傳輸技術大躍進　5G通訊新紀元加速到來

行動通訊才剛進入後LTE，各種4.xG的改善方案不斷被提出，同時也昭示5G已在前方不遠處，從國際電信聯盟(International Telecommunication Union, ITU)2015年6月正式發表5G願景開始，2015年9月3GPP啟動5G標準化的前期研究，2017年開始5G國際標準徵集。2016年與2017年間訂出5G的技術效能規格、標準評估辦法與無線介面技術，正式規格2019∼2020年出爐。不過相關廠商已經大舉投入，這一年來產業消息越來越多，韓國與日本政府也分別宣布，將利用2018與2020年的冬季與夏季奧運會，建構5G大規模營運場域，期待一舉成為5G時代的領導國家。

截至目前為止5G的相關標準都還在早期發展的階段，連正式的技術標準名稱都沒有，廠商商業競爭硝煙未起，但檯面上與檯面下廠商各自鴨子划水都非常積極，投入5G開發好不熱鬧，亟欲在未來市場上插旗、搶占先機；本文將介紹自ITU的2015年6月願景發布至今技術發展概況與廠商動態，尤其是在傳輸速度提升的這個重點上，如何從擴充、整合頻段及改進天線收發傳輸能力等不同面向達成ITU揭示的願景。

資料來源：Nokia 圖1　5G的三大應用情境

三應用情境　引領未來生活型態

圖2　Nokia客戶營運部台灣暨香港澳門、大中國區技術總監陳銘邦說明，5G標準將從三個應用情境漸次展開。

5G技術的細節仍待提案、審議，但技術的大方向已確定，即分成三方面來發展(圖1)，Nokia客戶營運部台灣暨香港澳門、大中國區技術總監陳銘邦(圖2)說明，一是持續強化過往以來的行動寬頻，稱為Extreme Mobile Broadband；二是發展公眾物聯網，且為大量布建的，此稱為Massive Machine Communication；三是關鍵任務服務，稱為Critical Machine Communication，其實本質上也是物聯網。第一個部分的重點還是頻寬與高傳輸速率，希望在不管任何條件下都能達到至少100Mbit/s的速率，而峰值資料傳輸率(Peak Data Rate)可以達到20Gbit/s；第二部分強調低耗電、低成本、多節點的物聯網應用特性；第三部分重點為低延遲(Low Latency)與高信賴度，比較偏專用網路如：車聯網、遠距醫療、災害防治、社會安全等應用。

圖3　國家儀器NI技術行銷經理潘建安表示，5G時代的傳輸技術正朝四個不同的技術面向全面發展。

就擴大行動寬頻此一願景來看，為了達成ITU提出的100Mbit/s∼20Gbit/s的頻寬目標，國家儀器(National Instrument, NI)技術行銷經理潘建安(圖3)表示，傳輸速率的提升在現有的技術底下已經出現瓶頸，所以5G時代的頻寬朝四個不同的技術面向全面發展，包括高頻段的應用、新的調變技術、天線技術與異質網路的整合(圖4)，高頻段的應用與調變技術有高度相關性，將一起討論；而天線與基地台、局端設備關係接近，牽涉層面相對單純，預計也會是較快實現的部分；異質網路整合由於牽涉層面較廣，之後將用另外的篇幅來深入探討。

毫米波技術將在5G大顯身手

目前4G LTE應用的頻段以6GHz以下為主，不過從技術發展的角度來看，這些頻段目前已經非常擁擠。是德科技(Keysight Technologies)行銷處資深行銷專案經理郭丁豪(圖5)指出，5G與過去4G還有之前的2G、3G技術有一個本質上的不同，就是5G並不取代4G，而是在不同的應用領域與應用需求上與4G互補，所以預計4G技術還會存在很長一段時間。因此目前4G使用的頻段也都不會因為5G的商轉而釋出，加上未來的傳輸速度上限要求達到10Gbit/s以上，6GHz以下的頻段很難實現，所以因應高傳輸速率的需求，必須透過30GHz以上的毫米波(mmWave)頻段來達成。

資料來源：國家儀器 圖4　5G提升傳輸速率的四個技術

圖5　是德科技行銷處資深行銷專案經理郭丁豪指出，5G並不取代4G，而是在不同的應用領域與應用需求上與4G互補。

是德科技應用工程部資深專案經理張式先(圖6)補充，未來利用頻段提升無線傳輸速率的方法，主要會以6GHz為界線，6GHz以下就是現有LTE技術的增補與改善方案，像是LTE-Advanced Pro也就是俗稱4.5G、4.75G或4.9G的技術內容，包括採用更多的載波聚合(Carrier Aggregation, CA)，目前已經有6CA的技術投入市場，未來可能有多達32CA的方案，傳輸的理論值可以超過4Gbit/s。相關技術方案已經在3GPP的Release 13被納入，下一版的Release 14也會有所增補，所以在LTE時代廠商利用6GHz以下的頻段確定可以提供超過1Gbit/s的傳輸速率。

不過現有6GHz以下應用已非常擁擠，也容易產生干擾，再者調變技術也出現瓶頸，要再將傳輸速率往上提升已很困難，所以另一個部分的研究就朝6GHz以上的頻段利用發展，高頻段過去都用在軍事或航太等領域，所以技術經驗並不是完全空白，此外相關頻段應用也少，可以清理出很大的頻寬供5G訊號使用。陳銘邦說明，目前被提出的高頻段約有28、38(37～39)、64～71GHz等，一個頻帶不像4G僅20MHz，約是500MHz∼2GHz，通道寬度將大幅提升。

圖6　是德科技應用工程部資深專案經理張式先解釋，未來利用頻段提升無線傳輸速率的方法，6GHz以下就是LTE的增補與改善方案。

高頻帶的利用將從接下來要發表的Release 14與Release 15起陸續被納入，技術開發由於已經有過去802.11ad的經驗，許多晶片商具備高頻元件的開發經驗，面臨的挑戰將在於如何快速提升元件的整合度並降低成本，未來各國政府陸續釋出應用頻段之後，哪個廠商能最先發表全頻段支援的產品，就可望成為市場領導者。

也由於未來6GHz以上頻段甚至30GHz以上毫米波頻段，具有超高頻、短波長、大帶寬的特性，與現有6GHz以下的頻段利用非常不一樣，所以調變技術也不會是我們過去熟悉的，潘建安表示，以廠商的發展來觀察，可能要2018∼2019年才會比較清晰，目前幾個有潛力的技術包括濾波器組多載波(Filter Bank Multicarrier, FBMC)、通用分頻多工(Generalized Frequency Division Multiplexing, GFDM)、非正交多重存取(Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA)。

晶片商鴨子划水　低調但積極

圖7　羅德史瓦茲應用工程部應用工程經理林志龍指出，該公司產品不僅可以量測目前已被提出的所有頻段訊號，最大的頻寬也支援到2GHz。

關於頻段支援與調變技術，除了學術與研究單位之外，扮演最重要角色的就是晶片商了，行動通訊晶片產業經過十多年的廝殺，許多廠商都已經退出市場，目前主要的供應商屈指可數；其中，高通(Qualcomm)仍將是5G商用化世代的領導者之一，憑藉4G專利與IP優勢，高通在5G標準仍然積極投入，該公司計畫2018年底(最晚2019年中)將發表5G基頻晶片，事實上這個時間點也成為現階段晶片商的共同目標。

另外，聯發科(MediaTek, MTK)5G研發團隊規模已擴大至逾100人，預計會持續擴充到200∼300人，聯發科希望2018年先推出第一版5G晶片解決方案，目前已剩下不到2年的時間，相較於3G、4G世代，聯發科總是扮演市場跟隨者的角色，等到技術及應用都已成熟後才切入晶片市場，聯發科研發團隊這次在5G世代可說是全面提前出擊。

近期聯發科積極與歐系基地台業者、日本電信營運商NTT DOCOMO進行合作，務求在2020年5G技術正式商用化之前，攜手電信相關業者爭取5G終端市場大餅，由於聯發科這次提前布局5G市場，未來可望不必再處處受制於人，在5G世代可以擁有較好的晶片毛利率，進一步擴大獲利空間。

中國大陸的展訊通信(Spreadtrum)也是另一個非常積極的廠商，在3G時曾經依靠著中國大陸獨有的TD-SCDMA技術，偷襲聯發科成功搶占市場，並且依靠集團與中國大陸政府的支持一度讓聯發科感受強大壓力；在即將到來的5G世代，中國大陸也希望取得5G技術規格的領先地位，展訊研發團隊已喊出2018年將搶先推出5G晶片解決方案，希望能獲得中國大陸電信營運商、相關供應鏈業者及政府的關愛眼神，不讓中國大陸半導體產業自主化的大旗，在5G世代再度落後。

天線協助強化訊號與速度

從3G時代MIMO被提出以來，這個天線技術就廣泛應用在提升訊號的強度與穩定性上，在5G時代，3D傳送波束成形(Beamforming)與大規模陣列天線多輸入多輸出技術(Massive MIMO)，其特色是由上百個低成本、低功耗的天線元件所組成，利用多個天線收發器形成可能的訊號路徑，用來增加傳輸吞吐量以及傳輸效率，進而提升數據傳輸速度，並強化接取連結的可靠性。

由於5Ｇ毫米波的應用，張式先說明，高頻訊號的物理特性在傳輸的過程中容易衰減，藉由多天線的運作可將效能密集分布於空間小的區域，或利用大規模天線陣列方式集中放置，透過熱點覆蓋區域的成長進而提升傳輸節點的個數，以有效地降低傳遞資料延遲率，處理大量的資料吞吐量，顯著提升基地台傳輸通道的容量。

波束成形則可視為一種空間性濾波器(Spatial Filtering)，能夠增強操作方向的訊號，消除來自四面八方的干擾，進而有效地接收想要的訊號。至於3D Beamforming意指同時在三維空間(水平和垂直空間)所形成傳輸訊號的分離波束，能支持多用戶複用(Multi-user Ｍultiplexing)，進而提升頻譜效率，並可有效抑制小區間的訊號干擾。

隨著演算能力提升，而Massive MIMO藉由結合空間特性以及編碼增益(Coding Gain)，透過大量的天線打出訊號，使得每個獨立波束可指向不同的方位，讓3D Beamforming得以成形，進而提升空間複用(Spatial Multiplexing)效率以及系統容量。

最近三星(Samsung)也發表了一個稱為FD-MIMO(Full Direction MIMO)的技術，內含32個天線組成的陣列，潘建安解釋，這個技術表示全方向性的MIMO技術，所以未來訊號可以跟著人跑，是一種可以三維移動的波束訊號天線技術。

5G商機無限　廠商全力投入

5G的使用將全面左右未來人們的生活型態，影響層面至深且廣，帶動的商機自然不能小覷，因此除了前述的晶片商之外，設備大廠與電信商也非常積極投入，陳銘邦說明，Nokia為因應行動網路頻寬、大量機器和關鍵性設備通訊網路需求，其5G戰略布局將著重包括網路切分技術(Network Slicing)、動態用戶體驗管理、以服務為主的連結、應需的工作和移動以及高速流量轉發等網路設計要求。

Ericsson則強調建立產業生態系，布局與許多垂直領域產業共同探索5G的新商機，推出以「軟體驅動」的5G Plug-Ins解決方案加速既有網路演進，計畫在2017年就投入商用化。營運商部分，亞洲營運商如韓國電信(Korea Telecom, KT)、NTT DOCOMO以2018年以後奧運等大型運動賽事作為5G邁入商用化測試標的；但美國的Verizon已經宣布2017年展開5G固定無線網路的商用服務，期望搶占先機。

另外，與晶片、設備、服務供應商皆密切配合的測試設備廠商，在5G標準的發展上，也可以說是傾盡全力，郭丁豪表示，是德科技的產品已經可以支援1Gbit/s的高速量測，同時在新調變技術、毫米波、Massive MIMO的陣列式天線、全雙工網路(Full Duplexing)都有相對應的產品，更從學術研究、產品開發、商用化等不同階段都與各界有不同程度的合作。羅德史瓦茲(Rohde & Schwarz, R&S)應用工程部應用工程經理林志龍(圖7)也指出，該公司產品不僅可以量測目前已被提出的所有頻段訊號，最大的頻寬也支援到2GHz，全面掌握高頻毫米波的發展趨勢。

國家儀器在4G時代取得重要的成長，在5G發展階段同樣戰戰兢兢的投入，希望延續既有的優勢，潘建安說明，該公司已經跟許多廠商合作，包括與Nokia共同展示在73GHz頻段，以2GHz頻寬，使用2×2 MIMO天線，達成14.59Gbit/s傳輸速率的成果；另外，許多研究單位或國家電信監理單位，現階段需要進行通道探測(Channel Sounding)研究建立通道模型，以決定適合商業化應用的頻率/頻帶與調變技術，國家儀器亦有許多合作案例。

掌握標準發展趨勢　抓住未來商機

不管2020年5G是否順利實現商轉，5G的出現將是行動通訊科技的重大進化(圖8)，而相關應用服務更是促進5G世代經濟價值提升的重要關鍵，各國及大廠關注之5G新興應用焦點著重在AR/VR、遠距醫療、工業自動化及車聯網等。5G不僅是通訊技術的演化，未來的影響將涵蓋各項生活應用與商業模式的創新，更將促成產業鏈的解構與再造。

資料來源：國家儀器 圖8　5G標準的重點項目與發展時程

工研院資通所副所長周勝鄰認為，台灣目前參與5G的發展可以用「一則以喜，一則以憂」形容，喜的是與過去幾代行動通訊技術標準相較，5G標準國內在2014年就投入，參與時程相對較早，未來台灣對於正式標準掌握度也會比較高。憂的是目前台灣整體研發實力跟廠商對標準的投入，與日韓歐美等國家或大廠仍然有一段差距，僅有像聯發科、鴻海、華碩與國內兩大法人資策會、工研院貢獻較多，未能主導技術發展，建議在未來幾年台灣廠商應該更積極投入5G技術的發展。