物联网时代全面启动 5G通讯关键技术热度满点

为达到各界对5G通讯高传输率、低延迟、高网路容量密度等共识目标，通讯业者正积极朝使用更高频段频谱、引进新的调变与天线技术，以及整合异质网路等三大方向投入研发。掌握关键技术发展，可以发掘未来十几年科技与通讯领域重大商机。

2017年5G发展将全速前进。在各国政府与主要通讯大厂竞相投入下，5G技术与标准的发展已更趋明朗，日前美国联邦通讯委员会(FCC)完成5G频谱分配规划、高通(Qualcomm)与Intel都将推出晶片解决方案，另外，Verizon携手七家5G技术论坛伙伴一同研拟自订5G标准期在2017年提前商用，这些进展在在皆显示全球5G发展能量已迅速积累，2017年市场热度更将攀升至新高点。

为达到各界对5G通讯高传输率、低延迟、高网路容量密度等共识目标，通讯相关业者正积极朝使用更高频段频谱、引进新的调变与天线技术，以及整合异质网路等三大方向投入研发。因此，本次活动特别邀请研究单位与技术领先的厂商担任讲师，剖析如何运用6GHz以下频段与毫米波频段达到更高传输速率；并介绍通用分频多工(GFDM)、MassiveMIMO、行动边缘运算(MEC)等5G关键技术。

5G产业愿景 科技发展核心

3GPP的第五代行动通讯愿景分成三个部分，Nokia端到端解决方案部资深技术经理Johan Asplund(图1)说，传统的行动宽频重点为Extreme Mobile Broadband，目标是无论何时何地传输速率皆可达100Mbit/s，峰值速率(Peak Rate)超过10Gbits/s；而大规模物联网Massive Machine Communication，强调低成本、低耗电、大量连结，每平方公里100万个节点；特殊应用物联网Critical Machine Communication，强调低延迟(Low Latency)、高可靠度(Ultra Reliability)、无行动中断(Zero Mobility Interruption)。

图1　Nokia端到端解决方案部资深技术经理Johan Asplund说，5G的重点为Extreme Mobile Broadband、Massive Machine Communication与Critical Machine Communication。

5G高速传输有一个重点，就是采用高频毫米波频段，大约是在24GHz∼86GHz，详细使用频段还有赖各国政府与电信主管机关订定。另外，更多频道同时传送讯息，也有助于传输速率的提升，运用大规模多进多出(Massive MIMO)技术，搭配波束成型(Beamforming)、波束追踪(Beam Tracking)技术可大幅提升传输速率与品质。而结合不同网路频宽的异质网路整合技术，是提升传输速率的方式。弹性的框架设计与分散式的架构，也是发展重点。

在产业预期进展部分，Johan Asplund表示，今年在北美地区，定点的无线传输速率将达1Gbits/s，峰值速率将达5Gbits/s。2018年韩国昌平冬季奥运，将推出试运行的5G服务，除了强化行动性，无线传输的峰值速率将进展至10Gbits/s，网路延迟将缩短至1毫秒(ms)，频带的应用将扩展到30GHz；

2019∼2020年，日本、大陆、欧洲都将陆续导入商转，包括史上最盛大的欧洲国家杯足球赛、东京奥运，非授权频段的频宽应用等愿景将陆续达成。

提升网路资源管理效率

与现有4G LTE相较(表1)，5G的网路复杂度大为提升，Nokia台湾暨香港澳门大中国区端到端解决方案总监王集祥(图2)指出，5G将WiFi、4G LTE、LPWAN等过去各自独立运作的网路连在一起，也透过多种新的技术提升网路频宽与应用范畴。由于应用太多元，必须要透过不同的网路切片(Network Slicing)，区隔各种不同的垂直产业，以满足不同的需求。最后，4G对云端的应用比较单纯，5G对云端的应用将更为全面与深入。

图2　Nokia台湾暨香港澳门大中国区端到端解决方案总监王集祥指出，5G将过去各自独立运作的网路连在一起，也透过多种新的技术提升网路频宽与应用范畴。

图3　SGS电子通讯实验室副理廖兆祥指出，在2020年5G时代，行动用户数将较2015年成长1.3倍达92亿，行动宽频用户将成长2.3倍达84亿。

从网路资源的应用来看，王集祥解释，5G有一个很重要的观念叫动态资源管理(Dynamic resource management)，由于频宽资源是有限的，所以必须要更精准的管理，提供需要的使用者高频宽或长时连结并动态调整。软体定义网路(Software Defined Networking, SDN)和网路功能虚拟化(Network Function Virtualization, NFV)也会越来越重要，不仅会共同运作，也对网路资源的自动化管理与控制非常重要。

在应用上，王集祥举例，自动驾驶、健康、智能电表这三种应用对网路的需求截然不同，如何顺利达成个别目的，网路切片成为未来最主要的手段，网路控制系统会透过不同参数的设定，包括成本、距离、服务品质、资料速率、动/静态、电池寿命、延迟等不同参数的需求，分析出相关应用的网路需求，加以模组化并提供最适合的网路资源给不同的服务。另外，动态经验管理(Dynamic Experience Management)相较于过去大多是静态的管理，不仅能更即时也提供消费者更好的使用者经验。

5G渗透率更高 技术挑战也不小

在5G三大主要应用当中，华硕电脑系统整合开发处赖文政博士说明，高传输速率的应用网路架构中有几个重点，包括网路功能虚拟化、智能型行动运算、小型基地台系统、小型基地台射频晶片与射频收发器子系统。大量物联网系统架构包括：物联网感测器(IoT Sensor)、物联网使用者终端(MTC UE)、物联网存取点/闸道器(MTC AP/GW)、网路功能虚拟化与物联网垂直服务应用等。

5G之所以引起各界瞩目，重点就在其将更深入每一个人的工作、生活、学习等各个层面，SGS电子通讯实验室副理廖兆祥(图3)指出，在2020年5G时代，行动用户数将较2015年成长1.3倍达92亿，行动宽频用户将成长2.3倍达84亿，行动终端连接数将成长1.5倍达116亿，智能型手机用户将成长1.8倍至61亿，行动物联网终端连结数将成长5倍至31亿，行动穿戴装置连结数将达6.7倍至6亿，行动资料流量将成长8.3倍至每月30.6EB，5G用户数2021年也预期将成长至1.5亿，5G可以说是未来几年科技与数位生活的推进器，也是全球经济发展重要的引擎。

图4 资策会智通所主任马进国解释，调变是一种将一个或多个周期性的载波混入想传送讯号的技术，常用于无线电波的传播与通讯。

至于天线的构型，除了最传统的平面阵列式天线之外，廖兆祥表示，因应不同使用情境或收讯需要，厂商也发表了许多不同型态的天线，如筒形、角锥、五面/六面锥形，Massive MIMO目前还有一些技术挑战，包括资料瓶颈(Data Bottleneck)、校正(Calibration)、耦合(Mutual Coupling)、不规则阵列(Irregular Arrays)与设计复杂性(Complexity)，由于阵列天线复杂度较传统天线大为提升，所以设计与模拟、测试等工作就更加重要。

毫米波(mmWave)利用高频段以提供高传输速度，而提高传输速率，需有MassiveMIMO、Small Cell等搭配才得以实现，廖兆祥认为，其困难在于高频本身的严重衰减特性，以及如何实现高频电路设计。而MassiveMIMO可以提升资料传输率和连结稳定性，资料的接收和传输并完成编码为一大挑战，如何将通道状态的资料从接收器传送到传输器，以便预先完成编码则是主要的困难。

5G调变技术发展

5G由于采用过去多应用在军事、航太的30GHz以上超高频毫米波频段，为达成高速传输，势必采用全新的调变(Modulation)技术，资策会智通所主任马进国(图4)表示，调变是一种将一个或多个周期性的载波混入想传送讯号的技术，常用于无线电波的传播与通讯，利用电话线的数据通讯等各方面。依调变讯号的不同可区分为数位调变及类比调变，这些不同的调变，是以不同的方法，将讯号和载波合成的技术。

图5　工研院资通所新兴无线应用技术组副组长陈文江表示，一般而言30GHz以上的频段才称为豪米波，5G会从6GHz开始慢慢往越高频发展。

马进国强调，所有调变的原理都来自于1948年C.E. Shannon的Shannon Theory：C=B*log2(1+S/N)。近年来所有调变技术都是从这个理论而来，相信未来5G NR(New Radio)中的调变技术也会是如此。目前为业界讨论较多的调变技术包括：Filter Bank Multicarrier(FBMC)、Universal-Filtered Multi-Carrier(UFMC)、Generalized Frequency Division Multiplexing(GFDM)、Filtered-OFDM与Non-Orthogonal Multiple Access(NOMA)等，新的调变技术以满足高传输速率为主，但也同时需要可以应用在大规模与特殊应用物联网上。

5G频段渐次往高频毫米波发展

高速传输的另外一个重点就是毫米波mmWave，工研院资通所新兴无线应用技术组副组长陈文江(图5)说，一般而言30GHz以上的频段才称为毫米波，目前工研院是国内进行毫米波研究最主要的团队，5G的频段会从6GHz开始，慢慢往越高频发展，虽然近年各大厂展出毫米波技术应用一直到73GHz或更高都有，不过那么高频的应用不会在5G刚开始的几年投入市场，现阶段11GHz是还不错的频段，再来就是最多国家投入的28GHz，然后是38GHz，这也是工研院目前投入研究的主要频段，不过越往高频发展，路径损失(path loss)的问题就更严重。

图6　元智大学电机系助理教授彭朋瑞指出，5G未来运作于30GHz以上毫米波频段，对于电路设计亦带来重大的挑战。

毫米波应用有以下几个挑战，通道量测(Channel measurement)对讯号的传输有很大的影响，相位阵列天线与波束成型(Phased array antenna/Beam forming)也攸关天线讯号与终端的沟通，除了波束成型之外波束追踪也同样影响讯号的良窳；另外，在同样空间中太多装置存取，就可能产生波束成型下的阻塞；另外，毫米波讯号覆盖的范围比较小，如果在小范围内有许多使用者需要连结，相关的支援非常重要。

高频电路设计与系统验证挑战

5G未来运作于30GHz以上频段，对于电路设计亦带来重大的挑战，元智大学电机系助理教授彭朋瑞(图6)指出，以60GHz相位阵列收发电路为例，可以采用两次升频的方法，让其频率从基频的数位讯号，转换到60GHz高频再发射。另外，接收器也是采用类似的两次降频方法将高频讯号降为基频处理器可以处理的讯号。

图7 Keysight应用工程师涂智元表示，5G系统复杂度远超过过去任何一代行动通讯技术，讯号量测在5G时代更形重要。

在讯号前端的功率放大器(Power Amplifier, PA)上，也是目前发展过程中很重要的元件，由于未来讯号收发频率范围非常宽广，纯矽元件无法负担，目前被业界点名较频繁的材料为氮化镓(Gallium Nitride, GaN)。5G系统复杂度远超过过去任何一代行动通讯技术，所以在开发阶段准确的讯号量测是系统验证非常重要的一环，Keysight应用工程师涂智元(图7)表示，讯号量测在5G阶段更形重要。

近年测试认证厂商非常强调高频讯号的量测能力，主要就是为了因应5G产业的发展，在初期协助客户建立通道模型也是重点之一。涂智元指出，除了高频讯号之外，波束成型的波形必须要透过不断的验证、调整，以找出系统最佳化的方案，不同的客观环境与应用需求将带来不同挑战，其验证技术也必须要走在产业前面贴近产业的脉动，并与客户站在一起，才可以提供最佳化的测试解决方案。