5G成物聯網關鍵技術？Nokia、SGS等高管是這么說的

　　為達到各界對5G通訊高傳輸率、低延遲、高網路容量密度等共識目標，通訊業(yè)者正積極朝使用更高頻段頻譜、引進新的調變與天線技術，以及整合異質網路等三大方向投入研發(fā)。掌握關鍵技術發(fā)展，可以發(fā)掘未來十幾年科技與通訊領域重大商機。

　　2017年5G發(fā)展將全速前進。在各國政府與主要通訊大廠競相投入下，5G技術與標準的發(fā)展已更趨明朗，日前美國聯邦通訊委員會(FCC)完成5G頻譜分配規(guī)劃、高通(Qualcomm)與Intel都將推出晶片解決方案，另外，Verizon攜手七家5G技術論壇伙伴一同研擬自訂5G標準期在2017年提前商用，這些進展在在皆顯示全球5G發(fā)展能量已迅速積累，2017年市場熱度更將攀升至新高點。

　　為達到各界對5G通訊高傳輸率、低延遲、高網路容量密度等共識目標，通訊相關業(yè)者正積極朝使用更高頻段頻譜、引進新的調變與天線技術，以及整合異質網路等三大方向投入研發(fā)。因此，本次活動特別邀請研究單位與技術領先的廠商擔任講師，剖析如何運用6GHz以下頻段與毫米波頻段達到更高傳輸速率;并介紹通用分頻多工(GFDM)、MassiveMIMO、行動邊緣運算(MEC)等5G關鍵技術。

　　5G產業(yè)愿景?科技發(fā)展核心

　　3GPP的第五代行動通訊愿景分成三個部分，Nokia端到端解決方案部資深技術經理Johan Asplund(圖1)說，傳統(tǒng)的行動寬頻重點為Extreme Mobile Broadband，目標是無論何時何地傳輸速率皆可達100Mbit/s，峰值速率(Peak Rate)超過10Gbits/s;而大規(guī)模物聯網Massive Machine Communication，強調低成本、低耗電、大量連結，每平方公里100萬個節(jié)點;特殊應用物聯網Critical Machine Communication，強調低延遲(Low Latency)、高可靠度(Ultra Reliability)、無行動中斷(Zero Mobility Interruption)。

　　圖1，Nokia端到端解決方案部資深技術經理Johan Asplund說，5G的重點為Extreme Mobile Broadband、Massive Machine Communication與Critical Machine Communication。

　　5G高速傳輸有一個重點，就是采用高頻毫米波頻段，大約是在24GHz～86GHz，詳細使用頻段還有賴各國政府與電信主管機關訂定。另外，更多頻道同時傳送訊息，也有助于傳輸速率的提升，運用大規(guī)模多進多出(Massive MIMO)技術，搭配波束成型(Beamforming)、波束追蹤(Beam Tracking)技術可大幅提升傳輸速率與品質。而結合不同網路頻寬的異質網路整合技術，是提升傳輸速率的方式。彈性的框架設計與分散式的架構，也是發(fā)展重點。

　　在產業(yè)預期進展部分，Johan Asplund表示，今年在北美地區(qū)，定點的無線傳輸速率將達1Gbits/s，峰值速率將達5Gbits/s。2018年韓國昌平冬季奧運，將推出試運行的5G服務，除了強化行動性，無線傳輸的峰值速率將進展至10Gbits/s，網路延遲將縮短至1毫秒(ms)，頻帶的應用將擴展到30GHz;

　　2019～2020年，日本、大陸、歐洲都將陸續(xù)導入商轉，包括史上最盛大的歐洲國家杯足球賽、東京奧運，非授權頻段的頻寬應用等愿景將陸續(xù)達成。

　　提升網路資源管理效率

　　與現有4G LTE相較(表1)，5G的網路復雜度大為提升，Nokia臺灣暨香港澳門大中國區(qū)端到端解決方案總監(jiān)王集祥(圖2)指出，5G將WiFi、4G LTE、LPWAN等過去各自獨立運作的網路連在一起，也透過多種新的技術提升網路頻寬與應用范疇。由于應用太多元，必須要透過不同的網路切片(Network Slicing)，區(qū)隔各種不同的垂直產業(yè)，以滿足不同的需求。最后，4G對云端的應用比較單純，5G對云端的應用將更為全面與深入。

　　圖2，Nokia臺灣暨香港澳門大中國區(qū)端到端解決方案總監(jiān)王集祥指出，5G將過去各自獨立運作的網路連在一起，也透過多種新的技術提升網路頻寬與應用范疇。

　　圖3，SGS電子通訊實驗室副理廖兆祥指出，在2020年5G時代，行動用戶數將較2015年成長1.3倍達92億，行動寬頻用戶將成長2.3倍達84億。

　　從網路資源的應用來看，王集祥解釋，5G有一個很重要的觀念叫動態(tài)資源管理(Dynamic resource management)，由于頻寬資源是有限的，所以必須要更精準的管理，提供需要的使用者高頻寬或長時連結并動態(tài)調整。軟體定義網路(Software Defined Networking, SDN)和網路功能虛擬化(Network Function Virtualization, NFV)也會越來越重要，不僅會共同運作，也對網路資源的自動化管理與控制非常重要。

　　在應用上，王集祥舉例，自動駕駛、健康、智能電表這三種應用對網路的需求截然不同，如何順利達成個別目的，網路切片成為未來最主要的手段，網路控制系統(tǒng)會透過不同參數的設定，包括成本、距離、服務品質、資料速率、動/靜態(tài)、電池壽命、延遲等不同參數的需求，分析出相關應用的網路需求，加以模組化并提供最適合的網路資源給不同的服務。另外，動態(tài)經驗管理(Dynamic Experience Management)相較于過去大多是靜態(tài)的管理，不僅能更即時也提供消費者更好的使用者經驗。

　　5G滲透率更高?技術挑戰(zhàn)也不小

　　在5G三大主要應用當中，華碩電腦系統(tǒng)整合開發(fā)處賴文政博士說明，高傳輸速率的應用網路架構中有幾個重點，包括網路功能虛擬化、智能型行動運算、小型基地臺系統(tǒng)、小型基地臺射頻晶片與射頻收發(fā)器子系統(tǒng)。大量物聯網系統(tǒng)架構包括：物聯網感測器(IoT Sensor)、物聯網使用者終端(MTC UE)、物聯網存取點/閘道器(MTC AP/GW)、網路功能虛擬化與物聯網垂直服務應用等。

　　5G之所以引起各界矚目，重點就在其將更深入每一個人的工作、生活、學習等各個層面，SGS電子通訊實驗室副理廖兆祥(圖3)指出，在2020年5G時代，行動用戶數將較2015年成長1.3倍達92億，行動寬頻用戶將成長2.3倍達84億，行動終端連接數將成長1.5倍達116億，智能型手機用戶將成長1.8倍至61億，行動物聯網終端連結數將成長5倍至31億，行動穿戴裝置連結數將達6.7倍至6億，行動資料流量將成長8.3倍至每月30.6EB，5G用戶數2021年也預期將成長至1.5億，5G可以說是未來幾年科技與數位生活的推進器，也是全球經濟發(fā)展重要的引擎。

　　圖4，資策會智通所主任馬進國解釋，調變是一種將一個或多個周期性的載波混入想傳送訊號的技術，常用于無線電波的傳播與通訊。

　　至于天線的構型，除了最傳統(tǒng)的平面陣列式天線之外，廖兆祥表示，因應不同使用情境或收訊需要，廠商也發(fā)表了許多不同型態(tài)的天線，如筒形、角錐、五面/六面錐形，Massive MIMO目前還有一些技術挑戰(zhàn)，包括資料瓶頸(Data Bottleneck)、校正(Calibration)、耦合(Mutual Coupling)、不規(guī)則陣列(Irregular Arrays)與設計復雜性(Complexity)，由于陣列天線復雜度較傳統(tǒng)天線大為提升，所以設計與模擬、測試等工作就更加重要。

　　毫米波(mmWave)利用高頻段以提供高傳輸速度，而提高傳輸速率，需有MassiveMIMO、Small Cell等搭配才得以實現，廖兆祥認為，其困難在于高頻本身的嚴重衰減特性，以及如何實現高頻電路設計。而MassiveMIMO可以提升資料傳輸率和連結穩(wěn)定性，資料的接收和傳輸并完成編碼為一大挑戰(zhàn)，如何將通道狀態(tài)的資料從接收器傳送到傳輸器，以便預先完成編碼則是主要的困難。

　　5G調變技術發(fā)展

　　5G由于采用過去多應用在軍事、航太的30GHz以上超高頻毫米波頻段，為達成高速傳輸，勢必采用全新的調變(Modulation)技術，資策會智通所主任馬進國(圖4)表示，調變是一種將一個或多個周期性的載波混入想傳送訊號的技術，常用于無線電波的傳播與通訊，利用電話線的數據通訊等各方面。依調變訊號的不同可區(qū)分為數位調變及類比調變，這些不同的調變，是以不同的方法，將訊號和載波合成的技術。

　　圖5，工研院資通所新興無線應用技術組副組長陳文江表示，一般而言30GHz以上的頻段才稱為豪米波，5G會從6GHz開始慢慢往越高頻發(fā)展。

　　馬進國強調，所有調變的原理都來自于1948年C.E. Shannon的Shannon Theory：C=B*log2(1+S/N)。近年來所有調變技術都是從這個理論而來，相信未來5G NR(New Radio)中的調變技術也會是如此。目前為業(yè)界討論較多的調變技術包括：Filter Bank Multicarrier(FBMC)、Universal-Filtered Multi-Carrier(UFMC)、Generalized Frequency Division Multiplexing(GFDM)、Filtered-OFDM與Non-Orthogonal Multiple Access(NOMA)等，新的調變技術以滿足高傳輸速率為主，但也同時需要可以應用在大規(guī)模與特殊應用物聯網上。

　　5G頻段漸次往高頻毫米波發(fā)展

　　高速傳輸的另外一個重點就是毫米波mmWave，工研院資通所新興無線應用技術組副組長陳文江(圖5)說，一般而言30GHz以上的頻段才稱為毫米波，目前工研院是國內進行毫米波研究最主要的團隊，5G的頻段會從6GHz開始，慢慢往越高頻發(fā)展，雖然近年各大廠展出毫米波技術應用一直到73GHz或更高都有，不過那么高頻的應用不會在5G剛開始的幾年投入市場，現階段11GHz是還不錯的頻段，再來就是最多國家投入的28GHz，然后是38GHz，這也是工研院目前投入研究的主要頻段，不過越往高頻發(fā)展，路徑損失(path loss)的問題就更嚴重。

　　圖6，元智大學電機系助理教授彭朋瑞指出，5G未來運作于30GHz以上毫米波頻段，對于電路設計亦帶來重大的挑戰(zhàn)。

　　毫米波應用有以下幾個挑戰(zhàn)，通道量測(Channel measurement)對訊號的傳輸有很大的影響，相位陣列天線與波束成型(Phased array antenna/Beam forming)也攸關天線訊號與終端的溝通，除了波束成型之外波束追蹤也同樣影響訊號的良窳;另外，在同樣空間中太多裝置存取，就可能產生波束成型下的阻塞;另外，毫米波訊號覆蓋的范圍比較小，如果在小范圍內有許多使用者需要連結，相關的支援非常重要。

　　高頻電路設計與系統(tǒng)驗證挑戰(zhàn)

　　5G未來運作于30GHz以上頻段，對于電路設計亦帶來重大的挑戰(zhàn)，元智大學電機系助理教授彭朋瑞(圖6)指出，以60GHz相位陣列收發(fā)電路為例，可以采用兩次升頻的方法，讓其頻率從基頻的數位訊號，轉換到60GHz高頻再發(fā)射。另外，接收器也是采用類似的兩次降頻方法將高頻訊號降為基頻處理器可以處理的訊號。

　　圖7，Keysight應用工程師涂智元表示，5G系統(tǒng)復雜度遠超過過去任何一代行動通訊技術，訊號量測在5G時代更形重要。

　　在訊號前端的功率放大器(Power Amplifier, PA)上，也是目前發(fā)展過程中很重要的元件，由于未來訊號收發(fā)頻率范圍非常寬廣，純矽元件無法負擔，目前被業(yè)界點名較頻繁的材料為氮化鎵(Gallium Nitride, GaN)。5G系統(tǒng)復雜度遠超過過去任何一代行動通訊技術，所以在開發(fā)階段準確的訊號量測是系統(tǒng)驗證非常重要的一環(huán)，Keysight應用工程師涂智元(圖7)表示，訊號量測在5G階段更形重要。

　　近年測試認證廠商非常強調高頻訊號的量測能力，主要就是為了因應5G產業(yè)的發(fā)展，在初期協(xié)助客戶建立通道模型也是重點之一。涂智元指出，除了高頻訊號之外，波束成型的波形必須要透過不斷的驗證、調整，以找出系統(tǒng)最佳化的方案，不同的客觀環(huán)境與應用需求將帶來不同挑戰(zhàn)，其驗證技術也必須要走在產業(yè)前面貼近產業(yè)的脈動，并與客戶站在一起，才可以提供最佳化的測試解決方案。