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6G世界的模樣
5G之後

【作者: 盧傑瑞】   2021年09月27日 星期一

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行動通訊技術大約每10年就會進化出一個新的世代,而Beyond 5G(6G)是否如預期地在2030年到來,或是會提早實現?6G終將建立一個新形態的社會生活體系。


全球終於即將開始全面的5G服務,但下一代的通訊技術討論也提前展開。全球先進國家政府也先後的規劃關於次世代通訊技術的整體策略,例如日本在2020年6月即公佈《超越5G推進戰略—6G之路》,分析2030年代社會所需的技術和政策方向。


到目前為止,行動通訊技術大約每10年就會進化出一個新的世代,那麼接下來的6G,是否如預期地在2030年到來,還是會提早實現,並且在那時的社會中扮演什麼角色?


COVID 19在全球引發前所未有的危機,也因為這樣的衝擊,對於人們的生活和工作的方式帶來一波新的革新潮流。因此,在未來還是會出現許多不可預測的風險,包括新的傳染病大流行、自然災害等,這可能使得在傳統方式下,如人員運輸和面對面的拜訪式業務推動都難以繼續;因此無論喜歡與否,都會被迫改變為遠端工作,或其他遠端工作的新常態,而且這樣的常態也變得越來越依賴數位技術。


在這種情況下,為了維持人們的生活和經濟活動的順利進行,創造一個徹底使用資訊通信技術(ICT)基礎設施的環境。推廣Beyond 5G(6G),不僅是建立一個新形態的社會生活體系,也是面對With Corona/Post Corona時代的因應策略。


未來無線通訊發展的指引

COVID 19的傳播危機或許是一個推動通訊技術進步的助力,加快發展Beyond 5G準備就緒,並提供強大且安全的ICT基礎設施。換個角度來看,Beyond 5G可以看作是一個指引,利用現有5G的同時,未來10年應該可以發展出更多的通訊服務(圖1)。


在未來,融合物理空間和網絡空間的CPS(Cyber Physical Systems)將取得巨大的進展,從大量數據中創造新價值,在人們需要的時候,以最合適的方式提供他們想要的服務。



圖1 : 2030年6G的概想?6G將取得巨大的進展,可以最合適的方式提供人們想要的服務。(source:DIAMOND;智動化整理)
圖1 : 2030年6G的概想?6G將取得巨大的進展,可以最合適的方式提供人們想要的服務。(source:DIAMOND;智動化整理)

目前的5G具備了「超高速度和容量」、「超低延遲」、「超多可同時連接」的特色功能,這些特色將徹底改變使用物聯網和行動技術的工作方式。而6G將更進一步加強這些特點(圖2),目標是將5G性能的複雜度提高10倍。例如最大傳送速率為100Gbps,點對點的延遲小於1毫秒,每平方公里的設備數量,也將從5G的100萬增加到1000萬。並且還包括以下四個新特點,使通訊更加人性化和便利。


值得注意的是,6G不再被描繪成一種通信系統。5G的主題是推動「工業數位轉型」,而6G則定位為構建新社會系統的基礎設施。



圖2 : 6G將更進一步加強5G的特點,包括研發可被運用的技術平台,先進關鍵技術的開發。(source:NEC;智動化整理)
圖2 : 6G將更進一步加強5G的特點,包括研發可被運用的技術平台,先進關鍵技術的開發。(source:NEC;智動化整理)

6G在未來的四個新特點

首先是「自主性」。利用AI等技術,讓所有設備在沒有使用者的干預下,可以進行自主合作連線(零接觸),創建一個立即滿足使用者需求的最佳網路,而不考慮是有線還是無線的環境。


第二是「可擴充性」。 終端和基地台將可與不同的通信系統進行無縫連接,例如衛星和高空平台(high altitude platform stations;HAPS)。通過無處不在的基地台,將終端等各種物體作為基地台,各地的設備都能夠協同工作與相互連接,使通訊能夠在包括海洋、空中和太空等任何地方進行。


第三是「超安全性和可靠性」。即使在用戶不知情的情況下,也始終確保安全和隱私,即使發生災難或故障,服務也可以立即恢復而不會中斷。


第四是「超低功耗」。如果依照目前的數位化速度繼續下去,2030年IT相關產品的電力消耗,預計將是2016年的36倍。為了能夠應對如此大的功耗增長,需要設法將6G的功耗降低到目前的1/100左右。


為了實現以上的新特點,需要大量的技術來支持,例如:


‧THz(Tera Hz Frequency):支持超高速、大容量通訊


‧時空同步(Space-Time Synchronization):支持超低延遲


‧感測技術:支持大量同時連接


‧全光纖網絡:支持超高速、大容量通訊、超低功耗


‧低功耗半導體:支持超低功耗的技術


‧量子密碼學:支持超高安全性和可靠性


‧利用HAPS:支持可擴充性、超安全性和可靠性


‧完全虛擬化:支持自主運作


‧相容性介面:支持可擴充性


HAPS打造平流層基地台網絡

HAPS是一個無人駕駛飛機和飛艇系統,在平流層與空間的交接處飛行,向地面提供通信服務。 平流層的高度為20公里,這個高度可以讓訊號很容易到達地面。


HAPS需要使用能長時間停留在平流層的無人機,並在飛機上配置一些重要設備。例如在機翼上安裝太陽能電池板提供動力,可以在自動控制下繼續轉動和飛行,以保持無人機持續進行圓周飛行,並具有在空中停留6個月的能力。此外,也包括連接HAPS和智慧手機等終端的天線設備、連接地面固定站的無線通訊設備以及用於控制的Wi-Fi天線。


一個HAPS基地台可以覆蓋直徑達200公里的區域,而傳統的地面基站僅能覆蓋直徑1公里的範圍(圖3)。即使在用戶很少的山區和海上,HAPS也能有效率地提供通訊服務。HAPS在海拔20公里的平流層飛行,這是人類以前從未使用過的空域。由於這是一個難以使用現有設備操作的天氣環境,因此有必須要有特殊的設計來克服。


在較低的平流層,溫度大約是攝氏零下70度,雖然高度愈低,大氣壓力越低,溫度就會相對提高,但是卻不利於通訊。為了解決高度與低溫環境矛盾的問題,HAPS需要配備抗寒防護罩和小型加熱器,針對有必要的設備進行加熱。



圖3 : 圖為HAPS所使用的2個頻率,而一個HAPS基地台可以覆蓋200公里。(source:DIAMOND;智動化整理)
圖3 : 圖為HAPS所使用的2個頻率,而一個HAPS基地台可以覆蓋200公里。(source:DIAMOND;智動化整理)

異質網路技術之必要

在連接方面,非手機通信系統的融合和整合將加速。這是一個異質網路(Heterogeneous network),利用各種固定和無線達到系統間無縫連線。就5G而言,目前正在發展將光纖和Wi-Fi等固網接入整合到5G核心網路中,但僅靠5G/6G是不可能覆蓋整個社會的。


在6G的規劃中,能夠根據各種應用的要求,自動改變資源和性能的靈活性,以及處理大量數據的可擴充性非常重要。從這個角度來看,可以想像成,與其把所有東西都放在行動網路上,不如透過在其他網路、邊緣計算基礎設施,甚至在雲端的應用等多元路徑來進行數據傳輸。


這在災難發生時的恢復方面具有相當大的助益,如果各種網路之間能相互補強,形成一個CPS神經網路,那將是最理想的狀態。例如,在NTT的IOWN計畫中,正在研究開發出Cradio技術,使用戶能夠在無感的情況下使用適當的無線通訊環境,這項技術也將是6G的一個重要元素。


5G只是實體空間和網絡空間的連接器,而6G將基於再邁出一大步。隨時隨地可以連接兩個的相異通信網路,而AI和應用的控制將被高度的整合,將通訊功能與計算處理緊密結合,為CPS中使用的各種應用創造一個「推進器」。實現跨越兩個空間的應用的推進器功能是6G的關鍵要素,但迄今6G的出現還只是一個概念。


6G制定進度預估與即將實現的示例

2030年代6G究竟會為社會帶來什麼?根據NTT DoCoMo於2020年7月發布的<5G Advancement and 6G>中提出一些應用方向。


首先,超過100Gbps的超高速和大容量無線技術,將使新的體驗服務等同於或超過真實體驗的品質。這種新的體驗服務可在多個使用者之間即時共享,並發展出新的同步應用,如網路空間的虛擬共同體驗,或虛擬協同工作等。此外,在目前通訊服務未覆蓋的天空、海洋和太空等地方,可透過「超覆蓋擴充」,進一步擴展人和物的活動環境,並因此創造新的產業。


在網路-實體整合方面,6G的目標是實現小於1ms或更短的超低延遲。這將大幅度推動即時、互動的人工智慧服務技術。例如可以在無人商店提供遠程機器人客戶服務,在看到顧客臉上的表情後,以類似人類的方式做出反應。6G不僅會將大量的IoT設備連接到網路上,無線通訊網路可利用本身無線電波來感知現實世界,並實現小於幾釐米誤差的超精確定位。


預計ITU將在2022年左右最終確定6G的定義,而需求的審查和標準化很可能在2023年至2024年左右開始。目標是2030年,但考慮到2019年5G商用,預計6G服務最早會在2028-2029年開始。



圖4 : ITU預計將在2022年左右最終確定6G的定義(source:Ericsson;智動化整理)
圖4 : ITU預計將在2022年左右最終確定6G的定義(source:Ericsson;智動化整理)

雖然6G或許需要到2030年代才會到達實際使用的階段,不過還有近10年的時間,或許技術的演進可能會比預期的更快。另一方面,目前的商業環境正處於前所未有的不確定性環境,面臨新的冠狀病毒感染大流行,中美貿易摩擦導致地緣政治風險增加,不可預測的天氣和自然災害等情況。


在這種情況下,面對全球需求下降、供應鏈分散、社會行為變化,和新競爭環境的出現,需要強化可因應的能力,就像是透過使用5G來克服「2025年的懸崖」,同時推動數位轉型作為解決這些問題的基礎,為即將到來的6G時代作準備。


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