5G已被視為是解決未來資料傳輸量快速爆增問題的最佳技術選擇；通訊業界研發人員已開始從大規模MIMO、高密度網路、新調變波形，以及毫米波(mmWave)通訊等四個方向進行研發，期加速5G網路時代的來臨。
世界各國已將5G視為可解決未來容量問題的最佳選擇，研究人員也開始找尋相關適合的技術，包括大規模MIMO、網路密化、新波型、毫米波(mmWave)通訊等四個重點方案，有望快速實現5G時代的來臨。
無線網路客戶對頻寬有極大的需求，造成公營與民營事業大舉投資在網路容量，也驅使無線研究人員針對容量問題來研發新方法、探索全新網路布局，提供前所未見的功能與特性。
網路容量需求增加 5G勢在必行
對於無線資料的需求不斷增加，促使研究人員尋找新技術，以便大幅擴充無線資料容量與網路能力。業界專家一致認為，就現有或未來會架設的網路基礎建設而言，資料需求肯定會持續超過所提供的容量。目前爭論議題已由「是否會成真」變成「什麼時候會成真」。無線服務供應商計畫將網路大幅升級4G長程演進計畫(LTE)、LTE-A與其他更新的技術，並循3GPP路線採用多重輸入/輸出(MIMO)與載波聚合等創新方式。
然而目前技術演進所產生的容量曲線明顯較需求曲線平緩。全球各地的無線研究人員已接受挑戰，並開始研究全新第五代(5G)網路無線技術。
研究人員不僅期望藉由創新技術解決容量問題，更試圖提升基地台邊緣的覆蓋範圍與可靠性、改善服務供應時的能源效率並降低延遲，從而提升網路總體響應性。
為此，研究人員把目前的研究重心放在四個可望實現5G的技術。
大規模MIMO
大規模MIMO在基地收發站或基地台(eNodeB)採用大量的天線(超過六十四條)，能夠大幅提升無線資料傳輸率和連結穩定性。現有傳統eNodeB架構採用分區布局，並使用六條或八條天線，與大規模MIMO相差甚遠。
大規模MIMO囊括數百個天線元件，可透過預先編碼技術將無線能源集中在目標行動使用者身上，進一步降低頻道中的能量。將能源導向特定的使用者時，頻道中的能量就能降低，並同時避免干擾其他使用者。如果大規模MIMO確實能提供上述效能，未來的5G網路就會變得更快、可容納更多使用者，提供更出色的穩定性，同時所消耗能源只有目前網路的1%。
網路密化
有鑑於目前行動使用者可用的頻譜數量有限，研究人員正在探索該如何在某些地區增加eNodeB數量，藉此提升資料速率。傳統的做法是每三平方公里會架設一個eNodeB做為無線存取點，不過網路密化則可以大幅增加eNodeB架設數量。5G研究密化分類包括小型基地台、異質網路(Het-nets)、特微型基地台、微型基地台，以及繼電器。上述方式都能提升服務區域內的存取點密度。雖然這個概念很簡單，實際執行卻極具挑戰性。首先，營運商必需策略性地部屬多重存取點，避免裝置間互相干擾。同時也必須考量裝置的位置、每台裝置的功率，以及如何控制該裝置，同時配合與該地區其他存取點。
新波型
4G與4G+網路採用一種名為正交頻分多工(OFDM)的波形種類，做為實體層的基本元素。實際上，幾乎所有的現代通訊網路都奠基於OFDM，因為此技術能發揮多路徑的優勢，藉此大幅改善資料速率和網路穩定性。然而隨著時間與需求演進，OFDM技術也開始受限於功率放大器的高峰值與平均值比，導致行動裝置電力下降。
為克服OFDM的缺陷，研發人員正研究眾多替代方案，包括廣義頻分多工、多載波濾波與通用多載波濾波等技術。研究人員推測若使用上述任一種方式來取代OFDM，網路容量應即可提升超過30%，行動裝置電力也將獲得改善。
毫米波通訊
由於目前訊號處理技術的訊雜比已接近向農限制，大幅提升網路容量會需要更多頻寬。截至目前為止，因為一般認為無法使用超過6GHz的頻率進行通訊，研究人員的重心主要集中在6GHz以下頻帶的頻譜可用性。然而近期研究顯示，使用位於毫米波頻率範圍中的頻率，特別是28GHz、38GHz、60GHz與72GHz進行通訊也許可行，並可望用於商業部署。雖然使用這些頻率進行傳輸會面臨較多路徑損耗，不過研究人員在基地站使用高增益相位陣列天線與先進訊號處理技術，藉此補足這些路徑損耗。由於毫米波段中有大量可用頻譜，毫米波通訊的發展潛力絕對值得期待。在某些頻率上，服務營運商每次可使用高達2GHz的連續頻譜。相比之下，目前可用頻譜只有20MHz。因為有更多頻譜，網路容量確實可望增加高達一千倍。
可用頻譜仍維持現狀
無線資料的需求正持續增加，5G的未來發展也持續演進，但有一件事情依舊不變，除非業界、政府與相關頻譜規範單位能確認重新分配頻譜的方式與時間，否則低於6GHz的可用頻譜將屈指可數。由於服務營運商已斥資數十億取得現有頻寬，轉移頻寬不僅困難重重，而且還所費不貲，重新分配頻譜絕非易事。而NI致力於提供相關系統與專業技術，開發上述問題的全新解決方案。
由於使用者網路需求快速提升，從原型製作到現實應用的過程持續加速，加上產品上市與解決方案開發時間大幅縮短，因此研發人員必須使用適當工具來完成合適任務，也就是高度整合的軟硬體解決方案。
(本文作者為國家儀器通訊總監)