5G技術正快速演變中。5G確實會發生並帶來巨大的影響，研究人員需要合適的工具與技術，以迅速實踐構想並製作原型，包括全新的5G波形調變、大規模MIMO及mmWave通訊設計方案的需求將持續增加。
隨著智慧型手機的發明，無線資料儼然成為許多人不可或缺的生活要素。不過當蘋果(Apple)和其他廠商持續推出功能日益強大的智慧型裝置時，幾乎沒有人留意到「行動網際網路」也跟著產生巨變，因為消費者全然陶醉在行動裝置所提供的新功能或實用功能。對許多人來說，「無線資料」和行動網際網路就等於隨時隨地都能夠觀賞YouTube影片，但其實人們生活受到的影響不只如此。
雖然目前的4G網路已搭載最新技術，並可提供更迅速的資料存取效能，不過沒人知道在長程演進計畫(LTE)和LTE-Advanced之後，行動網路將會呈現什麼樣貌。現階段，無線資料消耗速度遠超過業界滿足需求的能力，然而，資料速度與存取容量只是其中一部分而已，下一階段的5G行動網路技術發展已打造出新藍圖，還可鼓勵全世界的研究人員突破思考局限，把資料速度和容量以外的問題納入考量。這種新的網路可能會再次顛覆我們的生活，並且釋放龐大的經濟潛能。
5G將大幅提升行動網路容量/效率
顯然5G網路必須容納更多使用者與裝置，並即時提供更多的資料量給使用者。自從數位通訊在90年代萌芽以來，行動技術僅是朝著更高的容量與資料速度發展，直到現在這樣。
今時今日行動網際網路已經成真，新的願景也隨之浮現。研究人員想像的是5G網路可提供前所未有的資料速度和行動存取，同時也希望藉機重新定義網路，以便容納更多全新、各式各樣的連線裝置。就研究人員而言，5G帶來新的挑戰，他們須克服更多已知的重要問題，例如服務區域內的覆蓋一致性和更具能源效率的網路等，以下將簡介5G發展的重要目標。
5G新頻譜/技術開發勢在必行
5G目標是針對每名使用者提供10Gbit/s的尖峰資料速度。一般來說，在良好的環境條件下，使用者可透過最高速的網路在40分鐘內下載一支高畫質(HD)影片；有了5G後，只需幾秒鐘即可完成下載。
更高速的資料存取當然令人嚮往，不過相關的困難也是不容小覷。電信服務業者支付給政府好幾10億元而取得的頻譜早已不敷使用，現代網路使用的是700MHz到將近3GHz的頻譜，而且有許多公家或私人實體早已占用這個範圍內的頻譜。5G網路的研究要克服此一挑戰，主要有兩個方式：(1)尋找新頻譜、(2)開發新技術，以便透過現有頻譜傳送更多位元數給使用者。
5G網路須滿足數十億連線裝置
許多國際研究機構的產業分析師預測，到了2020年，全球將會有五百億個裝置連線至行動網路，這些裝置不單只是用戶手中的手持式裝置，許多嵌入式裝置亦可傳送資訊位元至其他裝置、伺服器或雲端資料中心，且幾乎所有的裝置都具有此功能。
未來，連接至網路的裝置將呈現爆炸性成長，業界已將這種現象稱為「物聯網(Internet of Things, IoT)」。這些裝置可能納入感測器，以便量測壓力、溫度、應力，此外或許還有致動器，能夠即時開關裝置或有所調整。例如紅綠燈，這種裝置不只有計時功能，還有遠端連線與控制功能，這樣才能立即掌握並緩解交通堵塞的區域。如果汽車可直接連接至交通控制器，也許根本就不需要紅綠燈這種設備。
此外，我們也可以持續監控建築物、橋梁和道路的結構狀態。企業和政府可以使用空氣汙染監控資料來調節廢氣排放，並且採取矯正措施，只要記錄並監控病人的生命跡象資料，就可以深入了解特定狀況的因果關係。總而言之，物聯網將帶來無限潛能。
實踐這些潛能所需的5G系統囊括異質網路(HetNet)基礎設施，其中又包含高/低頻寬的行動網路解決方案，這些裝置將為工程師帶來艱鉅的設計挑戰。如要釋放物聯網的潛能，5G必須能夠克服網路回應時間(延遲時間)的問題，倘若不具有精確回應時間的控制功能，將會限制這些技術的實用性和運用方式。
根據估計，目前網路的延遲時間平均落在數10毫秒(ms)的範圍內，而且標準誤差值相當大，如果研究人員可成功縮短延遲時間並提高精確度，就能夠在雲端自動或遠端控制並操控控制應用程式，也就是配備感測器和致動器等的連線裝置。
調變技術/基站架構丕變5G創造物聯網新樣貌
由於固定頻譜分配低於3GHz，研究人員目前正在調查有哪些波形可有效運用現有頻譜，透過特定的頻譜資源提高網路可傳輸的位元數量。目前採用正交分頻多工(OFDM)調變技術的4G網路，勢必要引進更多可用的頻率，才能充分地有效區隔傳輸與接收資料；基於頻譜資源有限的考量，新的5G波形調變技術將透過現有網路基礎架構，嘗試解決頻譜效率的問題，藉此容納更多使用者和裝置、提高每赫茲的位元數。據悉，德國德勒斯登科技大學(TU-Dresden)已製作出這種新波形之一--通用分頻多工(GFDM)的原型(圖1)，以及一個完整連結的網路原型；相較於4G，TU-Dresden把資料速度提高30%。
 |
| 圖1 GFDM原型與波形示意圖 |
另一個選項就是所謂的「密化(Densification)」，也就是增加部署於某個地理區域內的存取點數量，包含大型基地台、小型基地台(Small Cell)和特微型基地台(Picocell)。密化的基礎理論是把更多存取點加入服務區域，即可依據地理區域劃分頻譜，而非頻譜本身。
除了密化之外，Cloud RAN和C-RAN等新的網路拓撲也可讓服務業者在雲端找到自家的設備，大幅降低本端部署設備的加熱與冷卻成本，也可縮減網路的功率消耗量。分散式網路控制的主要挑戰在於延遲時間。CROWD(Connectivity management for eneRgy Optimised Wireless Dense)網路專案由歐盟所贊助，此專案的研究人員透過這些新架構順利打造出原型，這代表分散式控制和密集網路的組合並非不可能。
全新的基地台技術，像是大規模多重輸入多重輸出(Massive MIMO)，都可提供更多頻寬和更出色的能源效率。大規模MIMO基地台整合數百個天線元件，可集中每個使用者的能量，藉此提高資料速度並改善通訊連結的品質，尤其是基地台邊緣(Cell Edge)。近期瑞典隆德大學(Lund University)的實驗結果也證明：大規模MIMO可提高一百倍以上的資料速度。
值得注意的是，目前研究人員正在探索毫米波(mmWave)頻率範圍內的全新頻譜領域，主要是28GHz、38GHz、71G?76GHz等範圍(圖2)，這些頻帶稍微經過授權，即可提供充裕的高頻寬頻譜。以前人們認為不可能在這些頻率內達到通訊作業，主要是因為電磁波的傳播特性和這些頻帶內的網路開發與實作成本，不過，紐約大學無線研究中心(NYU WIRELESS)，已執行通道探測(Channel Sounding)，結果證實mmWave通訊是可行的；而Nokia Networks也製作mmWave通訊連結原型，資料速度是目前4G的一百倍左右，並可達成精確延遲。
 |
資料來源：國家儀器
圖2 業界正在探索28GHz、38GHz、71G∼76GHz等頻率範圍的毫米波。 |
(本文作者任職於國家儀器)