不可錯過的5G技術與標準科普

周毅

2017年，5G技術的應用已經被大眾所知，舉凡自動駕駛、個人AI助手、遠距醫療等，都將因為5G技術的突破而實現，到底5G與4G技術的差異在哪里呢？這就得從有線、無線傳輸開始說起。

顧名思義，有線傳輸代表透過實體介質傳送資料，而無線傳輸則是透過電磁波傳送訊號到基地臺，接著轉往電信運營商的機房傳輸。以有線傳輸來說，目前單條光纖最高速度已經能達到26 Tbps，幾乎是傳統網速的上萬倍之快，因此，當前世界各國苦心鉆研的，是打破無線傳輸的速度限制。

除了常見的電磁波傳送外，近年竄紅的還有光波傳輸LiFi（Light Fidelity），是相當于WiFi的可見光無線通訊（VLC）技術，能利用發光二極體（LED）燈泡的光波傳輸資料，除能提供照明與無線聯網，還可避免產生電磁干擾。

然而在無線傳輸技術的研發主流上，仍是以電磁波傳輸為主，其中的頻率范圍扮演了重要角色，它的公式原理也很簡單─頻率越低（如特低頻VLF，3 kHZ～30 kHz），速度越慢，它的波長也就越長（長波，100 km～1 000 km），傳輸范圍更廣，目前主要的應用為遠距離通信。

反之亦然，頻率越高（至高頻EHF，30 GHz～300 GHz），速度越快，波長越短（毫米波，1 mm～10 mm），傳播范圍也就越短。

目前電信使用的4G頻段包含900MHz、1 800MHz、2 100MHz、2 600MHz四個頻段。

而目前的第五代行動通訊系統（5G）標準，雖然預計將于2018年中訂出，但下一代移動網路聯盟（Next Generation Mobile Networks Alliance）則早已定義了5G網絡的要求：以10 Mbps的資料傳輸速率支持數萬用戶；以1 Gbps的資料傳輸速率同時提供給在同一樓辦公的許多人員等等規定；支持數十萬的并發連接以用于支持大規模傳感器網路的部署等。成為各大電信系統商欲達成的目標。

5G厲害在哪里？

5G并不是簡單提升速度就好，它還得包含許多特性：包括毫米波、MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）、波束賦形、D2D等。所謂的毫米波，也就是前述所提到的高頻，然而為什么我們過去不使用速度更快的高頻呢？是因為高頻過去多半運用于軍事上，另外則是有成本的考量。

成本的考量又是什么？電磁波的頻率越高，波長就越長，連帶地它的繞射能力也就越差，就如同衛星通訊及GPS導航一樣，對于傳輸方向有一定要求，因此，運營商就得興建更多的基地站來傳遞訊號，成本也就跟著水漲船高。舉例來說，原本一個4G的基地臺就能覆蓋的范圍，5G基地臺就得裝設6-8個基地臺才夠用。

為了解決這項問題，多數運營商會使用微型基地臺（Microcell）來取代過往的大基地臺，成本也能跟著下降，這時也會引發一些疑慮，如果架設了這么多的基地臺，會不會造成更多的輻射污染呢？

這可以用一種簡單的類比來說明：在一間房間里，用一個大功率的暖爐好，還是數個小功率的暖爐好呢？答案當然是后者，因為后者的覆蓋良好，熱能不會集中于某區域散播，而是相對分散，并且速度快，功率影響也更小。

而MIMO又是什么呢？答案是裝設“更多的天線”。為什么智慧型手機內能容納更多支天線呢？是因為當頻率越高時，波長短，天線也就跟著縮短。過去的大哥大多有一只長長的天線，而今日卻已經不常見了，并不是因為它們不再被需要，而是縮小嵌入整只手機里頭去了。

而5G時代使用的毫米波，天線也能再度縮小。因此，除了可以將更多的天線塞入手機外，微型基站內也能放入更多的天線，接收與發送訊號的窗口越多，處理速度也能大幅增加，達到所謂的“多進多出”。

控制電磁波的傳輸方向

再來是具備高技術門檻的波束賦形。電磁波的傳輸，一般是用四散、廣播的方式傳遞訊號，然而我們通常只需要將訊號朝著某方向傳遞即可，多數的電磁波能量都被大幅浪費。

而波束賦形則是可以控制射頻訊號，使得基站上的電磁波，能對準它提供服務的對象（智慧型手機），并隨之改變方向。透過此項精準傳遞訊號的服務，可以大大提升基地站的服務數量。

最后一項5G特性─D2D（Device to Device），則代表當日后使用5G技術時，不再需要透過基地臺來轉送訊號，即可讓鄰近的兩臺無線裝置能夠建立直接連線（Device-to -Device Link）來進行通訊，大幅度地降低基地站的使用資源。

5G在生活中實現

而在什么時候才能夠看到5G實現在日常生活中呢？目前已經有部分5G技術開始進行測試，例如美國AT&T和Verizon正測試家庭和企業的5G寬頻固網；世界各地的運營商則預估將在2020年開始提供5G的行動服務。

2017年11月，美國電信商Verizon也宣布在2018下半年將在加州推出業界第一個商用5G固定無線接入寬頻網路服務，并在2018年年底前擴張市場。此外，Verizon宣布將和瑞典電信設備制造商Ericsson合作，Ericsson將成為2018年商用固定無線接入5G服務的網路設備供應商。

目前各家電信商正在進行多種模型的測試校正，包含網絡的建立方式以及使用的電磁波頻段，可預見的是，5G將是新一波的戰場，勝出的技術和方案將成為業界標準，也能在新世代中取得領導地位。