【重磅】物聯網催生5G技術萌芽 1+1將遠大于2

2015-11-09 W2O物聯網

也許可能會感到奇怪,怎么4G技術才開臺短短幾年的時間,國外相關業者以及臺灣都已開始積極布局下一代行動通訊——5G的技術與市場?也許也感覺臺灣4G網路品質似乎沒有電信營運商說的那么“神”,臺灣產官學界已經攜手舉行了幾次“誓師大會”,務必扶植臺灣相關業者能在5G技術市場搶得先機。究竟5G通訊技術有何迷人之處,讓廠商如此趨之若鶩?

也許可能會感到奇怪,怎么4G技術才開臺短短幾年的時間,國外相關業者以及臺灣都已開始積極布局下一代行動通訊——5G的技術與市場?也許也感覺臺灣4G網路品質似乎沒有電信營運商說的那么“神”,臺灣產官學界已經攜手舉行了幾次“誓師大會”,務必扶植臺灣相關業者能在5G技術市場搶得先機。究竟5G通訊技術有何迷人之處,讓廠商如此趨之若鶩?

4G技術迅速蔓延全球

觀察過去行動通訊技術的發展,如2G與3G,從技術研究初始到全面開臺、普及,大約10年為一個周期,但相較之下,4G通訊技術也就是長程演進計畫(LTE)的發展可謂相當快速。根據全球行動供應商協會(GSA)統計,截至2014年底,全球LTE用數已達4.97億戶;至2015年中,已達7.55億戶。用戶數的成長數量每年都以億計,也為相關廠商如晶片、設備、電信或量測儀器業者注入一劑強心針。

全球LTE用戶數成長分析

高通技術公司(Qualcomm)資深技術行銷總監Rasmus Hellberg指出,全球行動營運商均積極升級LTE-Advanced(LTE-A)載波聚合(Carrier Aggregation;CA)技術,又稱為4G+。GSA報告指出,截至2015年7月為止共有88個商業網路支援載波聚合,最高可支援450Mbps全球峰值傳輸速率。

觀察大中華區4G的發展,Hellberg表示,中國電信(China Telecom)已在國內的重點城市推出“天翼4G+”第6類(CAT-6)服務;中國移動(China Mobile)宣布將于多個地點建置CAT-6甚至CAT-9網路。不僅如此,4G+演進的下一步計畫將落實3GPP Rel-12功能,例如高階調變,能將下行鏈路的數據傳輸速率增至600Mbps,又稱CAT-12。

臺灣阿爾卡特朗訊(Alcatel-Lucent)客戶技術方案處技術長李思柏(Johan Asplund)亦援引GSA的數據說明臺灣4G的蓬勃發展。他表示,“從開臺至今,今年臺灣的4G用戶已達866萬,甚至是全球4G用戶增長排名第一的地區,”更遑論臺灣曾經在4G的發展走了岔路——發展WiMAX——能有這樣的成績,相當難能可貴。

未來LTE-A的演進趨勢強勁,也將拓展新用途,如裝置對裝置功能,有助于近距離探索及車輛溝通,也能以聚合授權頻譜的形式,將其優點擴及未授權頻譜(在美國等地稱LTE-U,在歐洲、日本等地稱LAA)。甚至包括物聯網(IoT)也將一并獲得改善,例如低復雜度機器通訊(eMTC)及針對新控制服務的超低延遲等,在在都將進一步擴大LTE-A的使用情況。

日韓5G技術搶先起跑

4G如火蔓延全球之際,下一代行動通訊技術5G也開始醞釀,日本與韓國電信業者已分別宣布將在2020年、2018年展現最新的5G技術網路——日本NTT DoCoMo與諾基亞(Nokia)將共同研發實現高頻網路運行的5G無線網路技術,并計畫在2020年的東京奧運會上向全世界展示;而韓國電信(KT)腳步更快,將和成功驗證5G多層次異質網路載波聚合技術的愛立信(Ericsson),在2018年平昌冬季奧運上成為全球第一個推出5G通訊服務的業者。

此外,中國大陸網通設備供應商華為(Huawei)也宣布2018年將開始布建5G網路,中興(ZTE)也將隨之跟進。由此可見,4G市場的火焰正熾之時,相關業者已開始5G技術的研發,以期可順利進軍下一代傳輸速率更高、效能更好的行動通訊技術。

面對3G與4G成本尚未全面回收的同時,全球許多地區已開始發展5G技術,業者均表示,現階段發展5G技術并沒有所謂太早或太晚的問題,反而時機正好。Marvell行動產品總監張路認為,4G發展相當的快,今年下半年新興國家如俄羅斯、印尼與印度等地,利用4G取代3G技術的態勢會越發顯著,而5G在技術與應用上需要長遠的演進,預期2020年之后5G技術將開始進入商用階段,因此現在著手進行研發、克服5G技術挑戰,并不會太早。

李思柏也表示,從1G到現在的4G,每一個G的技術發展大約需歷經10年時間,因此現在發展5G,到3GPP發布標準,時間上其實沒有較其他技術初期發展時來得快,而5G技術的要求須讓現有行動通訊技術再大幅精進,因此現在正是對的時間發展5G技術。

物聯網、M2M成為5G關鍵應用

5G技術究竟能為現在的生活環境帶來多大的改變?以至于業者即便在標準未定的狀態下,毅然投入?Hellberg 指出,5G能開創新服務、連接新產業與裝置、創造新使用者體驗,這些皆是以LTE-A以及4G+帶動的轉變為基礎,而未來LTE-A也將繼續演進。不僅如此,5G不只是提高峰值速率,更將滿足未來10年不斷擴大的連網需求,同時無縫運用4G與無線區域網路(Wi-Fi)領域的投入成果。

未來,5G將促進行動寬頻的演進,但更重要的是,其將更具備規模彈性以支援更極端的使用情況,從連接大量的物件到新服務如超穩定的任務臨界管控。Hellberg強調,5G將提供無邊際的連網體驗,裝置不再只是終點,而是提供全新的連接和互動方式,并帶來一致的體驗,例如無所不在的高速數據傳輸和基地臺邊際的限制。而統一的5G平臺將建于OFDM基礎上,支援所有頻譜類型與頻段,可彈性容納新服務與各種營運模式。

5G與通訊、儲存、處理……各方面均密不可分

羅德史瓦茲(R&S)應用工程支援部經理林志龍表示,4K、8K電視將是5G市場發展底層推手,以及對影像或視訊即時回傳需求大的應用,如救災工作,將更有5G發揮的空間。反而智慧型手機應用不再是主要推動力,這是由于相較之下,智慧型手機應用還是相當有限,一般的使用者可能不需要那么高的頻寬。張路則認為,使用者或新應用對于頻寬的需求,物聯網及涵蓋其中的智慧家庭(Smart Home)、車對車(V2V)、智慧城市基礎設施、遠近程醫療或是工業應用,都是讓5G快速萌芽的“養分”。

從5G技術演進來看,5G有部份技術的更新與采用是為了因應物聯網而設計。李思柏分析,在可預見的未來物聯網時代中,機器與人的溝通將擴展至大量的機器對機器(M2M)的連結,另外,未來的影像資料傳輸量,將占總體網路資料傳輸量的70%,這些都將促使行動網路傳輸速率的再提升,而5G的高傳輸速率與更高的網路穩定性恰好能符合上述應用所需。

目前,或許每個人都認為5G是指4G后的第五代行動通訊技術,但5G并不僅止于此。德國德勒斯登工業大學(TU Dresden)通訊網路教授Frank Fitzek在日前的歐洲國際半導體展中強調“5G技術更是為了物聯網裝置的控制與操縱而打造的。”

美國國家儀器(NI)大中華區市場經理湯敏也認同這一看法。她表示5G能夠讓物聯網的概念落實,而物聯網則有利促進5G未來的通訊技術發展,“物聯網已經講了很多年了,如今拜5G之賜正進一步讓工業物聯網(IIoT)應用場景落地實現,這2種技術即將展現1+1大于2的趨勢!”

盡管5G將從4G發展而來,在LTE蜂巢式技術上強調更大的資料量與頻寬,但5G更關系到物聯網。NI技術經理潘建安進一步解釋,“5G除了追求更高速率,另一方面也著眼于物聯網應用中要求更長電池續航力、更省電且低功耗傳輸的M2M與裝置對裝置(D2D)通訊,而在這方面沿用的就是802.11的架構。”

市場或各家業者紛紛預測5G殺手級應用的同時,Hellberg 則有不同看法。他認為,“5G技術三大服務類別包括:增進行動寬頻規模至超寬頻、能夠連接低功率/復雜度物件等大量物件、超穩定任務臨界管理等新服務,然而5G標準化進程才剛起步,若要判斷哪個應用市場會率先引進上言之過早,但增強型5G行動寬頻服務預估將成為首批5G技術試驗及商用項目,以做為最根本的服務。”

5G技術“大躍進”

雖然5G技術可創造新的應用服務商機,但要發展5G真正將晶片、設備、終端裝置…等開發出來,可不是件簡單的事。Gartner物聯網與無線部門研究副總裁洪岑維表示,事實上,所謂“真正”稱得上是5G的技術目前皆尚未開發出來,各家廠商都還在戮力研究中。

市場或業界對于行動網路技術的三個新需求——亦為對5G技術的新要求——傳輸速率更快速行動寬頻、高效能且低延遲,以及支援機器間的通訊。而這三項需求看似目前的4G已可滿足,但實際上卻相當嚴苛。根據國際電訊聯盟(ITU)公開5G的網路標準,其傳輸速度為20Gbps,目前最快的4G網路傳輸為150Mbps,這即為上述更快速傳輸速率的需求。低延遲的需求是指資料從A點傳輸至B點時,在最慢1毫秒(ms)及99.999%的時間點內就得完成;而支援機器間通訊的需求即是M2M。

ITU為5G網路制定目標

上述三個需求也衍生了5G技術的五大技術挑戰。洪岑維進一步解釋,五大技術挑戰包括毫米波(mmWave)、大規模多重輸入多重輸出(Massive MIMO)、M2M、智慧裝置,以及節點為中心的網路(Node-Centric Network)。為了提升傳輸速度,勢必使用更高頻的頻段,據了解,5G將使用6G~300GHz頻段,此超高頻段已非新技術,軍方早已使用,但即便如此,5G也將面臨新的問題——訊號穿透率——高頻訊號將很難穿透一般建筑物的墻壁,需在空曠處才能有較佳的連線品質。

現今的4G技術發展至2×2或2×4最多到4×4 MIMO已具備相當的技術挑戰,5G的Massive MIMO從字面上來看就“不簡單”。洪岑維表示,5G由于要因應物聯網應用中大量裝置間的聯系,因此設計32×32或64×64 MIMO的架構。不僅如此,每一根MIMO天線都要能夠進行波束成型(Beamingforming),也就是說,一旦裝置與基地臺的連線確立后,即使裝置開始移動,這樣的連線機制與波束成型的功能都不能因此中斷。

現今蜂巢式Cellular技術架構仍是以基地臺(BS)為主,但是傳送到遠端的建筑物中訊號不僅會減弱,傳輸速度也無法保持原有的品質,因此5G節點為中心的網路架構則是在室內布建支援毫米波的小型基地臺,如此一來,遠端的基地臺就可以換手(Hand-off)給室內或房間的基地臺,提升訊號傳輸覆蓋率的品質,也能提高資料傳輸速度。不過這中間的傳輸機制該如何制訂、不同廠牌間的基地臺該如何互通或順利進行換手,將相當考驗電信營運商或網通設備商的智慧。

在M2M的部分,愛立信集團技術部亞太區技術長Magnus Ewerbring指出,2020年全球將有260億個聯網裝置,M2M即占73.2億臺,這些龐大的裝置要能同時連上網路并進一步互通,對電信業者將是很大的技術挑戰。也因此,若5G技術要能滿足上述條件,不僅延遲時間不能高于1ms,且也須在時間點內完成資料的傳輸,亦即網路傳輸的效率得再提高。

Ewerbring簡單統整5G技術挑戰,包括行動寬頻資料傳輸速率提高10~100倍、延遲時間再縮短5倍,但連網裝置功耗卻得低上10倍。李思柏強調,4G跨到5G技術中間有一定的技術挑戰,除了換手機制、連線品質的再升級外,干擾問題、新頻譜的使用、毫米波等問題的克服亦相當重要。洪岑維則坦言,業者們仍在持續思考能以那些現有或新技術實現5G的技術架構。

標準、政治角力也影響5G發展

如果你認為5G發展挑戰只有上述所提,那就是把5G技術想得太簡單了。羅德史瓦茲應用支援經理陳飛宇表示,5G和4G間的技術差異真的相當大,然而除此之外,還需考量技術以外的問題。

現階段,由于標準未定,因此5G技術的發展處于“多頭馬車”的狀態。林志龍認為,各家甚至各地區相關業者發展5G技術尚未有共識,雖然ITU、3GPP等國際單位正在研擬相關5G規范,但是日韓或是美國電信業者,以及晶片商或設備供應商等率先在標準底定前發展5G網路,目的就是為了要取得市場與標準制定的主導權。

舉例來說,4G技術美國本想取得“主控權”,但因VoLTE(Voice over LTE)、載波聚合等關鍵技術韓國發展較快,也因此韓國掌握較多“資源”,在4G發展上“講話也比較大聲”。有此先例,也促使韓國電信搶先建置5G技術,以期可贏得市場先機,成為5G標準規范或市場主導者;而其他國家如臺灣、美國及日本電信商為了不讓韓國專美于前,也紛紛急起直追。

除了標準未定外,各國間的頻譜角力戰也可能影響5G標準制定的進行,甚至市場發展。林志龍指出,目前尚未確定5G采用的頻段會落在何處,只知道會采用尚未使用的200MHz及6~300GHz以上的高頻段,而隨著各國搶先開臺,采用的頻段各不相同時,漫游費用若是談不攏、各家業者搶著當領導者,如此裝置的漫游就會發生問題,若是晶片得支援每個被使用的頻段,則不僅成本會很高,功耗也會提升。

業者積極布局5G技術

5G的標準究竟何時底定?目前所知是2017年時,會有初步的版本出來,2020年5G將可正式開臺。不過即便標準未定,業者已開始搶先布局,其中以量測儀器廠商及設備商的腳步最快。Ewerbring表示,3GPP持續推出LTE新標準,如Rel.10、11、12等演進版本,或是針對M2M制定的LTE-M,以及NB-LTE,都是讓廠商循序漸進由4G過渡到5G的重要方式,只要遵循此進程,業者研發的5G產品將不會有太大的“失準”。

·先進測試驗證方案加速5G研究 盡管系統業者、元件商與營運商對于5G的未來發展看法不同,甚至還存在政治角力,但從技術上來看目標是一致的。是德科技(Keysight Technologies)行銷處副總經理羅大鈞指出,“5G的終極目標在于將傳輸速率提高到GHz/s等級、小于1ms的低延遲與低功耗等,為此,更重要的是定義哪一個頻道的應用。”

羅大鈞進一步解釋,針對6GHz頻段以下的5G測試,現有的2G、3G與4G方案已能滿足需求,目前全球各地研究單位看好的是毫米波頻段,但對于這一頻段的通道瞭解有限,需要更前端的通道探測(channel sounding)途徑掌握通道特性與建模。為此,是德科技在現有的5G測試方案外,率先提供通道探測解決方案,整合毫米波、超寬頻頻寬與MIMO技術,協助研究單位加速更先進的5G通道探測研究。

NI更進一步提供從原型開發、演算法部署與驗證,以及最后發布到機房進行實測的完整系統,期望協助客戶盡早走出實驗室。湯敏表示,“5G標準化進程雖然還在發展中,但業界廠商已經在主要技術方面達成了共識。舉凡Massive MIMO、波束成形與毫米波等各種與5G技術有關的驗證與測試,以及無論是強調更高速的蜂巢式通訊還是瞄準超低功耗的物聯網應用,NI均提供了相應的方案架構,不但為還在實驗階段的5G研究提供演算法與標準化驗證,另一方面也協助營運商進行實測。”

羅德史瓦茲自然也不會在此市場缺席。陳飛宇指出,除了先前軍方已使用的毫米波技術,以及因應5G采用高頻的趨勢,羅德史瓦茲持續增加現有儀器產品如頻譜分析儀、訊號產生器等支援的頻寬,以滿足測試需求外,針對5G產線端的測試儀器,將有新的測試機種問世。

·晶片商等待標準才有進一步計畫 Hellberg強調,5G標準化工作剛從2015年9月中開始,預計至2020年才會正式商用,由于5G尚未定義完成,討論產品還言之過早。張路亦認為,5G標準未定,因此Marvell尚未有明確的5G產品計畫出爐。

分析現有晶片商或網通設備供應商在5G市場的競爭力,洪岑維透露,英特爾(Intel)、高通、聯發科(MedaiTek)、三星(Samsung)等較有機會勝出,主要關鍵是“口袋夠深”;網通廠的部份則是愛立信、華為、諾基亞、三星、中興等。林志龍則認為,展訊背后有官方支持,加上4G晶片市場展訊(Spreadtrum)已逐步追趕上來,其未來發展態勢也不容小覷。

臺灣產官學齊力斷金 領跑5G Small Cell

臺灣在5G的技術專利或參與國際標準制定上相當積極,不可諱言,是為迎頭趕上國際大廠的腳步,不想重蹈2G到4G都只能當跟隨者的覆轍。林志龍表示,由于5G要求更高的傳輸穩定性、可靠性與更好的網路覆蓋率,并得解決高頻訊號遮蔽的問題,因此小型基地臺(Small Cell)將具備舉足輕重的角色。

而臺灣在5G小型基地臺的市場相當有優勢,這是由于臺灣小型基地臺具備“一條龍”的研發優勢,因此臺灣官方與產學界戮力參與標準制定,以期協助臺灣小型基地臺制造商有更多的產品設計主導空間,而不再只是代工。

李思柏則認為,每個國家政府都會扶植自有廠商的發展,并導引業者朝對的、具優勢的產業前進。林志龍也強調,小型基地臺由于系統架構較小,技術門檻相對較低,因此是臺灣局端業者,甚至先前發展WiMAX的用戶端(CPE)廠商可鎖定的目標市場。

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