走進 5G 的世界裏.....梁柏年 VR2YIZ

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       本文原刊載於 2019年3月出版的 本會70週年會慶特刊。作者 梁柏年先生 VR2YIZ 曾任 香港電視廣播有限公司( TVB) 工程部 發射科 首席工程師，現為 偉施工程服務有限公司 負責人。

5G的催化劑
    第一代無線電話通訊技術(1G)主要是以類比語音為主，但因為通話品質不佳才又推出第二代數位化技術(2G)。2G不僅優化了通話品質，也加入通話保密的機制，還可以傳遞簡單的文字訊息。2G的問題是頻譜使用效率不好，而且各家廠商在技術上、產品上都互不相通。所以後來國際標準組織ITU-R開始進行全球無線通訊技術制定工作標準，並能全球互通，而且傳輸速度與頻譜使用效率都提高的第三代無線通訊技術(3G)。約2008年，使用行動網路的應用服務愈來愈多，智慧型手機也愈來愈普及，面對大量的通訊與影音資料傳輸，使許多電信服務的運營商不得不繼續向第四代無線通訊技術(4G)發展，目的除了繼續加大、加快通訊網路能夠處理的資料及通訊量，同時也優化整體網路基建及運作效率，以滿足日新月異的消費市場需求。那催化5G市場發展的推動力又是什麼呢？ 首先還是需要看市場需求端的拉力，同時也就是應用服務的發展狀況，再來瞭解現行無線通訊技術的缺點或不足之處，以及電信服務商準備更新或相關基建的意願與動力。而目前最熱門的發展趨勢就是物聯網，會有愈來愈多裝置可以彼此互連，甚至直接連上網際網路傳遞交換訊息。而國際研究調查機構的估計到了2020年，全球穿戴式裝置的用戶數會超過10億人，其中又以藍芽耳機與戴在手腕上的連網裝置為主，例如醫療健康監控用途的智能手環。又未來Apps應用的發展勢必會愈來愈多元化，例如智慧醫療、智慧製造、智慧家庭、智慧交通、智慧能源、智慧建築、虛擬/擴增實境、…等等，尤其在半導體的技術突飛猛進的帶動下，承載了這些服務的小而美的智能連網裝置也會愈來愈多，資料處理與儲存能力也會不斷被強化，可以想像，即時的、巨量的、高質化的資料需要透過網路傳遞互通。根據網絡廠商思科的推估，2019年全球移動通訊使用量跟2014年相比,增長了十倍，每個月的行動數據將達24.3EB，其中又以影音資料量成長最劇烈。因此，更好的資料傳輸速率、低能耗與低延遲等等性能，以及琳瑯滿目的物聯網應用服務將會是推動5G發展的重要驅動力。


現時 4G 頻譜

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5G在超高頻的發展
      各國電信商及設備業者也持續投入5G基礎建設，希望能加速5G服務商用化時程。5G商用頻段朝向高頻段發展，因為可提供大頻寬、高傳輸速率與低延遲的服務，但高頻特性同時也為5G基站從設計、開發、佈局到以後設備維修帶來全新的挑戰。
5G頻譜包括6GHz以下以及6GHz以上的頻段，從各國現階段釋放出的頻譜看來，首先釋放出來的頻譜6GHz以下以3.4GHz~3.8GHz為主，而作為最高速使用的頻段則以24.75~28GHz最為熱門。
      為了尋求更大的可用頻寬以提供更高品質的通訊服務，移動通訊不斷向高頻發展。而隨著頻率越來越高，訊號的特性也會有所改變，不論是3.4GHz~3.8GHz，其訊號穿透性、傳輸距離都較4G主要幾個頻段(700MHz、900MHz以及1800MHz)還要差。因此，若要提供5G的高頻寬、高傳輸速率與低延遲的移動服務，需要因應頻譜與訊號特性做出更精密的考慮。


世界 5G 頻譜

      5G基站的超高頻率的載波通訊所帶來的設計挑戰，是除了多天線、多工調變方法之外，另一個能直接大幅提升資料傳輸速率的途徑。不過在超高頻技術也因其物理特性而面臨到傳輸路徑損耗(Path Loss)、集膚效應(Skin Effect)等問題，導致通訊距離短、覆蓋範圍小、易受干擾且易被人體及建築遮蔽。
      5G 在3.4GHz~3.8GHz的頻段應用上也面臨到上述挑戰，因在3.5GHz頻段來看，也比4G常用的900MHz以及1800MHz頻段還要高，通訊距離與訊號的穿透性都會有所影響。因此若要利用3.4~3.8GHz的頻段，提供低延遲、大傳輸量的5G服務，便要使用大規模陣列天線(Massive MIMO)、波束成形(Beamforming)等技術，就是為了要克服上述問題。這使基站的天線陣子數大幅增加，約為4G基站的2~3倍。據了解，4G基站天線陣子數最多達64個，而現階段開發的5G基站天線陣子數最多達198個。天線陣子為輻射單元，天線的陣子就像電暖爐的反射片，片數越多，電暖爐供熱的效率就會越快、越好，而天線陣子數的增加，可提升高頻訊號的覆蓋範圍。
      另外，為提供大寬頻的通訊服務，5G基站的天線通道數也會大幅增加。從目前的發展來看，現階段5G商用天線通道數最多達64TRx，除了大型的64TRx天線系統外，5G基站也會採用16TRx、32TRx天線系統進行佈局；而在4G基站常見的規格則為2TRx、4TRx及8TRx天線系統。換句話說，5G基地台的天線通道數比4G時代提升8倍左右。通道數的增加除了可提升系統傳輸的流量，也可藉由智慧型天線MIMO技術實現波束成形，能更精準地控制波束，從而減少基站間的訊號互相干擾。
至於未來5G基站的天線通道數最多只會用到64TRx。原因是天線數量增多，基站的功耗、尺寸與重量也會跟著增加，目前的研究與測試結果看來，天線通到數增加至64TRx以上，增益效果有限。


華為 4G 與 5G 基站圖

     除了天線陣子數與通道數之外，5G天線系統的類型也與4G天線系統有很大的差異，4G基站採用冇源式天的線系統，而5G則採用了有源天線系統。由於5G的超高頻訊號透過使用纜線傳輸至天線系統，耗損情況十分嚴重。為了克服智慧型天線功率消耗與重量問題，電信設備業界也持續投入投入射頻IC技術的研發，利用電路板將射頻元件整合成IC封裝，取代傳統天線系統大量的元件。RFIC技術可降低50%的天線系統重量，功耗也會降低。
     觀察全球基站市場，由於目前5G商業部署剛起步，只有少數國家在進行區域性的佈局，所以5G基站的市場規模仍非常小，目前全球的基站市場仍以4G為主。而根據各國市場調查的預測，要到2020年5G基站的出貨量才會有明顯的提升，達到10%的市場占有率。
     關於小型基站方面，雖然有部分業界看好小型基站在5G應用上的發展潛力，但目前營運商對於要運用高頻寬、低延遲技術，來提供什麼樣的服務，仍未有明確的方向，再加上市場上小型基站的晶片解決方案少，市場需求不明顯，目前小型基站市場發展呈現停滯狀況，可能等到晶片解決方案陸續推出、應用的前景明確後，才會有進一步的發展。
     從技術方向來看，小型基地台確實可以扮演「補洞」的角色，以提升5G的覆蓋範圍。然而，從過去佈局的經驗來看，小型基站在商用設計過程中，會面臨對找地方不易、租金成本過高等問題；若將小型基站建在室內，市民的接受度、維修成本與損壞的責任歸屬也將成為另一項難題。因此，小型基站若要找到成功的商業模式，必須脫離「輔助大型基地台」的角色，朝著應用市場或強調資訊私隱的私有網路發展，也許能在「解放頻譜資源」的趨勢下，創造出另類的成功商業模式。

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5G技術的考驗

    5G技術將會面臨的新的考驗主要體現在三個方面：不絕爆漲的資料量、物聯網的壓力，以及不斷湧來的創新思維應用與服務。面對未來十倍速成長的資料量，以目前峰值速度在100Mbps左右的4G來說，尤其又需要考量到愈來愈多巨量的、要求高清的影像資料加入之後，通訊品質恐怕會愈來愈惡劣，需要遷移到5G上運行了。此外，超量的連網數考驗也必須解決。據國際研究調查機構IDC的研究，未來可以連網的裝置或物品將會超過二千億件。因此，在各式各樣裝置都需要連網傳送接收資料的情況下，不同基站間必須能夠支援動態協同運作的機制，頻譜使用效能也必須與時並進，例如:軟體定義網路(Software Defined Networking)、網路功能虛擬化(Network Function Virtualization)與新一代載波聚合(Carrier Aggregation)技術發展。
      至於運營商繼續發展5G的意願與動力來源，主要還是在成本效益上作考慮，根據未來收益水平來決定要如何規劃或建設。，而現時的真正收益者開始慢慢轉移至前端應用服務商。因此，有愈來愈多電信服務商開始結盟前端的物聯網應用服務業者，意欲發展自己的物聯網服務運作體系，透過槓桿不同領域優秀或新創業者在技術、產品或市場上的優勢，以便在競爭激烈的市場中主動打造屬於自己的特殊優勢。所以，隨著物聯網時代的來臨，不論是電信業者或資通訊廠商都已經走向跨技術與跨領域的協同創新模式，引領出物聯網運作體系為基礎的軟硬體整合新商機。