏幕型式、屏幕尺寸、屏幕分辨率、喇叭音响等硬件设计,势必将开始接受用户高规格需求的严苛挑战。


医疗云端服务的契机

一个高血压的患者以往皆是利用纸和笔记录每日的血压和脉搏,并将纸本记录于回诊时提供给医生参考,未来在医疗云端服务成熟下,倘若行动装置(移动电话、平板计算机或智能型手表等)藉由衍生设计高精准度的生物传感器(bio-sensor),搭配优质的云端网络服务,患者将可更方便地利用行动装置量测生理参数,并且随时更新云端的数据。此外,完善的应用软件设计可进一步针对危及生命的异常生理参数加以触发行动装置,进行通知医疗机构或亲人。


智能交通的契机

再举一例,一个开车的驾驶往往会因为视野死角的来车或行人,造成行车的意外事故,若驾驶能在事故发生前,接收到来车或行人的行动装置所发出的讯息,或许能减少事故的发生机率。未来驾驶的车可望在接受讯息后,能立即计算出危险的程度或发生事故的机率,并能精准计算出躲避事故发生最有效率的速度和方向,快速将方向盘、油门和煞车等控制权由驾驶手动切换至汽车的中控系统,利用汽车中控系统带领驾驶脱离危险事故或将伤害降至最低。


迄今,甚至于无人驾驶的智能汽车(具有自动导航、自动驾驶、自动停车、盲点检测等功能)概念和设计能量已经开始酝酿。这些应用虽于4G网络时代逐步提出,但随着普及率提升和其他崭新应用被提出,爆增的数据传输量将待下世代的5G通讯网络技术加以消化。


上述案例大略地反映了4G和5G的高质量网络服务愿景,将会改变人们的需求和习惯,并且依照人们不同的需求,革新了各式样的软件设计和终端设备。当云端、网络、终端设备、软件和用户的生活紧密地结合,「智能生活」终将实现。随着人们对于网络的依存度上升,未来产生的数据传输量也一定相当可观,以下本文将以暴增的数据量为例,回推5G对于硬件规格和标准的需求。



图三 : 通讯技术演进
图三 : 通讯技术演进

5G通讯网络的重点技术

数据传输速率、带宽增加与使用效益提升

未来预期剧增的数据量将达到(1)每单位面积内,无线网络的使用量提升1,000倍以上,以及(2)连网设备量提升10~100倍之程度,因此5G对数据传输速率需求相较于4G通讯网络而言,需至少增快10~100倍,主要采取的方法仍为提升数据传输速率以及拓展使用带宽。


主要方法有二。第一,开发更高频率的频段,例如毫米波技术的发展。然而毫米波虽有高速传输速率的优势,却同时因其高频特性,使其电磁波具有高度的指向性(或称为高度非等向性(anisotropic)),讯号分布的固体角(solid angle)小,致使可接收讯号的范围缩小。因此,为解决毫米波技术缺陷,将衍生出连网装置的智能型天线设计(如:自我适应性波束成型(adaptive beam forming)技术等)及其背后的算法优化。


第二,当考虑到电磁波的频率与带宽并非可予取予求时,高效率地使用既有的频段和带宽,效果如同将传输带宽再次拓展。从4G开始至未来5G通讯网络,强化带宽使用效益,例如:强化单一载波多重存取技术和载波聚合技术等,亦将成为重点技术之一。



图四 : 毫米波(mmWave)与自我适应式波束成形(beam forming)示意图
图四 : 毫米波(mmWave)与自我适应式波束成形(beam forming)示意图

延迟时间降低与网络涵盖率提升

另外,回到智能汽车的例子,当进行汽车间通讯应用时,来车发出的讯息、至驾驶的车接收讯息、至汽车中控系统的反应,时间往往非常短促。而延误双方汽车讯息的收发原因,除了壅塞的网络数据以外,端点的延迟时间和网络涵盖率不足,也可能造成讯号耽搁或遗失。因此,考虑未来更实时M2M(machine to machine)应用所需,端点与端点间(end-to-end)的延迟时间需要较4G技术再降低5倍。


网络讯号涵盖率,往往受限于地形、建筑物的建材或高度等影响,加上数据传输速率的提升或高频率频段的使用,又常伴随着传输范围缩减等问题。因此,如要在任何距离范围内皆可维持高速的传输速率,同时又能增强网络的涵盖范围,Wi-Fi热点(hot spot)的网络布建概念则是一个很好的参考方式。


亦即5G相较于4G技术,需更密集地布建Small Cell基地台,有助于网络渗透至室内或被遮蔽处,此外Small Cell基地台能使传统Macro Cell基地台的卸除数据率由45%提升至80%。Small Cell基地台虽拥有低功耗、体积小、成本低、架设与维修方便等优势,但密集的Small Cell之间存在的讯号干扰问题亦不可被忽视,故协调Small Cell间的干扰技术亦为重要技术之一。


终端降低功耗需求增加

最后在巨量的机器间通讯(Massive Machine Communication,MMC)的状况下,低功率消耗则成为额外的考虑重点,至少需为端点提供10倍的电池使用时间。在物联网的行列中,广泛地包括了装置对装置(Device-to-Device,D2D)、机器对机器(Machine- to-Machine,M2M)及交通工具与交通工具(Vehicle-to-Vehicle,V2V)等网络链接,未来此类终端彼此间联网的概念,都将在高速和高质量的5G通讯网络服务中,发挥得淋漓尽致。


结论

通讯网络蓬勃发展的过程中,许多划世代性的概念和商品(如:Smartphone等)不断地被推出,同时也革新了用户的需求。随着通讯网络的硬件技术迈向顶峰,预期更多的愿景将逐一被实现,包括超高画质影音、优质云端服务、智能交通等。5G高标准的硬件规格,能够让我们有更雄厚的基础去追求过去认为不可思议的梦想。


但是,当5G通讯时代的来临时,产业不该仅盲于持续精进硬件技术布局于未来的6G或7G,反而需要转向由以人为本的角度出发,巧思终端装置与应用软件的设计与开发。全球用户将可以透过一个方便的接口,漫游于全球的云端之中。更多富含创意的智能生活点子被激荡之后,才应从其中找寻硬件技术匮乏之处并加以改善。


对于熟稔硬件技术的台湾而言,上述的竞技赛中必然不能缺席。除此之外,产业更应思索如何发挥硬件设计强项,提出更多更有破坏性创意的终端设置,创造并且革新全球用户的习惯和需求。为避免未来硬件需求的饱和,培养更多的应用软件开发和云端设计的人才,也一刻不容延缓。最后、5G时代的来临,许多软性的议题将无法规避,且同样需要受到高度重视,这些议题包括如何提升通讯网络服务(包含云端服务)的质量、网络安全性以及保障个人隐私等。


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