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三件事讓你一次搞懂5G CPE
5G殺手應用的最後一哩利器

【作者: 吳雅婷】   2021年05月31日 星期一

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時下最夯的網路技術就是5G行動通訊技術。而在台灣,行動網路應用相當熱門,而且主要的連線裝置是手機。除了戶外與移動連網應用,在居家上網時,大多數台灣民眾也會選用行動寬頻,而且比例逐年增加。台灣國家通訊傳播委員會(NCC)最新的通訊市場調查就顯示,2020年有高達66.3%的受訪者在家最常使用的上網方式為行動寬頻,排名第二和第三的ADSL和光纖網路使用占比,分別僅有10.6%和8.2%。


不過,在物聯網時代,需要連網的裝置絕不止於手機,從燈具、音響、筆電、PC、超大型8K/16K電視,到XR裝置、無人機、服務型機器人等新興科技產品,全都需要高頻高速的網路傳輸來維持運作與激發創新。而這些裝置,有些可以支援手機熱點等網路共用功能,但也有很多不能,因此如何讓更多裝置連上5G網路,成為物聯網佈局中的重要一步棋。


一方面,包含sub-6 GHz和毫米波頻段的5G網路具備高頻優勢,能夠寬頻網路應用的有力支援,因而成為全球通訊大廠在拓展服務範圍時的未來發展重點。尤其是2020年新冠肺炎疫情爆發後,遠距辦公與學習、影音通訊與串流、電競等大量資料傳輸應用的需求激增,在家使用行動寬頻的可能性也隨之增長。


另一方面,5G還能無線運作,對於有線網路佈建成本太高,或是受限於地理條件的地區,例如網路用戶落點較為鬆散的鄉村,或是農工業等占地廣闊的垂直產業據點,5G還能展現極吸引人的應用潛力,提供寬頻與無線的雙全優勢。而世界各國仍有不少地區並未支援寬頻網路服務。美國NCC最新公布的寬頻網路報告就預估,目前仍有多達1900萬美國人無法使用寬頻網路服務。


5G與遠距應用的趨勢就反映了全球市場對行動寬頻的需求增長,而新一波的開發熱潮已經展開,不論是電信商或網通設備供應商,都在積極擴大5G通訊服務與產品的佈局,拓展除了5G手機以外的龐大市場。


1. 5G強勢進場 CPE秒打臉光纖

CPE裝置與FWA服務,正是5G的新興開發焦點,兩者不僅呼應了全球對行動寬頻應用需求的快速成長,更被視為借助5G高頻與無線優勢的殺手應用,能在距離5G基地台5公里以上的地區維持穩定的Gbps等級高速傳輸性能,成功延伸行動網路的高頻訊號覆蓋範圍。


所謂CPE,就是「用戶前置設備(customer premises equipment)」,這些裝置可以把通訊商提供的網路服務連接至有線的路由器或無線區域網路(WLAN)控制器,支援多個終端裝置連線;由於建置在網路用戶端,包含居家、企業辦公室或工業廠房等室內外場景,因此通常被稱作用戶終端設備(customer terminal equipment)。廣義來說就包含了手機、路由器、橋接器、數據機或接取器/分享器等網通裝置。


而FWA,則是「固定無線存取網路(fixed wireless access network)」,能以固網形式提供寬頻連線服務,屬於相對於行動寬頻的固定寬頻。因此,FWA裝置通常會排除手機、工業路由器以及NB-IoT、Cat-M1/2、Cat-1等窄頻裝置。


而5G CPE就是支援5G FWA的CPE,利用5G高頻且無線的傳輸特性,擴展寬頻網路的支援範圍。行動晶片龍頭高通就挹注了大把心力開拓5G應用的多樣性,除了行動平台,也持續開發FWA平台,這就包含了5G毫米波天線模組QTM527、QTM547,還有2019年與2021年推出的第一代和第二代5G FWA平台參考設計。


就寬頻網路而言,5G FWA甚至可說是完勝其他現有的技術,不僅傳輸速度上看10Gbps,大幅超越4G FWA時代的性能,與光纖技術角逐市佔,更在網路佈建上展現時間、成本與可行性的顯性優勢。


5G FWA能善用5G既有的基礎設施,不需額外建置就能立即實現,佈局更快,而且成本更低,還能突破光纖這類有線網路的地理限制,在偏遠或人口較不密集的鄉村地區都能拓展應用。


2. FWA、Wi-Fi、熱點:都是無線連接 但卻大不相同

無線上網是目前台灣民眾普遍的使用習慣。台灣網路資訊中心(TWNIC)最新的2020年研究報告就顯示,台灣民眾的無線上網使用率為83%,其中高達79%使用行動上網,僅約28%使用公共場合的無線區域網路(WLAN),例如Wi-Fi。


顯見行動網路在市場普及度相當高,用戶甚至可以透過手機開啟網路共用功能(mobile tethering),這也是連接5G的現有方式之一。儘管對網路使用者來說,都是以無線終端裝置連接,但其實Wi-Fi和FWA並不相同,而同樣使用行動網路的熱點又和FWA差在哪裡?答案可以從網路訊號來源、頻寬、訊號覆蓋範圍、連接裝置數量和運作功耗來著手。



圖一 : FWA、Wi-Fi和行動網路熱點的技術異同。(CTIMES製圖)
圖一 : FWA、Wi-Fi和行動網路熱點的技術異同。(CTIMES製圖)

長遠來看,行動熱點的運作不僅很吃電,還會因此折損電池性能,而Wi-Fi在使用2.4GHz頻段時,容易受到其他同樣使用無線電波的裝置干擾,例如微波爐,這也是為何利用CPE裝置將5G行動網路訊號轉換成Wi-Fi或是有線網路訊號,可以作為更理想的替代方案。


運用CPE裝置,更多終端設備可以連接至5G網路,一般來說手機熱點可以連接的裝置數量落在5~8台,而單個CPE卻可以連到多達32~64台,而且在功率和功耗的拉鋸上,CPE可以找到最佳的平衡支點,還能結合Wi-Fi功能滿足特定場景對無線連接的不同需求。


3. 5G與遠距應用夯 歐美掀起FWA訂閱熱潮

5G CPE的全球市場規模正在快速成長,也就說FWA正在快速擴展,尤其是歐美地區。通訊設備大廠愛立信最新版《行動趨勢報告》點出,2020年2月以來,除了亞太地區,全球各區的FWA採用率皆有成長,其中,西歐採用率第一,高達93%,其次是北美,仍有80%。


該報告更預測,到2026年底,FWA連結數量將會成長3倍,在全球行動數據總流量的25%,而企業與消費市場的數位服務需求、政府補貼,以及替代有線網路來延伸網路服務覆蓋範圍,是帶動這波成長的三大原因。


目前在全球30個國家和地區,已有超過50家5G通訊服務商推出符合3GPP標準的5G FWA或家用寬頻服務,共計132款戶外與室內FWA CPE宣布或已經推出,上市的也已經有50款。全球行動通訊供應商協會(GSA)截至2021年4月的最新統計更顯示,5G FWA或家用寬頻市場將在5G行動網路越來越重要,目前12%的5G通訊服務商已經投入,而CPE在5G裝置的市佔也達到18%以上。


頻段使用方面,目前已推出的5G FWA服務運行以3.4GHz~3.8GHz的sub-6 GHz頻段為主,僅有義大利和美國支援26GHz以上的毫米波,峰值傳輸速率更創下2Gbps以上的紀錄,最遠可將5G商用網路的毫米波訊號延伸至7km之外。



圖二 : 目前全球5G FWA服務以sub-6 GHz頻段為主,僅美國與義大利支援毫米波頻段。(CTIMES製圖)
圖二 : 目前全球5G FWA服務以sub-6 GHz頻段為主,僅美國與義大利支援毫米波頻段。(CTIMES製圖)

結語

5G除了透過手機在行動網路市場站穩獨霸地位,現在還有機會透過CPE,讓無線固網在家用和5G垂直產業中崛起。科技產業研究公司Counterpoint Research在2020年時就預測,未來十年用於FWA的5G CPE累積產值可高達100億,在2030年前以47%的CAGR高速成長。


尤其是面對毫米波的衰減問題,除了透過例如TDD/FDD傳輸技術等軟體升級,以時間或頻率分隔來實現資料頻寬的動態調配,還可以搭配室內或戶外CPE等硬體來延伸訊號範圍,尤其是高功率CPE,對實現超通量的資料傳輸將大有可為。


在疫情趨動的遠距應用帶動下,5G將會在無線寬頻網路的普及化發揮關鍵作用,不論是連線需求密集的市區,或是用戶位置鬆散的鄉村,未來都極有可能借助5G高頻的寬頻優勢,進一步擴展高速連網的新興應用。


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