2017年,5G技术的应用已经被大众所知,例如自动驾驶、个人AI助手、远程医疗等,都将因为5G技术的突破而实现,到底5G与4G技术的差异在哪里呢?这就得从有线、无线传输开始说起。

顾名思义,有线传输代表透过实体介质传送数据,而无线传输则是透过电磁波传送讯号到基地台,接着转往电信系统商的机房传输。以有线传输来说,目前单条光纤最高速度已经能达到26Tbps,几乎是传统网速的上万倍之快,因此,当前世界各国苦心钻研的,是打破无线传输的速度限制。

5G (2)

5G技术除了常见的电磁波传送外,近年窜红的还有光波传输Li-Fi(Light Fidelity),是相当于Wi-Fi的可见光无线通信(VLC)技术,能利用发光二极管(LED)灯泡的光波传输数据,除能提供照明与无线联网,还可避免产生电磁干扰。

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图1 : 整合物联网的全新网络

然而在无线传输技术的研发主流上,仍是以电磁波传输为主,其中的频率范围扮演了重要角色,它的公式原理也很简单─频率越低(如特低频VLF,3-30KHz),速度越慢,同时它的波长也就越长(长波,1,000Km-100Km),传输范围更广,目前主要的应用为远程离通信。

反之亦然,频率越高(至高频EHF,30-300GHz),速度越快,波长越短(毫米波,10mm-1mm),传播范围也就越短。

而目前的第五代移动通讯系统(5G)标准,虽然预计将于2018年中订出,但下一代移动网络联盟(Next Generation Mobile Networks Alliance)则早先定义了5G网络的要求:以10Mbps的数据传输速率支持数万用户;以1Gbps的数据传输速率同时提供给在同一楼办公的许多人员等等规定;支持数十万的并发连接以用于支持大规模传感器网络的部署等。成为各大电信系统商欲达成的目标。

5G厉害在哪里?

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图2 : 5G特点示意图(Source:IEEE Computer Society)

5G并不是简单提升速度就好,它还得包含许多特性:包括毫米波、MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)、波束赋形、D2D等。所谓的毫米波,也就是前述所提到的高频,然而为什么我们过去不使用速度更快的高频呢?是因为高频过去多半运用于军事上,另外则是有成本的考虑。

成本的考虑又是什么?假使电磁波的频率越高,波长就越长,连带地它的绕射能力也就越差,就如同卫星通讯及GPS导航一样,对于传输方向有一定要求,因此,电信系统商就得兴建更多的基地站来传递讯号,成本也就跟着水涨船高。举例来说,原本一个4G的基地台就能覆盖的范围,5G基地台就得装设6-8个基地台才够用。

为了解决这项问题,多数电信商会使用微型基地台(Microcell),来取代过往的大基地台,成本也能跟着下降,这时也会引发一些疑虑,如果架设了这么多的基地台,会不会造成更多的辐射污染呢?

这可以用一种简单的模拟来说明:在一间房间里,用一个大功率的暖炉好,还是数个小功率的暖炉好呢?答案当然是后者,因为后者的覆盖良好,热能不会集中于某区域散播,而是相对分散,并且速度快,功率影响也更小。

而MIMO又是什么呢?答案是装设“更多的天线”。为什么智能手机内能容纳更多支天线呢?是因为当频率越高时,波长短,天线也就跟着缩短。过去的大哥大多有一只长长的天线,而今日却已经不常见了,并不是因为它们不再被需要,而是缩小嵌入整只手机里头去了。

而5G时代使用的毫米波,天线也能再度缩小。因此,除了可以将更多的天线塞入手机外,微型基地台内也能放入更多的天线,接收与发送讯号的窗口越多,处理速度也能大幅增加,达到所谓的“多进多出”。

控制电磁波的传输方向

再来是具备高技术门坎的波束赋形。电磁波的传输,一般是用四散、广播的方式传递讯号,然而我们通常只需要将讯号朝着某方向传递即可,多数的电磁波能量都被大幅浪费。

而波束赋形则是可以控制射频讯号,使得基地台站上的电磁波,能对准它提供服务的对象(智能手机),并随之改变方向。透过此项精准传递讯号的服务,可以大大提升基地站的服务数量。

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图3 : 多天线MIMO示意图(Source:Rick Janse Kok MBA)

最后一项5G特性─D2D(Device to Device),则代表当日后使用5G技术时,不再需要透过基地台来转送讯号,即可让邻近的两台无线装置能够建立直接联机(Device-to-Device Link)来进行通讯,大幅度地降低基地站的使用资源。

5G在生活中实现

而在什么时候才能够看到5G实现在日常生活中呢?目前已经有部分5G技术开始进行测试,例如美国AT&T和Verizon正测试家庭和企业的5G宽带固网;而韩国的电信商则希望趁着2018年平昌冬季奥运会时,能够提前让5G网络到位;世界各地的电信商则预估将在2020年开始提供5G的移动服务。

2017年11月,美国电信商Verizon也宣布在2018下半年将在加州推出业界第一个商用5G固定无线接入宽带网络服务,并在年底前扩张市场。此外,Verizon宣布将和瑞典电信设备制造商Ericsson合作,Ericsson将成为2018年商用固定无线接入5G服务的网络设备供货商。

目前各家电信商正在进行多种模型的测试校正,包含网络的建立方式以及使用的电磁波频段,可预见的是,5G将是新一波的战场,胜出的技术和方案将成为业界标准,也能在新世代中取得领导地位。

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