物联网催生5G技术萌芽 1+1将远大于2

也许可能会感到奇怪,怎么4G技术才开台短短几年的时间,国外相关业者以及台湾都已开始积极布局下一代行动通讯――5G的技术与市场?也许也感觉台湾4G网路品质似乎没有电信营运商说的那么“神”,台湾产官学界已经携手举行了几次“誓师大会”,务必扶植台湾相关业者能在5G技术市场抢得先机。

5G技术“大跃进”

虽然5G技术可创造新的应用服务商机,但要发展5G真正将晶片、设备、终端装置…等开发出来,可不是件简单的事。Gartner物联网与无线部门研究副总裁洪岑维表示,事实上,所谓“真正”称得上是5G的技术目前皆尚未开发出来,各家厂商都还在戮力研究中。

市场或业界对于行动网路技术的三个新需求――亦为对5G技术的新要求――传输速率更快速行动宽频、高效能且低延迟,以及支援机器间的通讯。而这三项需求看似目前的4G已可满足,但实际上却相当严苛。根据国际电讯联盟(ITU)公开5G的网路标准,其传输速度为20Gbps,目前最快的4G网路传输为150Mbps,这即为上述更快速传输速率的需求。低延迟的需求是指资料从A点传输至B点时,在最慢1毫秒(ms)及99.999%的时间点内就得完成;而支援机器间通讯的需求即是M2M。

ITU为5G网路制定目标

上述三个需求也衍生了5G技术的五大技术挑战。洪岑维进一步解释,五大技术挑战包括毫米波(mmWave)、大规模多重输入多重输出(MassiveMIMO)、M2M、智慧装置,以及节点为中心的网路(Node-CentricNetwork)。为了提升传输速度,势必使用更高频的频段,据了解,5G将使用6G~300GHz频段,此超高频段已非新技术,军方早已使用,但即便如此,5G也将面临新的问题――讯号穿透率――高频讯号将很难穿透一般建筑物的墙壁,需在空旷处才能有较佳的连线品质。

现今的4G技术发展至2×2或2×4最多到4×4MIMO已具备相当的技术挑战,5G的MassiveMIMO从字面上来看就“不简单”。洪岑维表示,5G由于要因应物联网应用中大量装置间的联系,因此设计32×32或64×64MIMO的架构。不仅如此,每一根MIMO天线都要能够进行波束成型(Beamingforming),也就是说,一旦装置与基地台的连线确立后,即使装置开始移动,这样的连线机制与波束成型的功能都不能因此中断。

现今蜂巢式Cellular技术架构仍是以基地台(BS)为主,但是传送到远端的建筑物中讯号不仅会减弱,传输速度也无法保持原有的品质,因此5G节点为中心的网路架构则是在室内布建支援毫米波的小型基地台,如此一来,远端的基地台就可以换手(Hand-off)给室内或房间的基地台,提升讯号传输覆盖率的品质,也能提高资料传输速度。不过这中间的传输机制该如何制订、不同厂牌间的基地台该如何互通或顺利进行换手,将相当考验电信营运商或网通设备商的智慧。

在M2M的部分,爱立信集团技术部亚太区技术长MagnusEwerbring指出,2020年全球将有260亿个联网装置,M2M即占73.2亿台,这些庞大的装置要能同时连上网路并进一步互通,对电信业者将是很大的技术挑战。也因此,若5G技术要能满足上述条件,不仅延迟时间不能高于1ms,且也须在时间点内完成资料的传输,亦即网路传输的效率得再提高。

Ewerbring简单统整5G技术挑战,包括行动宽频资料传输速率提高10~100倍、延迟时间再缩短5倍,但连网装置功耗却得低上10倍。李思柏强调,4G跨到5G技术中间有一定的技术挑战,除了换手机制、连线品质的再升级外,干扰问题、新频谱的使用、毫米波等问题的克服亦相当重要。洪岑维则坦言,业者们仍在持续思考能以那些现有或新技术实现5G的技术架构。

标准、政治角力也影响5G发展

如果你认为5G发展挑战只有上述所提,那就是把5G技术想得太简单了。罗德史瓦兹应用支援经理陈飞宇表示,5G和4G间的技术差异真的相当大,然而除此之外,还需考量技术以外的问题。

现阶段,由于标准未定,因此5G技术的发展处于“多头马车”的状态。林志龙认为,各家甚至各地区相关业者发展5G技术尚未有共识,虽然ITU、3GPP等国际单位正在研拟相关5G规范,但是日韩或是美国电信业者,以及晶片商或设备供应商等率先在标准底定前发展5G网路,目的就是为了要取得市场与标准制定的主导权。

举例来说,4G技术美国本想取得“主控权”,但因VoLTE(VoiceoverLTE)、载波聚合等关键技术韩国发展较快,也因此韩国掌握较多“资源”,在4G发展上“讲话也比较大声”。有此先例,也促使韩国电信抢先建置5G技术,以期可赢得市场先机,成为5G标准规范或市场主导者;而其他国家如台湾、美国及日本电信商为了不让韩国专美于前,也纷纷急起直追。

除了标准未定外,各国间的频谱角力战也可能影响5G标准制定的进行,甚至市场发展。林志龙指出,目前尚未确定5G采用的频段会落在何处,只知道会采用尚未使用的200MHz及6~300GHz以上的高频段,而随着各国抢先开台,采用的频段各不相同时,漫游费用若是谈不拢、各家业者抢着当领导者,如此装置的漫游就会发生问题,若是晶片得支援每个被使用的频段,则不仅成本会很高,功耗也会提升。

业者积极布局5G技术

5G的标准究竟何时底定?目前所知是2017年时,会有初步的版本出来,2020年5G将可正式开台。不过即便标准未定,业者已开始抢先布局,其中以量测仪器厂商及设备商的脚步最快。Ewerbring表示,3GPP持续推出LTE新标准,如Rel.10、11、12等演进版本,或是针对M2M制定的LTE-M,以及NB-LTE,都是让厂商循序渐进由4G过渡到5G的重要方式,只要遵循此进程,业者研发的5G产品将不会有太大的“失准”。

先进测试验证方案加速5G研究尽管系统业者、元件商与营运商对于5G的未来发展看法不同,甚至还存在政治角力,但从技术上来看目标是一致的。是德科技(KeysightTechnologies)行销处副总经理罗大钧指出,“5G的终极目标在于将传输速率提高到GHz/s等级、小于1ms的低延迟与低功耗等,为此,更重要的是定义哪一个频道的应用。”

罗大钧进一步解释,针对6GHz频段以下的5G测试,现有的2G、3G与4G方案已能满足需求,目前全球各地研究单位看好的是毫米波频段,但对于这一频段的通道�解有限,需要更前端的通道探测(channelsounding)途径掌握通道特性与建模。为此,是德科技在现有的5G测试方案外,率先提供通道探测解决方案,整合毫米波、超宽频频宽与MIMO技术,协助研究单位加速更先进的5G通道探测研究。

NI更进一步提供从原型开发、演算法部署与验证,以及最后发布到机房进行实测的完整系统,期望协助客户尽早走出实验室。汤敏表示,“5G标准化进程虽然还在发展中,但业界厂商已经在主要技术方面达成了共识。举凡MassiveMIMO、波束成形与毫米波等各种与5G技术有关的验证与测试,以及无论是强调更高速的蜂巢式通讯还是瞄准超低功耗的物联网应用,NI均提供了相应的方案架构,不但为还在实验阶段的5G研究提供演算法与标准化验证,另一方面也协助营运商进行实测。”

罗德史瓦兹自然也不会在此市场缺席。陈飞宇指出,除了先前军方已使用的毫米波技术,以及因应5G采用高频的趋势,罗德史瓦兹持续增加现有仪器产品如频谱分析仪、讯号产生器等支援的频宽,以满足测试需求外,针对5G产线端的测试仪器,将有新的测试机种问世。

晶片商等待标准才有进一步计画Hellberg强调,5G标准化工作刚从2015年9月中开始,预计至2020年才会正式商用,由于5G尚未定义完成,讨论产品还言之过早。张路亦认为,5G标准未定,因此Marvell尚未有明确的5G产品计画出炉。

分析现有晶片商或网通设备供应商在5G市场的竞争力,洪岑维透露,英特尔(Intel)、高通、联发科(MedaiTek)、三星(Samsung)等较有机会胜出,主要关键是“口袋够深”;网通厂的部份则是爱立信、华为、诺基亚、三星、中兴等。林志龙则认为,展讯背后有官方支持,加上4G晶片市场展讯(Spreadtrum)已逐步追赶上来,其未来发展态势也不容小觑。

台湾产官学齐力断金领跑5GSmallCell

台湾在5G的技术专利或参与国际标准制定上相当积极,不可讳言,是为迎头赶上国际大厂的脚步,不想重蹈2G到4G都只能当跟随者的覆辙。林志龙表示,由于5G要求更高的传输稳定性、可靠性与更好的网路覆盖率,并得解决高频讯号遮蔽的问题,因此小型基地台(SmallCell)将具备举足轻重的角色。

而台湾在5G小型基地台的市场相当有优势,这是由于台湾小型基地台具备“一条龙”的研发优势,因此台湾官方与产学界戮力参与标准制定,以期协助台湾小型基地台制造商有更多的产品设计主导空间,而不再只是代工。

李思柏则认为,每个国家政府都会扶植自有厂商的发展,并导引业者朝对的、具优势的产业前进。林志龙也强调,小型基地台由于系统架构较小,技术门槛相对较低,因此是台湾局端业者,甚至先前发展WiMAX的用户端(CPE)厂商可锁定的目标市场。


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