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你今天5G了嗎?
2030年後迎接B5G/6G時代

【作者: 季平】   2023年04月24日 星期一

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自2020年7月第三代合作夥伴計畫(3GPP)宣布5G R16技術標準制定完成,截至2021年4月,全球已有435家電信業者投入5G網路建置,162家電信業者在68國推出5G商用網路。


隨後,多家業者投入B5G技術研究,如人工智慧(AI)、第六代超高速通訊潛力技術太赫茲通訊(Terahertz Communication)、零耗能通訊(Energy-free Communication)、先進巨量天線(Advanced Massive MIMO Antenna)、低軌道衛星通訊(LEO Communication )、公分級定位(CM-level Positioning)等。國際標準組織(ITU)、3GPP也陸續啟動B5G/6G情境,以及技術標準方面的討論,預計2030年後進入B5G/6G時代。


5G世代有點冷?!

第五代行動通訊(5G)是3GPP組織所提出的通訊標準。相較於4G,5G具有高速傳輸(Speed)、超低延遲(Latency)、巨量連結(Connections)等特性,賦予更多智慧應用的可能性,如自駕車、智慧醫療、智慧工廠、智慧城市等,有助未來產業數位轉型,甚至改變人們的生活方式。不過,相較於4G時代,5G讓人很「無感」,不論是從5G手機滲透率或5G毫米波的技術應用面來看都「沒有驚喜」,或許是因為5G發展時間尚短也未可知。


5G的網路速度比4G快約100倍,延遲時間相較於4G則縮短了近50倍,5G的優點有助發展物聯網(IoT)、車聯網(V2X)、元宇宙等新科技,但缺點是在訊號傳輸的過程中有高頻路徑耗損、傳輸耗損,加上低穿牆特性,使得5G基地台彼此間必須更加緊密,在建物密集的城市地區若想提高網路覆蓋率並兼顧傳輸效果,基地台建置數量異常可觀,連帶提高建置成本,而建置成本無法降低也會影響5G產品及服務的使用率及普及率。


以一般民眾最有感的智慧手機來說,猶記2019年底至2020年初,台灣電信五雄搶標5G頻段進入肉搏戰,最後創下1,421.91億元史上最高、全球第三高標金的紀錄,如果將2020年6月30日中華電信5G開台視為台灣正式進入5G時代,近3年來,似乎沒有再出現媲美2018年4G吃到飽的「499之亂」盛況。


若從GSMA 2022年第四季台灣5G用戶滲透率觀察,台灣僅達35.31%,全球排名第七,雖然台灣開台略晚,仍相對落後其他亞洲國家和地區,香港、韓國、中國、日本的滲透率分別為56.71%、53%、42.38%及41.75%。至於NCC統計數據則顯示,2023年1月底台灣5G用戶約達686萬,推估3月初已突破700萬。


雖然如此,迄今仍不見5G版的「499之亂」,可能是因為5G建置成本仍高,資費方案降不下來,習慣低資費吃到飽的台灣消費者深感誘因不足,不少人還停留在4G時代;再方面,5G的覆蓋率與通訊品質是否到位,也是消費者是否有衝動「改朝換代」的考量因素之一。



圖一 : 各代通訊技術行動用戶數。(source:Omdia)
圖一 : 各代通訊技術行動用戶數。(source:Omdia)

5G使用兩種頻段,一是Sub 6GHz(應用頻率為6G Hz以下),與4G LTE 頻段接近,屬於低頻5G;二是毫米波mmWave(應用頻率為24GHz以上),屬於高頻5G,如果5G毫米波寬頻技術可以搭配低功率消耗、覆蓋能力廣的sub 6GHz窄頻技術,就能同時滿足短距及長距通訊要求。但5G的建置成本、營運成本及應用效率目前來看仍是暗傷,未來如何與其他頻段搭配仍有待觀察。


財團法人國家實驗研究院(National Applied Research Laboratories)比較4G及5G基地台的建置,5G基地台之間的平均距離為 250-300公尺,考量各種潛在障礙的影響,多數設備設計人員將距離設定為150-200公尺。假設在最密集的城市地區建置基地台,5G需要使用8台,4G則是3台,對於無線營運商來說,5G的營運成本確實高出許多。


《CTimes零組件雜誌》編輯部2022年底回顧年度最失望5大科技,名列第一的就是5G毫米波。誠然,毫米波藉由高頻訊號可以提供更大的頻寬,但優勢反而拖自己後腿,原來期望毫米波能讓都會區的5G通訊更為順暢,實際應用時卻發現「障礙賽」對5G毫米波來說特別有難度,顯然在都市場域中有些水土不服。


雖然業界提出每一路口街燈設置小型基地台以延伸訊號範圍,但無形中卻提高建置成本,讓有意於5G的業者打了退堂鼓。即便是封閉式智慧廠房,也因為多半採用既有的工業通訊協定,真正使用5G毫米波作為企業專網的工廠少之又少,大部分還是以6GHz以下頻段為主。換言之,沒有5G工廠依然運轉,有了5G卻可能徒增煩惱,5G毫米波的落地普及率只能繼續尷尬中。


GSMA(Groupe Speciale Mobile Association)的統計數據從另一個角度看5G發展。截至2023年1月,全球計有230家運營商推出行動5G服務,許多非洲和亞洲發展中市場也將於2030年推出5G服務。雖然全球的5G使用率似乎逐步擴大,超過50%的受訪者卻認為,5G只是速度升級,而非真正的新技術,導致5G服務的價格壓力與市場競爭同步加劇。GSMA建議,通訊產業應深化5G應用與滲透率,努力增加變現機會。



圖二 : B5G及6G使用場景初步思考。(source:Samsung,MIC整理,2022年10月)
圖二 : B5G及6G使用場景初步思考。(source:Samsung,MIC整理,2022年10月)

5G下一站:B5G/6B

從4G、5G到6G世代,行動通訊幾乎是每一個十年就會帶來重大變革,比方4G世代帶來新服務和新體驗,開啟民眾對數位生活的想像與應用;5G世代改變產業型態,走向萬物聯網時代。在持續深化5G滲透率與應用下,Beyond 5G(B5G)已經開啟眾人對6G世界的想像。


未來6G世代可望擴展AI、3D、數位孿生、感測等相關技術的連結與應用,走向智慧聯網新時代,對於消費者來說,則是更能體會到沉浸式體驗的迷人魅力。


雖然5G過去幾年似乎缺乏「殺手級應用」,卻已廣泛應用在需要更高傳輸速度、更廣覆蓋、更高可靠度、更低延遲性的AI、機器人、自駕車、低軌衛星、無人機等領域,技術發展逐步驅動行動通訊朝B5G發展。比方5G無法滿足觸覺網路、全息影像等超大頻寬應用,可以透過B5G通訊服務採用更高頻段(90 GHz-1 THz)達到更好的效果。


B5G峰值傳輸速度較5G快10倍至100倍,具有較低的傳輸時延(僅0.1毫秒),可解決5G耗能與覆蓋性不足等問題,目前鎖定低軌道衛星(離地300-1,500公里)發展。在頻譜使用上,B5G從毫米波頻段(30-300 GHz)擴展到太赫茲頻段(100 GHz-30 THz),可以強化5G大頻寬、低延遲的服務內容,如全息影像與空間認知、聯網機器人控制、聯網無人機控制、高畫質影像解析雷達、網路流量卸載等。


至於6G所使用的頻譜範圍包含毫米波頻段與太赫茲頻段。國際電信聯盟無線電通信部門(ITU-R)早於2021年成立6G願景小組,2023年世界無線電通訊大會(WRC)預計在2027年分配6G頻譜資源。目前的R18標準預計於2024年3月凍結,6G則預計在R20、R21開始標準化作業。



圖三 : 工研院舉辦「MWC 2023行動通訊大展重點趨勢研討會。(source:工研院)
圖三 : 工研院舉辦「MWC 2023行動通訊大展重點趨勢研討會。(source:工研院)

資策會(MIC)資深產業分析師兼專案經理鍾曉君認為,B5G/6G是延遲、速率、容量、設備連接量等各層面的升級,如果5G世代是將行動通訊市場從一般消費者轉往垂直領域的企業應用端,未來,隨著通訊技術、服務和終端設備發展更到位,會產生更具震撼力的應用場景。


不過,從5G到6G,基礎建設仍是重中之重,尤其全球行動流量成長快速,需要更多小型化基地台和頻譜資源支援,因此,未來需思考跨架構、頻譜與無線接取技術等面向,納入5G的三種架構:增強型行動寬頻(eMBB)、超可靠低延遲通訊(URLLC)及大規模機器型通訊(mMTC),融合AI、雲端、開源軟體等技術,才能產生更多新的智慧化使用場景。


此外,還有技術面待克服,比方發展B5G/6G的熱門技術之一:智慧反射面板(RIS)具有調整方向及曲率、特定方向聚焦、重定向訊號及重構元件組成表面等特性,達到反向散射、聚集或吸收能量、提高接收器訊號品質等效果。不過,RIS需要和基地台搭配,須考量建置性能和成本效益等問題,以及如何維持RIS的低功耗性能。


鍾曉君指出,5G雖然在能效表現上優於4G,整體功耗卻遠高於4G,至於6G發展的主要驅動力之一是永續,追求覆蓋更全面、設備連接更無縫、使用體驗更真實的通訊技術,可以透過新材料、新設計、原生AI、回收再利用等方式,打造更高效、對環境影響更低的6G網路。據規劃,6G的正式名稱將訂為「IMT-2030」。


現在到2030年進入B5G/6G時代不到7年時間,除了5G仍持續布建,不少國家和企業已瞄準6G通訊技術。工研院產業科技國際策略發展所所長林昭憲認為,疫情加速企業營運和個人生活的數位轉型,帶動遠距和零接觸應用服務的市場需求,也促進行動通訊技術突破及設備升級。一如2023世界行動通訊大會(MWC)揭示「後5G時代」趨勢,5G到2030年後的B5G/6G之路,台灣應如何超前部署?工研院提出以下觀點:



圖四 : 遠傳總座井琪(左四)率經營團隊出席「2023 世界行動通訊大會」。(source:遠傳FET)
圖四 : 遠傳總座井琪(左四)率經營團隊出席「2023 世界行動通訊大會」。(source:遠傳FET)

1.強化5G智慧化聯通,扮演數位轉型支持者

5G技術標準已邁入5G-Advanced階段,行動通訊產業多已投入人工智慧及機器學習(Machine Learning)的研發與應用以改善網路智慧化,包含無人載具和XR等方面的應用。延續RedCap(Reduced Capability)物聯網技術標準的發展趨勢,各大廠可以更加關注元宇宙應用、AI整合、開放架構、綠網節能等議題,甚至提前布局,如諾基亞(NOKIA)發表的Open RAN新產品,NTT docomo跨足SI業務,思科(CISCO)、恩益禧(NEC)、愛立信(Ericsson)將AI導入模擬、流量監控與能耗管理。應用方面,由於5G加速和低延遲性能已漸趨發展成熟,建議業者在元宇宙、無人載具、連網汽車解決方案領域中,持續開拓新的應用機會。


2.將6G技術納入淨零排放思維,打造全覆蓋立體通訊

MWC 2023勾勒下階段通訊技術,為6G技術標準做鋪陳,除了強化通訊功能,也將「淨零排放」思維納入開發產品及企業經營理念之中。未來在技術發展上將會更廣泛地結合AI/ML、智慧反射面板(RIS)等工具,提高基地台的通訊效能及擴大覆蓋範圍,促進智慧能源調控、混合電力與儲能設施等應用。


非地面網路(NTN)通訊是另一個發展重點,如多衛星軌道(GEO、MEO、LEO)通訊的情境展示、高空平台(High Altitude Platform Station;HAPS)互補性、智慧手機連接衛星等方案,皆可應用於全球覆蓋,甚至外太空通訊技術。如諾基亞(NOKIA)宣布和AST SpaceMobile及Vodafone合作,利用衛星手機直接講語音電話;愛立信(Ericsson)、高通(Qualcomm)及泰雷斯集團(Thales)公布以太空為基礎的網路計畫,可以直接透過衛星通訊使用智慧手機。


結語

回過頭看台灣的電信業布局,中華電信與諾基亞、愛立信已簽署5G Advanced/6G合作備忘錄,除了深化5G策略合作,也將推進台灣5G網路邁向B5G新階段;台灣大與諾基亞簽署「ESG & 5G合作備忘錄出席」,引進5G-Advanced技術,布局下一代網路;遠傳與愛立信簽訂「B5G AI創新應用與永續網路合作備忘錄」,深化B5G、AI智能網路及藉由開放全球網路應用程式介面(API)合作。


台灣的「5G元年」迄今不滿3年,5G尚未坐穩「衛冕者寶座」,回頭看4G還有粉絲不願離開,而B5G/6G世代已經現身準備2030年接棒演出,老幹新枝同台競艷,通訊世界的未來7年想必很精采!


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