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你今天5G了吗?
2030年後迎接B5G/6G时代

【作者: 季平】2023年04月24日 星期一

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自2020年7月第三代合作夥伴计画(3GPP)宣布5G R16技术标准制定完成,截至2021年4月,全球已有435家电信业者投入5G网路建置,162家电信业者在68国推出5G商用网路。


随後,多家业者投入B5G技术研究,如人工智慧(AI)、第六代超高速通讯潜力技术太赫兹通讯(Terahertz Communication)、零耗能通讯(Energy-free Communication)、先进巨量天线(Advanced Massive MIMO Antenna)、低轨道卫星通讯(LEO Communication )、公分级定位(CM-level Positioning)等。国际标准组织(ITU)、3GPP也陆续启动B5G/6G情境,以及技术标准方面的讨论,预计2030年後进入B5G/6G时代。


5G世代有点冷?!

第五代行动通讯(5G)是3GPP组织所提出的通讯标准。相较於4G,5G具有高速传输(Speed)、超低延迟(Latency)、巨量连结(Connections)等特性,赋予更多智慧应用的可能性,如自驾车、智慧医疗、智慧工厂、智慧城市等,有助未来产业数位转型,甚至改变人们的生活方式。不过,相较於4G时代,5G让人很「无感」,不论是从5G手机渗透率或5G毫米波的技术应用面来看都「没有惊喜」,或许是因为5G发展时间尚短也未可知。


5G的网路速度比4G快约100倍,延迟时间相较於4G则缩短了近50倍,5G的优点有助发展物联网(IoT)、车联网(V2X)、元宇宙等新科技,但缺点是在讯号传输的过程中有高频路径耗损、传输耗损,加上低穿墙特性,使得5G基地台彼此间必须更加紧密,在建物密集的城市地区若想提高网路覆盖率并兼顾传输效果,基地台建置数量异常可观,连带提高建置成本,而建置成本无法降低也会影响5G产品及服务的使用率及普及率。


以一般民众最有感的智慧手机来说,犹记2019年底至2020年初,台湾电信五雄抢标5G频段进入肉搏战,最後创下1,421.91亿元史上最高、全球第三高标金的纪录,如果将2020年6月30日中华电信5G开台视为台湾正式进入5G时代,近3年来,似??没有再出现媲美2018年4G吃到饱的「499之乱」盛况。


若从GSMA 2022年第四季台湾5G用户渗透率观察,台湾仅达35.31%,全球排名第七,虽然台湾开台略晚,仍相对落後其他亚洲国家和地区,香港、韩国、中国、日本的渗透率分别为56.71%、53%、42.38%及41.75%。至於NCC统计数据则显示,2023年1月底台湾5G用户约达686万,推估3月初已突破700万。


虽然如此,迄今仍不见5G版的「499之乱」,可能是因为5G建置成本仍高,资费方案降不下来,习惯低资费吃到饱的台湾消费者深感诱因不足,不少人还停留在4G时代;再方面,5G的覆盖率与通讯品质是否到位,也是消费者是否有冲动「改朝换代」的考量因素之一。



图一 : 各代通讯技术行动用户数。(source:Omdia)
图一 : 各代通讯技术行动用户数。(source:Omdia)

5G使用两种频段,一是Sub 6GHz(应用频率为6G Hz以下),与4G LTE 频段接近,属於低频5G;二是毫米波mmWave(应用频率为24GHz以上),属於高频5G,如果5G毫米波宽频技术可以搭配低功率消耗、覆盖能力广的sub 6GHz窄频技术,就能同时满足短距及长距通讯要求。但5G的建置成本、营运成本及应用效率目前来看仍是暗伤,未来如何与其他频段搭配仍有待观察。


财团法人国家实验研究院(National Applied Research Laboratories)比较4G及5G基地台的建置,5G基地台之间的平均距离为 250-300公尺,考量各种潜在障碍的影响,多数设备设计人员将距离设定为150-200公尺。假设在最密集的城市地区建置基地台,5G需要使用8台,4G则是3台,对於无线营运商来说,5G的营运成本确实高出许多。


《CTimes零组件杂志》编辑部2022年底回顾年度最失??5大科技,名列第一的就是5G毫米波。诚然,毫米波藉由高频讯号可以提供更大的频宽,但优势反而拖自己後腿,原来期??毫米波能让都会区的5G通讯更为顺畅,实际应用时却发现「障碍赛」对5G毫米波来说特别有难度,显然在都市场域中有些水土不服。


虽然业界提出每一路囗街灯设置小型基地台以延伸讯号范围,但无形中却提高建置成本,让有意於5G的业者打了退堂鼓。即便是封闭式智慧厂房,也因为多半采用既有的工业通讯协定,真正使用5G毫米波作为企业专网的工厂少之又少,大部分还是以6GHz以下频段为主。换言之,没有5G工厂依然运转,有了5G却可能徒增烦恼,5G毫米波的落地普及率只能继续尴尬中。


GSMA(Groupe Speciale Mobile Association)的统计数据从另一个角度看5G发展。截至2023年1月,全球计有230家运营商推出行动5G服务,许多非洲和亚洲发展中市场也将於2030年推出5G服务。虽然全球的5G使用率似??逐步扩大,超过50%的受访者却认为,5G只是速度升级,而非真正的新技术,导致5G服务的价格压力与市场竞争同步加剧。GSMA建议,通讯产业应深化5G应用与渗透率,努力增加变现机会。



图二 : B5G及6G使用场景初步思考。(source:Samsung,MIC整理,2022年10月)
图二 : B5G及6G使用场景初步思考。(source:Samsung,MIC整理,2022年10月)

5G下一站:B5G/6B

从4G、5G到6G世代,行动通讯几??是每一个十年就会带来重大变革,比方4G世代带来新服务和新体验,开启民众对数位生活的想像与应用;5G世代改变产业型态,走向万物联网时代。在持续深化5G渗透率与应用下,Beyond 5G(B5G)已经开启众人对6G世界的想像。


未来6G世代可??扩展AI、3D、数位孪生、感测等相关技术的连结与应用,走向智慧联网新时代,对於消费者来说,则是更能体会到沉浸式体验的迷人魅力。


虽然5G过去几年似??缺乏「杀手级应用」,却已广泛应用在需要更高传输速度、更广覆盖、更高可靠度、更低延迟性的AI、机器人、自驾车、低轨卫星、无人机等领域,技术发展逐步驱动行动通讯朝B5G发展。比方5G无法满足触觉网路、全息影像等超大频宽应用,可以透过B5G通讯服务采用更高频段(90 GHz-1 THz)达到更好的效果。


B5G峰值传输速度较5G快10倍至100倍,具有较低的传输时延(仅0.1毫秒),可解决5G耗能与覆盖性不足等问题,目前锁定低轨道卫星(离地300-1,500公里)发展。在频谱使用上,B5G从毫米波频段(30-300 GHz)扩展到太赫兹频段(100 GHz-30 THz),可以强化5G大频宽、低延迟的服务内容,如全息影像与空间认知、联网机器人控制、联网无人机控制、高画质影像解析雷达、网路流量卸载等。


至於6G所使用的频谱范围包含毫米波频段与太赫兹频段。国际电信联盟无线电通信部门(ITU-R)早於2021年成立6G愿景小组,2023年世界无线电通讯大会(WRC)预计在2027年分配6G频谱资源。目前的R18标准预计於2024年3月冻结,6G则预计在R20、R21开始标准化作业。



图三 : 工研院举办「MWC 2023行动通讯大展重点趋势研讨会。(source:工研院)
图三 : 工研院举办「MWC 2023行动通讯大展重点趋势研讨会。(source:工研院)

资策会(MIC)资深产业分析师兼专案经理锺晓君认为,B5G/6G是延迟、速率、容量、设备连接量等各层面的升级,如果5G世代是将行动通讯市场从一般消费者转往垂直领域的企业应用端,未来,随着通讯技术、服务和终端设备发展更到位,会产生更具震撼力的应用场景。


不过,从5G到6G,基础建设仍是重中之重,尤其全球行动流量成长快速,需要更多小型化基地台和频谱资源支援,因此,未来需思考跨架构、频谱与无线接取技术等面向,纳入5G的三种架构:增强型行动宽频(eMBB)、超可靠低延迟通讯(URLLC)及大规模机器型通讯(mMTC),融合AI、云端、开源软体等技术,才能产生更多新的智慧化使用场景。


此外,还有技术面待克服,比方发展B5G/6G的热门技术之一:智慧反射面板(RIS)具有调整方向及曲率、特定方向聚焦、重定向讯号及重构元件组成表面等特性,达到反向散射、聚集或吸收能量、提高接收器讯号品质等效果。不过,RIS需要和基地台搭配,须考量建置性能和成本效益等问题,以及如何维持RIS的低功耗性能。


锺晓君指出,5G虽然在能效表现上优於4G,整体功耗却远高於4G,至於6G发展的主要驱动力之一是永续,追求覆盖更全面、设备连接更无缝、使用体验更真实的通讯技术,可以透过新材料、新设计、原生AI、回收再利用等方式,打造更高效、对环境影响更低的6G网路。据规划,6G的正式名称将订为「IMT-2030」。


现在到2030年进入B5G/6G时代不到7年时间,除了5G仍持续布建,不少国家和企业已瞄准6G通讯技术。工研院产业科技国际策略发展所所长林昭宪认为,疫情加速企业营运和个人生活的数位转型,带动远距和零接触应用服务的市场需求,也促进行动通讯技术突破及设备升级。一如2023世界行动通讯大会(MWC)揭示「後5G时代」趋势,5G到2030年後的B5G/6G之路,台湾应如何超前部署?工研院提出以下观点:



图四 : 远传总座井琪(左四)率经营团队出席「2023 世界行动通讯大会」。(source:远传FET)
图四 : 远传总座井琪(左四)率经营团队出席「2023 世界行动通讯大会」。(source:远传FET)

1.强化5G智慧化联通,扮演数位转型支持者

5G技术标准已迈入5G-Advanced阶段,行动通讯产业多已投入人工智慧及机器学习(Machine Learning)的研发与应用以改善网路智慧化,包含无人载具和XR等方面的应用。延续RedCap(Reduced Capability)物联网技术标准的发展趋势,各大厂可以更加关注元宇宙应用、AI整合、开放架构、绿网节能等议题,甚至提前布局,如诺基亚(NOKIA)发表的Open RAN新产品,NTT docomo跨足SI业务,思科(CISCO)、恩益禧(NEC)、爱立信(Ericsson)将AI导入模拟、流量监控与能耗管理。应用方面,由於5G加速和低延迟性能已渐趋发展成熟,建议业者在元宇宙、无人载具、连网汽车解决方案领域中,持续开拓新的应用机会。


2.将6G技术纳入净零排放思维,打造全覆盖立体通讯

MWC 2023勾勒下阶段通讯技术,为6G技术标准做铺陈,除了强化通讯功能,也将「净零排放」思维纳入开发产品及企业经营理念之中。未来在技术发展上将会更广泛地结合AI/ML、智慧反射面板(RIS)等工具,提高基地台的通讯效能及扩大覆盖范围,促进智慧能源调控、混合电力与储能设施等应用。


非地面网路(NTN)通讯是另一个发展重点,如多卫星轨道(GEO、MEO、LEO)通讯的情境展示、高空平台(High Altitude Platform Station;HAPS)互补性、智慧手机连接卫星等方案,皆可应用於全球覆盖,甚至外太空通讯技术。如诺基亚(NOKIA)宣布和AST SpaceMobile及Vodafone合作,利用卫星手机直接讲语音电话;爱立信(Ericsson)、高通(Qualcomm)及泰雷斯集团(Thales)公布以太空为基础的网路计画,可以直接透过卫星通讯使用智慧手机。


结语

回过头看台湾的电信业布局,中华电信与诺基亚、爱立信已签署5G Advanced/6G合作备忘录,除了深化5G策略合作,也将推进台湾5G网路迈向B5G新阶段;台湾大与诺基亚签署「ESG & 5G合作备忘录出席」,引进5G-Advanced技术,布局下一代网路;远传与爱立信签订「B5G AI创新应用与永续网路合作备忘录」,深化B5G、AI智能网路及藉由开放全球网路应用程式介面(API)合作。


台湾的「5G元年」迄今不满3年,5G尚未坐稳「卫冕者宝座」,回头看4G还有粉丝不愿离开,而B5G/6G世代已经现身准备2030年接棒演出,老干新枝同台竞艳,通讯世界的未来7年想必很精采!


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