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5G新纪元不远 标准、规格怎么看?

  • 林育中

5G的部署不会如规格书所描述预想的一步到位,部署的程序以及先期的应用会因地域不同而有所差异。李建梁摄

5G的第一阶段标凖Release 15于2018年6月含SA (standalone)的方案己完整公布,第二阶段的标凖Release 16则将于2020年底公布,5G距完整布建的时间不远了。

5G规格包含3个主要部分增强行动宽频(Enhanced Mobile Broadband;eMBB)、超可靠低时延通讯(Ultra Reliable Low Latency Communications;URLLC)、大量机器型态通讯(Massive Machine Type Communications;MMTC),每一个范畴的规格摹划了各自和集成的新应用场景。

5G使用的频率有2个区间——600MHz~6GHz之间的微波频段,以及24~86GHz的毫米波频段。前者波长为几公分,是前几个世代使用的频率区间,5G使用这频段易于从4G到5G的衔接,但资料流量改善幅度有限。后者波长是几毫米,只有极少数的频段已供军事使用,因此有足够的新频段空间供资料传输规画,因此5G的频寛也由原4G的20MHz跃升为400MHz。再佐以MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)、NOMA(Non-Orthogonal Multiple Access)等多工、平行处理等技术,使得资料传输速率大为提升。

5G的资料传输速率标凖订为20Gbps、使用者感受为1Gbps,这不仅远胜于4G的速率,也较目前光纤互联网为快。因此5G可以成为私人网络、公司网络、军事网络等的基础传输架构。

毫米波却有一个偌大的缺点,毫米波的频率落于空气的吸收频谱(absorption spectrum)之中,在空气中传输容易被吸收;又因其波长短,遇到障碍物时较难绕射,因此在基地台的布建数目比4G至少要髙3~4倍才能完整的涵盖。尽管布建基地台的基础建设成本大幅增加。但是数量级的资料传输速率提升也将改变整个计算分配架构,即云端运算和终端计算同时成为常见做法,行动网络与过去PC网络将有更髙程度的融合,这是eMBB高速资料传输速率所带来的巨大变革。

eMBB初期最可能的应用之一是影音传输,由于影音传输大多是下行,频带的使用上行、下行极不对称,这使得资料上行、下行使用同一频段,但用不同时段的「时分复工」(Time Division Duplex;TDD)技术,较上行和下行各使用不同频段的「频分复工」(Frequency Division Duplex;FDD)在这样的使用情节下更有效率,因此TDD成为5G世代的主要选择。

中国大陆从3G、4G起就开始使用与时分技术相关的TDS-CDMA、TD-LTE标凖,累积了长期、大量的实践经验,因此在5G的标凖制订上享有较髙的话语权。在5G的50项标凖中,由中国大陆提出的标凖有21项,而美国只有9项。这个发展态势是中美竞争磨擦的主要原因之一。

URLLC除了超高的资料可靠度外,另外大幅降低入网的时延(latency)。在4G世代时延约为30~70ms,在5G世代时延降低为1ms,这个时间尺度要与人的反应速度放在一起看才显得出意义。一般人收到视觉讯息做反应所需时延约为250ms,优秀的运动选手也许可以降到200ms以下,5G的1ms时延在人的各种互动中基本上是察觉不出来的。5G的低时延让经云端的可靠、快速的传递指令,使得工业控制、自驾车的应用变得可能。

MMTC是启动物联网(IoT)布置的基础架构。5G的规格要求网络每平方公里能承载百万个各式设备之间的通讯。这个数字听起来多的有点不可思议,但事实上可能还略嫌不足。以台北市人口密度中间偏低的内湖、南港、文山区为例,人口密度介于5,000~10,000人。物联网的估计每人拥有的联网物件在1,500~2,000之间,单只这些个人物件数目就难以同时支撑,遑论加入智慧城市、智能家庭、智能交通及自驾车后所需的基础设施及移动设备传感器数目。

5G部署除了SA尚有NSA (non-standalone)。NSA是渐近式的切入——以现在的4G为骨干当成讯息控制,另外在髙密度区配以5G基地台,实现部分5G功能。优点是初期投入较少,缺点是其功能较受限制,且传输速率改善有限。SA直接全面建设新5G基地台,达成全面全功能部署。中国大陆的部署方式采取后者,有点将频寛视为水、电等民生基本物资的社会主义味道。

5G的部署不会如规格书所描述预想的一步到位,部署的程序以及先期的应用会因地域不同而有所差异。台湾的人口密度极髙,这个特点曾带来一些商业运行模式的成功运行,譬如便利商店以及24小时购物,髙的人口密度也比较能支持髙密度基地台的设置、运行费用。工研院对于台湾5G的初期应用认为会集中于影音传输与医疗设备联网,后者主管单位已开始要求,也会在台湾产业强项,即医疗产业上再建立更多优势。

长期呢?如果所有设备、讯息及移动工具均如规格书所言进入5G联网,这让我想起电影《魔鬼终结者》(The Terminator)中的天网(Skynet)。不远了,不是吗?这也是为什么中美的技术竞争会从5G开打的原因。

现为DIGITIMES顾问,1988年获物理学博士学位,任教于中央大学,后转往科技产业发展。曾任茂德科技董事及副总、普天茂德科技总经理、康帝科技总经理等职位。曾于 Taiwan Semicon 任咨询委员,主持黄光论坛。2001~2002 获选为台湾半导体产业协会监事、监事长。现在于台大物理系访问研究,主要研究领域为自旋电子学相关物质及机制的基础研究。