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探索、研擬中的5G技術
4G過後 5G準備接軌

【作者: 陸向陽】   2015年03月17日 星期二

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4G的定義是基地台對固定裝置的傳輸率達1Gbps(指整個基地台的服務能力,若有2個與2個以上的裝置,1Gbps傳輸率就會因資源分配而減少),對移動裝置的傳輸率達100Mbps,能達此水準一律能稱為4G,LTE必須到Category 4之後的速率才滿足,Cat. 1~3不能算,而WiMAX也要到WiMAX 1.5/2.0才能算,WiMAX 1.0不能算。雖然說能滿足要求的即算4G,但大體還是以GSM→WCDMA→LTE為主軸。



圖一 :  5G現階段的目標是將傳輸率提升到10Gbps以上。
圖一 : 5G現階段的目標是將傳輸率提升到10Gbps以上。

而所謂的5G,目前仍在技術摸索、研擬、提案中,現階段的目標是將傳輸率提升到10Gbps以上,為達此要求,各研究機構與網路設備廠、電信營運商,均在進行各種嘗試,但大體已有一些技術共識。



圖二 :  5G技術目前仍在技術摸索、研擬、提案中,現階段的目標是將傳輸率提升到10Gbps以上。
圖二 : 5G技術目前仍在技術摸索、研擬、提案中,現階段的目標是將傳輸率提升到10Gbps以上。

可行技術策略

首先是運作的頻段,現行LTE/4G多在3GHz以下運作,尤其FD-LTE多在偏低頻位置,如700MHz、1800MHz,TD-LTE則較為高頻,如2.1GHz、2.3GHz等,而目前提案中的LTE-U將會使用5GHz頻段,與Wi-Fi所用頻段相同。


5G為了達到高傳輸率,期望使用更高的頻段位置,一般認為將達30GHz以上,例如南韓Samsung已嘗試用28GHz進行傳輸,日本NTT DoCoMo也嘗試用進行傳輸,其他如Ericsson嘗試用15GHz,Nokia則用70GHz,甚已有達80GHz、90GHz的說法。



圖三 :  5G頻譜
圖三 : 5G頻譜

為了達到高傳輸率,每個通道頻寬也必須盡可能大,現行Wi-Fi不過20/40/80/160MHz頻寬,LTE-A運用載波聚合技術,最高也僅能達100MHz頻寬(聚合5個20MHz的載波),但是NTT DoCoMo已經嘗試使用400MHz頻寬,且已有1GHz頻寬的技術提案。


一樣是為了提升傳輸率,天線數也必須增加,僅以MIMO、eMIMO(e=enhanced)來形容已經不足夠,新稱呼為Massive MIMO,指使用大量數目的天線,NTT DoCoMo已開始嘗試8根發送天線與16根接收天線,Samsung則已用上64根天線,收發天線數愈多,意味著傳輸率愈高。



圖四 :  5G行動通訊將會整合如奈米技術、雲端運算、MIMO等多種技術。
圖四 : 5G行動通訊將會整合如奈米技術、雲端運算、MIMO等多種技術。

另外5G也希望減少傳輸延遲(Latency),希望將延遲時間限縮在1mS(毫秒)內,且要能支援物聯網(IoT),此在現行4G中稱為機器型通訊(Machine Type Communication, MTC),言下之意通話、通訊的不是人類,是裝置(機器),而5G也一樣要承襲與強化精進此方面的支援。


發展限制與挑戰

乍聽之下5G是將過往所謂的規格拉更高,好達到10Gbps的要求,但實際上5G技術也有所犧牲,由於使用5GHz以上的高頻段運作,波長縮短,電波在傳送路徑中容易衰減,一般估在2km內,無法如現在動輒5km、9km遠,甚至數十km的傳輸距離與覆蓋。


為了彌補基地台覆蓋面積的變小,只好採行更廣泛、綿密的基地台佈建,言下之意未來Small Cell作法將成主流。不過,仍會有一種追求高覆蓋率、低傳輸率的基地台,好用來協調各個小基地台間的協同運作(只用來傳遞溝通協調的控制信號),這種「大覆蓋負責控制、協調,小覆蓋負責高速傳輸資料」的作法,一般稱為異質網路(Heterogeneous Network, HetNet),現行4G已開始倡導這種觀念,之後也會延續。


最後,由於使用5GHz以上頻段,多不是全球通行頻段,各國對高頻有各種用途,因此如何協調頻段的運用也成重要挑戰,現行4G推行所謂ASA(Authorized Shared Access),例如海岸防衛隊可能只在沿岸用高頻雷達,則透過協調在內陸使用相同頻段提供服務,或者某些時段不用也可以暫時挪借相同頻段來運作,用時間與空間上的差異來靈活運用頻譜資源。


當筆者跟別人談及ASA機制時,多數人的第一個反應是「頻譜資源已經荒缺到這種地步了?需要在時間與空間上進行爭搶挪用?」看來答案是肯定的,筆者也曾與人說明「客戶關係管理,CRM」,即透過電腦分析大量客戶資料,對客戶進行分群,而後針對不同群的客戶推銷不同的銷售優惠方案,如電信商針對經常出差的人提供跨國漫遊優惠方案,針對情侶推行網內互打方案。


然說明了CRM後,也有人向筆者反應:生意做到這個地步,根本是做不下去了嘛!但產業現實、市場現實,技術要持續精進,生意模式也要持續精進。


物聯網IoT必行之路─Sub-1GHz頻段

雖然新一代的5G通訊朝向更高頻的方向走,例如5GHz以上的頻段,甚至可以高到28GHz、30GHz等,但其實無線通訊也有另一個趨勢,是往更低頻的位置走,即1GHz以下的頻段,英文稱為Sub-1GHz。


這如同電腦運算一樣,一是往更高效能推進,另一是往更低廉小巧推進,現在的桌上型PC可以小到只有USB隨身碟般大小,稱為PC-on-a-Stick,或者可以只有名片般大小,價位更只有20~35美元,如樹莓派(Raspberry Pi, RPi)。



圖五 :  TI的Sub-1GHz頻譜分析儀,售價僅25美元。
圖五 : TI的Sub-1GHz頻譜分析儀,售價僅25美元。

而所謂Sub-1GHz,就字義上而言是泛指低於1GHz頻段的無線通訊統統都算,但實際而言並非如此,而是要扣除許多既有應用與標準才能算。首先要扣除類比電視的電視白區(Television White Space, TVWS),小至54MHz,大至890MHz,換成數位電視後,也會使用698MHz~890MHz間。


而以LTE而言,FDD LTE也有使用13個頻段低於1GHz,一般在700MHz~900MHz間,但有一個頻段低至462MHz。而偏高頻的TD-LTE也有一個頻段在1GHz以下,為703MHz。



圖六
圖六

扣除上述後,真正用於物聯網(IoT)應用的,多是315MHz、433MHz、868MHz、915MHz等頻段,部份國家還允許使用169MHz頻段,或者大陸可用779MHz。


即便是這些頻段,其實也已經有其他無線通訊標準採用,如業界已發展、推行10年的ZigBee,即使用2.4GHz、915MHz、868MHz頻段,其中後兩者低於1GHz。而Google/Nest Labs提出的家用物聯網無線通訊技術Thread,已言明使用與ZigBee相同的底層技術,即IEEE 802.15.4,言下之意現有已支援ZigBee通訊的晶片,理論上只要更新韌體,就可以改行Thread通訊,如此也一樣用及868MHz、915MHz頻段。不過,ZigBee、Thread已屬物聯網技術領域,已是Sub-1GHz本有的初衷應用。


除了ZigBee、Thread外,IEEE 802.11ah標準也是鎖定1GHz以下的物聯網、無線感測器網路(WSN)等應用,預計2016年會有正式標準出爐。


當然,1GHz以下也包含類比AM收音機的540kHz~1,600kHz(1.6MHz),或者FM收音機的88.1MHz~108.1MHz,也包含無線充電的WPC Qi的110kHz~205kHz,或A4WP的6.78MHz,NFC與RFID感應的13.56MHz,但因為這些頻率實在太低,除FM外幾乎都不到100MHz,因此幾乎可略而不提,不相衝突。


所以,即便真的談論低於1GHz的物聯網傳輸應用,也有4類需要談論,一是現行最普及的產業標準ZigBee(廣泛應用),二是各業者自行應用的專屬型Sub-1GHz傳輸,三是剛起步不久,僅針對家用物聯網的Thread,四是預計2016年到位的IEEE 802.11ah。


IEEE 802.11ah的訂立是希望業者放棄專屬型Sub-1GHz,但目前來看有些不樂觀,因為11ah僅訂立多數業者均可接受的共識標準,現有專屬型的晶片表現多已超越此標準,預估即便標準出爐,放棄專屬的速度也會緩慢,特別是在一些產業型應用中,特別講究較佳的通訊表現,且換用週期較久。


以上4類尚未談到LTE,事實上LTE也在訂立支援物聯網的新通訊標準,即MTC(Machine Type Communication),如此就有5類低於1GHz的物聯網通訊,因為如前述,LTE至少有462MHz、700MHz~900MHz可用。另外,與ZigBee、Thread在家用物聯網競爭的尚有Z-Wave,也使用868MHz~956MHz。


另外美國歐巴馬總統2008年就任後所提出的智慧電網(Smart Grid),也在之後由IEEE負責制訂出智慧公用事業網路(Smart Utility Network, SUN)標準,即IEEE 802.15.4g,也一樣是使用低於1GHz頻段,也屬產業性應用的物聯網。


最後,一定要用及1GHz以下頻段嗎?一是低頻可以用較低成本達到比較大面積的覆蓋,好支援廣佈的感測節點,同時每個節點的傳輸量不大,低頻頻段的Mbps級傳輸率足以因應。另一則如Nest Labs所言,2.4GHz頻段太擠了,包含微波爐、Wi-Fi、藍牙都使用,因此Thread期望在2.4GHz外也能使用其他頻段,以加速實現家用物聯網。


目前唯一沒使用低於1GHz的物聯網通訊恐怕僅剩藍牙,4.1版的藍牙也開始支援Mesh型網路,這是支援物聯網所必須的基礎,但藍牙依然以2.4GHz為主,且看其日後發展會否也跟進採用Sub-1GHz頻段。


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