行動網路流量快速激增，促使各界已開始著手探索5G網路技術，冀望藉由提高使用頻率與調變效率，以及頻率重複利用率，實現高容量網路。為此，量測設備製造商已加緊推出系統級自動化測試儀，協助研發人員克服驗證與模擬挑戰。
下一代網路的重大挑戰是要能容許大量使用者與行動裝置，並以極高速率連上行動網路。因此，在制定4G、第三代合作夥伴計畫(3GPP)第12和13版標準之後，全球各地仍不斷地研究與調查，可進一步擴充行動網路容量的創新技術，目前最新進展是呼之欲出的5G技術。
行動網路的新進化，使得業界能夠迅速推出更多新型服務，也讓使用者產生了新期待。同時我們將看到專為智慧手機和平板電腦而開發，更為複雜的資料密集型應用程式興起。有些行動App現在支援「無縫連接」，因此可毫無束縛地在各個行動裝置之間轉移，例如使用者可在平板電腦、智慧型手機，甚至於家庭娛樂中心之間使用各個應用程式，但所傳遞的內容始終未曾中斷。為實現上述應用，使用者需透過無線區域網路(Wi-Fi)熱點、蜂巢式網路和家庭寬頻網路，進行內容存取與控制。分析師預測未來5年內，行動資料傳輸量將每年增加一倍，而網路業者必須在頻譜無法再擴增的情況下，滿足使用者長期需求。
5G整合式網路特性滿足物聯網需求
為支援暴增的行動裝置和效能要求，5G研究計畫描繪出必要的關鍵網路特性，例如建構整合有線和無線技術的混合式網路，其中無線網路須部署大量的小細胞，並透過多重輸入多重輸出(MIMO)技術，將資料傳輸速率提高為10Gbit/s，而往返延遲僅為1毫秒(ms)，以增進網路容量。如此一來，5G系統將可支援互動式高解析度視訊串流，讓「融入型虛擬實境」應用能夠變得更為順暢。
5G系統被定義成可同時使用多種無線介面技術，包括現今的射頻蜂巢式頻段，以及微波和毫米波頻段等。具備上述特性的整合式網路將可支援包羅萬象的行動裝置，從簡單的M2M裝置，到下一代智慧型手機、平板電腦、個人電腦等，同時還可監視與控制數十億個感應器和多個同時傳輸的串流服務。另外，這類網路須支援大規模的資料收集和分發，以滿足物聯網(Internet of Things)的需求。
提高頻譜/調變效率 5G實現高容量網路
分析師針對5G行動通訊網路進行的研究指出，到2020年，業界將可實現「資訊隨心至，萬物觸手及」的願景。研究中假定未來行動裝置可以在幾百MHz到最高100GHz的頻率範圍中運作；室內基地台的尺寸可以像一個房間那麼小，並可部署大量的Pico和Femto基地台，以便將可支援的連線人數最大化。5G標準的目標是打造高容量網路，其資料速率最高可達10Gbit/s，而且可以對所有使用者提供1Gbit/s的資料速率，以支援更大的用戶社群。
換句話說，就是隨時隨地無限供應使用者需要的所有頻寬，即便他們身處於運動賽事或是大型展會等人潮擁擠的區域。然而這些研究報告並未描述讓萬事萬物緊密相連之核心網路的具體細節，但假設核心網路應提供前面提及的無縫連接能力。
在蜂巢式行動世界中，要提高網路容量有賴於三個因素：更多的頻譜、更好的調變效率，以及基地台體積微型化所實現的頻率重複利用率。研究人員正縝密地調查所有因素，並深入評估各式各樣的頻率，從目前的蜂巢式頻段，到28GHz、38G～40GHz，57G～64GHz、70G～75 GHz、81G?89GHz，甚至於到140GHz等頻率。同時，他們也正在調查從0.5GHz到大於3GHz的寬頻寬，甚至著手進行新型天線和多天線配置的研究，以期進一步增加網路容量。此外，研究人員還專注研究特定裝置的基地台效能，而微型細胞和異質網路的研究工作也將持續進行。軟體定義無線電(Software Defined Radio)是專為自組織網路(Self-Organizing Network)而開發的新技術，可支援多種無線介面標準，而基於雲端運算技術的軟體定義網路已被提出，以支援未來的4G標準。所有這些技術都將延伸應用於5G系統。目前，研究人員正在調查新的實體層(PHY)，如GFDM、FBMC、UFMC、BFDM和NOMA。
國際電信聯盟(ITU)每3?4年舉辦一次行世界無線電通訊大會(WRC)，讓各界能在會中協調國際無線電頻率問題，包括制定行動通訊網路的頻率分配標準。下一屆WRC預計將於2015年在日內瓦舉行(ITU-R WRC-15)，屆時將初步討論5G的頻率問題。
天線測試成重大挑戰
相較於前幾代的行動網路，5G帶來嶄新的設計和測試挑戰。早在多年前業界便開始設計和測試可在微波和毫米波頻率上運作的元件和系統，但這是第一次將這類元件大量應用於平價的消費裝置中。目前無線區域網路(WLAN)802.11ad標準已開始使用60GHz免牌照頻段，通道頻寬達2GHz。其他標準可能使用28GHz頻率範圍的授權頻段，韓國三星(Samsung)和其他公司已公布相關實驗結果，另外有些大學院校則開始對其他頻率範圍進行研究。有些業者甚至已著手建立通道模型，以便評估訊號在毫米波頻率中的特性。在「真實」的使用者裝置中，這些頻率可能使用直接黏合到發射器和接收器晶片上的天線元件。將這些天線連接到測試設備，便成了一大挑戰。
 |
| 圖1 60GHz激發/響應測試系統與軟體 |
長期以來，這種配置一直都無法提供可靠且可重複的系統校驗。基地台無線電通常會配備天線矩陣以進行波束控制(如此可將射頻屬性指向特定的裝置)，並提供多個MIMO以加大容量。測試使用者裝置時，工程師必須模擬真實的網路狀況，因此測試設備供應商須提供初期開發所需的新式通道量測功能、模擬用的模型，以及效能驗證必備的複合基頻和微波訊號源。圖1顯示專為在60GHz頻段中運作的802.11ad元件而設計的測試系統，並且呈現設計與開發5G毫米波系統的可行概念。
目前標準團體正在評估與確認可行的新式實體層技術屬性，不過未來5G裝置可能需要在多個不同的無線存取網路(RAN)中運作。新的實體層將加入新調變和編碼機制，如此可更有效地在超高符碼與位元速率下運作，例如802.11ad使用Golay序列機制，以便支援同時使用不同的實體層特性，對多個載波進行解調與資料解碼的接收器系統，然後將資料整合到單一的資料流。
各界積極投入5G研究 成果預計2020年推出
近期各國學術機構正專注研究下一代無線通訊系統，除自行舉辦技術研討會或論壇，也在商業合作夥伴的支持與協助下進行研究。此外，網路設備製造商、晶片和終端裝置製造商，以及網路業者的研發部門，也不遺餘力地展開相關工作。下一代行動通訊標準的制定工作可能要到2015年才會開始，而現正進行的研究成果將納入其中，預計將於2020年左右正式推出。
隨著各個領域的研究工作如火如荼地展開，研究人員須配備完整的解決方案，方能涵蓋所有頻率範圍，並滿足所有分析需求。完整而靈活的模擬和量測工具，可提升研究人員的洞察力；向量網路分析儀讓研究人員能夠設計並測試頻率高達110GHz的毫米波元件，例如波束控制和MIMO所需的天線陣列元件。這些都將套用在簡易感測器、新一代智慧型手機與平板電腦。因此，電池續航力將是滿足使用者期待的關鍵要素。電池消耗分析系統為設計人員提供電源管理解決方案，讓他們能在正常、高、低電壓條件下測試上述裝置。
在測試先進數位訊號與射頻訊號並存的實體層時，系統級設計自動化環境如System Vue，可加速設計並驗證通訊系統，結合量測產品，以建構建模、部署和驗證下一代通訊系統所需的可擴充式環境。利用此解決方案，設計人員從專案一開始，就能建立可驗證的虛擬系統。首先是建立模擬模型，並隨著設計轉化為可運作的硬體，逐步納入更多的實際量測。
如果搭配訊號源，可產生複雜的任意波形，以便完成設計時驗證理論性通道模型。
系統級設計自動化環境也可以與向量訊號分析儀(VSA)軟體搭配使用，後者內含完整的訊號解調變與向量訊號分析工具。此外，VSA可與各種不同的量測工具搭配運作，包括桌上型和模組化訊號分析儀、數位示波器和寬頻數位轉換器，以便分析具有各種不同頻率和頻寬的訊號。利用所有這些量測、模擬，以及訊號產生和分析工具，工程師可針對下一代通訊系統所需的先進的元件與訊號，進行深入而完整的探索與研究。
(本文作者為是德科技全球無線專案負責人)