關注電信網路未來走向的廠商和營運商無不聚焦於5G技術的發展，目前已出現一些候選方案，但仍有幾項高階概念將可能會定義出新標準；本文將簡單探討這些技術內容，並點出各技術的發展機會及面臨的挑戰。
本文的目的在於確認5G技術的候選方案、相關執行機構，以及標準制定方式。目前5G網路的條件已由歐盟5GPPP(5G Public-Private Partnership Association)單位所訂定並列出。
5G是近期的熱門話題，而由於多數行動通訊營運商皆尚未成功商業化長程演進計畫(LTE)，導致市場對於其內涵仍有諸多疑惑之處，其中包括技術層面、商業化機會、垂直應用，以及部署的整體時間規畫。
若回顧過去，我們可以確定朝向5G網路的下一步該怎麼走嗎？
一個新的行動網路世代通常泛指一套全新架構，傳統上是由無線電接取(Radio Access)技術所訂定，過去曾從類比演進到全球行動通訊系統(GSM)的分時多工存取(TDMA)技術、再到通用行動電信系統(UMTS)的同步分碼多重存取(CDMA)技術，最後發展到LTE的正交分頻多工(OFDM)技術。顯然，5G網路未來也須採用新技術和新標準，以解決以往技術無法滿足的用戶需求。有鑑於目前的趨勢著重在流量改善，5G技術勢必要從根本的整體網路檢修著手，軟體驅動(Software-Driven)的結構、極度密集的流暢網路、更高頻率和更高頻譜，以及數十億的裝置與網路容量，都是LTE及進階長程演進計畫(LTE-Advanced)無法滿足的需求(圖1)。
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圖片來源：索尼
圖1 5G高容量、高資料傳輸率的特性，可支援更大的用戶社群。 |
全新空中介面需求湧現
光從目前的技術發展和使用者需求而言，並無法判定5G網路的性質，而因為成本並非推動5G技術討論的主要因素，使得更多候選技術得以受到關注，現有網路在未來面對的不是成本問題，而是需要大規模和破壞性的整體變化。
未來將會需要全新的空中介面(Air Interface)，中興通訊(ZTE)認為5G網路將會在同一網路下容納數種空中介面共存，從理論角度來看，這是十分理想的狀況，但如果從營運和經濟的角度考量，此方式將會需要相當可觀的研發成本及心力。
幾項候選技術列舉如下：
極度密化
網路密化(Densification)並非新創技術。自3G網路出現壅塞情況以來，行動通訊營運商便發現亟須新建基地台以解決此問題，後來逐步發展成建置更多小型基地台，使終端使用者更接近網路存取點，目前尚未出現能一次大規模提升行動網路系統容量的方式。而5G網路極有可能納入異質網路(HetNet)提出的多層架構，亦即提供一大階層供較低資料速率連線使用，另一顆粒狀階層供高資料速率使用，而兩者之間還夾有數階層級，此外，網路建置與協調將是此技術面臨的主要挑戰，因為隨著層數提高，這些問題也會變得越發棘手。
多重網路結合
蜂巢式網路(Cellular)、無線區域網路(Wi-Fi)、毫米波(mm-wave)，以及裝置對裝置(Device-to-Device)皆是目前為終端用戶設備提供聯網功能的系統，5G網路可望將以上不同網路系統緊密整合，提供流暢不中斷的使用者體驗，熱點2.0(Hotspot 2.0)和下一代熱點(Next Generation Hotspot)也許就是蜂巢式網路與Wi-Fi整合的首例。5G設備是否能連結各網路系統仍有待觀察，在不同系統間切換的能力是其中最主要的挑戰。
全雙工
所有現行的行動通訊網路都仰賴雙工模式管理上下行傳輸，例如LTE的分頻雙工(FDD)方案，其中上下行傳輸是依照頻率分隔，或者像是分時長程演進計畫(TD-LTE)的分時雙工(TDD)方案，其中傳送器和接收器在不同時間點傳輸，要協調上下行傳輸，雙工模式必不可少，但全雙工的技術目前仍在進行討論中。在這些方案中，裝置是同時傳送和接收的，因此幾乎能達成FDD或TDD系統的雙倍容量。
此方式須採用自我干擾消除(Self-interference Cancellation)技術，將會是一大挑戰，除此之外，更會為網路和設備帶來重大改變，但另一方面整體容量的改善潛力也是不容忽視。
毫米波
目前行動通訊廣泛使用的低頻率頻譜(450MHz?2.6GHz)普遍出現壅塞情況，更高的光譜頻帶(Spectral Bands)中還有大量頻譜可供利用，最高能達300GHz。一般而言，專為高頻率設計的網路比起一般營運商所習慣的設計更為複雜，因為當頻率提升，穿透建築物相對越發困難，甚至連一面牆都能阻擋毫米波訊號的傳遞，然而，這些能應用在短距、點到點(Point-to-Point)、直視線(Line-of-Sight)連線的頻帶中，還有數十GHz可供利用，能藉此為無線網路提供更高的速度。
室內小型基地台能配合上述的密化原則運用毫米波，在狹小地區提供高速連線(圖2)，毫米波的高頻率特性代表天線尺寸小，因此，在裝置所在地區僅能帶來小規模影響，儘管如此，Ovum認為毫米波是較為極端的技術，需要多年研發才能讓市場以符合成本效益的方式採用。
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圖片來源：三星
圖2 室內小基地台有助擴大毫米波訊號傳遞效率。 |
過去已出現過發展毫米波的相關動作，例如於2009年成立的無線千兆聯盟(WiGig Alliance)現正專攻60GHz頻譜；2014年六月Google也宣布收購致力於發展60GHz頻帶技術的無線網路公司Alpental(由前Clearwire工程師創辦的新創公司)。
大規模多輸入多輸出
LTE-Advanced已建置多輸入多輸出(MIMO)系統，使基地台與終端用戶裝置能使用一條以上的天線，增加聯網效率品質。大規模多輸入多輸出意指基地台裝置更大量的天線，在聯網裝置周邊帶來更局部化的電波，此技術能帶來極大的容量成長，但技術層面的挑戰也較難克服，然而，新創公司Artemis以此技術為基礎，研發出名為pCell的產品，使得市場對於這些概念開始產生興趣。
虛擬化、軟體控管及雲端結構
與5G網路同步發展的趨勢是軟體和雲端技術。雲端技術的網路是由提供服務彈性(Service Agility)、中央化控管，以及軟體升級的一套分散資訊中心所驅動，軟體定義網路(SDN)、網路功能虛擬化(NFV)、雲端技術，以及開放的生態系統可望成為5G技術的基礎，對於要如何運用這些架構的討論也持續進行中，這些都非新興概念，且極有可能會運用在5G網路上，皆有助於5G網路提供更高容量以及數十億裝置的連結。
低成本技術可望雀屏中選
相較於現有的網路技術，上述選項皆有十足潛力，預計將帶來革命性的進展。選擇未來技術發展的過程將會是漫漫長路，此外還要將效能、實行、成本、政治等問題列入考慮，有鑑於過去LTE-Advanced的案例，能合理推測成本低的技術較有可能雀屏中選。
(本文作者任職於Ovum)