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由5G世代願景探索通訊網路技術發展

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由5G世代願景探索通訊網路技術發展

軟性議題同樣需高度重視

【撰文/MIC行動通訊研究團隊

隨著通訊網路的硬體技術邁向頂峰,

預期更多的願景將逐一被實現,

5G高標準的硬體規格,

讓我們有更雄厚的基礎去追求過去認為不可思議的夢想。

Samsung在2013年6月宣稱開發出5G通訊技術,引起各界的高度重視,隨後包括5GPPP和METIS等標準組織亦開始投入5G技術的探討與研發,提早掀起各國於下世代行動通訊網路之技術競爭。基於在3G世代,Qualcomm掌控主要核心技術專利而成為3G世代最大贏家的前車之鑑,各國在5G技術之競賽亦絕不會缺席。

5G通訊網路的概念與願景

正當全球處於迎接4G通訊網路時代來臨之際,Samsung於2013年6月宣稱其開發出5G通訊的技術,為超快毫米波資料傳輸技術,搭配64組天線模組,於行動通訊毫米波ka頻段(28 GHz)自我調整式陣列天線的傳輸技術。紐約大學為Samsung測試的結果顯示,在兩公里距離下、資料傳輸速率可超過1Gbps;在更短的距離內,資料傳輸速率有機會超過10Gbps,相較於LTE速率至少提升了10倍。

@圖一:下一代的行動通訊將會整合奈米技術、雲端運算、MIMO、正交頻分多址等技術,來滿足消費者的需求。

Samsung突破的關鍵技術在於64組天線模組,這64組智慧天線可以於數十個奈秒內快速切換至最佳的訊號收發模式。雖然如何把64組天線整合於行動裝置中仍不清楚,且此技術目前尚在開發的初始階段,然隨著Samsung預計2020年進入商業量產階段,以及韓國政府投資15億美元加速5G技術開發,可見韓國政府與Samsung對於5G技術開發的雄心壯志。

5G將是一個實現全球無線資訊網(Wireless World Wide Web,WWWW)的時代,亦即可達到所有行動終端可在全球範圍進行漫遊。因此,無論是資料傳輸速率的升級、延遲時間的縮短、頻寬使用效率提升、傳輸訊號干擾抑制,以及整合全球不同國家和不同技術的能力需求等,其實在4G網路通訊的標準當中已有端倪。換言之,4G通訊網路技術是5G的前沿,只待5G時代的來臨,這些技術將更顯成熟。

5G無線通訊網路的標準和規格雖尚未問世,現今卻已有許多公司和研究單位開始推估5G未來的願景,其中可推知5G標準可能與過去1G演進至4G、著重於速率提升的思維開始有些不同,而加入更多元的應用思考。

因此,5G標準之發展除將持續提升過去標準規格如「傳輸速率提升」、「延遲時間縮短」、「頻寬使用效益改善」、「傳輸訊號干擾抑制」和「各式存取技術整合」等,一旦硬體規格達到一定的水準時,包括後4G時代或5G時代,更應轉向思索這些硬體規格將如何應用於日常生活之中。

5G「以人為本」的智慧生活情境

因此,「以人為本」的情境模擬,將成為5G時代一個很重要的課題。簡單地說,應思考如何以5G時代的高規格網路服務品質為基礎,設計出更有利於促進人類方便、舒適、安全生活的雲端服務和終端裝置。

@圖二:5G的高品質網路服務願景,將會改變人們的需求和習慣,「智慧生活」終將實現。

高畫質影音的契機

過去,用戶可能無法想像高畫質的影音可以使用行動電話或平板電腦快速下載,甚至一邊下載、一邊觀看都不會有網路延遲。為了解決冗長的下載時間問題,用戶可能會有兩種做法,其一為利用其他更穩定的傳輸方式下載(如:有線傳輸或轉至Wi-Fi網路等),其二為降低影音的畫質需求來減少下載的時間量。

倘若4G或5G的世代中,允許我們能於數秒鐘內傳遞完一部高畫質的影音,用戶還會忍受在行動裝置上觀看一部降低畫質的電影嗎?答案很清楚,用戶的需求只會越來越高。當高畫質的影音高速流竄於行動裝置中,基於視覺上的享受,行動裝置的螢幕型式、螢幕尺寸、螢幕解析度、喇叭音響等硬體設計,勢必將開始接受用戶高規格需求的嚴苛挑戰。

醫療雲端服務的契機

一個高血壓的患者以往皆是利用紙和筆記錄每日的血壓和脈搏,並將紙本記錄於回診時提供給醫生參考,未來在醫療雲端服務成熟下,倘若行動裝置藉由衍生設計高精準度的生物感測器,搭配優質的雲端網路服務,患者將可更方便地利用行動裝置量測生理參數,並且隨時更新雲端的資料。此外,完善的應用軟體設計可進一步針對危及生命的異常生理參數加以觸發行動裝置,進行通知醫療機構或親人。

智慧交通的契機

再舉一例,一個開車的駕駛往往會因為視野死角的來車或行人,造成行車的意外事故,若駕駛能在事故發生前,接收到來車或行人的行動裝置所發出的訊息,或許能減少事故的發生機率。未來駕駛的車可望在接受訊息後,能立即計算出危險的程度或發生事故的機率,並能精準計算出躲避事故發生最有效率的速度和方向,快速將方向盤、油門和煞車等控制權由駕駛手動切換至汽車的中控系統,利用汽車中控系統帶領駕駛脫離危險事故或將傷害降至最低。

迄今,甚至於無人駕駛的智能汽車概念和設計能量已經開始醞釀。這些應用雖於4G網路時代逐步提出,但隨著普及率提升和其他嶄新應用被提出,爆增的資料傳輸量將待下世代的5G通訊網路技術加以消化。

上述案例大略地反映了4G和5G的高品質網路服務願景,將會改變人們的需求和習慣,並且依照人們不同的需求,革新了各式樣的軟體設計和終端設備。當雲端、網路、終端設備、軟體和使用者的生活緊密地結合,「智慧生活」終將實現。隨著人們對於網路的依存度上升,未來產生的資料傳輸量也一定相當可觀,以下本文將以暴增的資料量為例,回推5G對於硬體規格和標準的需求。

@圖三:通訊技術演進

5G通訊網路的重點技術

資料傳輸速率、頻寬增加與使用效益提升

未來預期劇增的資料量將達到每單位面積內,無線網路的使用量提升1,000倍以上,以及連網設備量提升10~100倍之程度。因此,5G對資料傳輸速率需求相較於4G通訊網路而言,需至少增快10~100倍,主要採取的方法仍為提升資料傳輸速率以及拓展使用頻寬。

主要方法有二。第一,開發更高頻率的頻段,例如毫米波技術的發展。然而毫米波雖有高速傳輸速率的優勢,卻同時因其高頻特性,使其電磁波具有高度的指向性(或稱為高度非等向性),訊號分佈的固體角小,致使可接收訊號的範圍縮小。因此,為解決毫米波技術缺陷,將衍生出連網裝置的智慧型天線設計及其背後的演算法最佳化。

第二,當考量到電磁波的頻率與頻寬並非可予取予求時,高效率地使用既有的頻段和頻寬,效果如同將傳輸頻寬再次拓展。從4G開始至未來5G通訊網路,強化頻寬使用效益,例如:強化單一載波多重存取技術和載波聚合技術等,亦將成為重點技術之一。 

延遲時間降低與網路涵蓋率提升

另外,回到智慧汽車的例子,當進行汽車間通訊應用時,來車發出的訊息、至駕駛的車接收訊息、至汽車中控系統的反應,時間往往非常短促。而延誤雙方汽車訊息的收發原因,除了壅塞的網路資料以外,端點的延遲時間和網路涵蓋率不足,也可能造成訊號耽擱或遺失。因此,考量未來更即時M2M應用所需,端點與端點間的延遲時間需要較4G技術再降低5倍。

網路訊號涵蓋率,往往受限於地形、建築物的建材或高度等影響,加上資料傳輸速率的提升或高頻率頻段的使用,又常伴隨著傳輸範圍縮減等問題。因此,如要在任何距離範圍內皆可維持高速的傳輸速率,同時又能增強網路的涵蓋範圍,Wi-Fi熱點的網路佈建概念則是一個很好的參考方式。

亦即5G相較於4G技術,需更密集地佈建Small Cell基地台,有助於網路滲透至室內或被遮蔽處,此外Small Cell基地台能使傳統Macro Cell基地台的卸載資料率由45%提升至80%。Small Cell基地台雖擁有低功耗、體積小、成本低、架設與維修方便等優勢,但密集的Small Cell之間存在的訊號干擾問題亦不可被忽視,故協調Small Cell間的干擾技術亦為重要技術之一。

終端降低功耗需求增加

最後在巨量的機器間通訊的狀況下,低功率消耗則成為額外的考量重點,至少需為端點提供10倍的電池使用時間。在物聯網的行列中,廣泛地包括了裝置對裝置(D2D)、機器對機器(M2M)及交通工具與交通工具(V2V)等網路連結,未來此類終端彼此間聯網的概念,都將在高速和高品質的5G通訊網路服務中,發揮得淋漓盡致。

結論

通訊網路蓬勃發展的過程中,許多劃世代性的概念和商品(如:Smartphone等)不斷地被推出,同時也革新了使用者的需求。隨著通訊網路的硬體技術邁向頂峰,預期更多的願景將逐一被實現,包括超高畫質影音、優質雲端服務、智慧交通等。5G高標準的硬體規格,能夠讓我們有更雄厚的基礎去追求過去認為不可思議的夢想。

但是,當5G通訊時代的來臨時,產業不該僅盲於持續精進硬體技術佈局於未來的6G或7G,反而需要轉向由以人為本的角度出發,巧思終端裝置與應用軟體的設計與開發。全球使用者將可以透過一個方便的介面,漫遊於全球的雲端之中。更多富含創意的智能生活點子被激盪之後,才應從其中找尋硬體技術匱乏之處並加以改善。

對於熟稔硬體技術的臺灣而言,上述的競技賽中必然不能缺席。除此之外,產業更應思索如何發揮硬體設計強項,提出更多更有破壞性創意的終端設置,創造並且革新全球使用者的習慣和需求。為避免未來硬體需求的飽和,培養更多的應用軟體開發和雲端設計的人才,也一刻不容延緩。最後、5G時代的來臨,許多軟性的議題將無法規避,且同樣需要受到高度重視,這些議題包括如何提升通訊網路服務(包含雲端服務)的品質、網路安全性以及保障個人隱私等。 

【全文刊載於《CTIMES雜誌201410月號】-- CTIMES粉絲團

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