探索、研拟中的5G技术 4G过后 5G准备接轨

图一 : 5G现阶段的目标是将传输率提升到10Gbps以上。
而所谓的5G，目前仍在技术摸索、研拟、提案中，现阶段的目标是将传输率提升到10Gbps以上，为达此要求，各研究机构与网路设备厂、电信营运商，均在进行各种尝试，但大体已有一些技术共识。



图二 : 5G技术目前仍在技术摸索、研拟、提案中，现阶段的目标是将传输率提升到10Gbps以上。
可行技术策略

首先是运作的频段，现行LTE/4G多在3GHz以下运作，尤其FD-LTE多在偏低频位置，如700MHz、1800MHz，TD-LTE则较为高频，如2.1GHz、2.3GHz等，而目前提案中的LTE-U将会使用5GHz频段，与Wi-Fi所用频段相同。

5G为了达到高传输率，期望使用更高的频段位置，一般认为将达30GHz以上，例如南韩Samsung已尝试用28GHz进行传输，日本NTT DoCoMo也尝试用进行传输，其他如Ericsson尝试用15GHz，Nokia则用70GHz，甚已有达80GHz、90GHz的说法。



图三 : 5G频谱
为了达到高传输率，每个通道频宽也必须尽可能大，现行Wi-Fi不过20/40/80/160MHz频宽，LTE-A运用载波聚合技术，最高也仅能达100MHz频宽（聚合5个20MHz的载波），但是NTT DoCoMo已经尝试使用400MHz频宽，且已有1GHz频宽的技术提案。

一样是为了提升传输率，天线数也必须增加，仅以MIMO、eMIMO（e=enhanced）来形容已经不足够，新称呼为Massive MIMO，指使用大量数目的天线，NTT DoCoMo已开始尝试8根发送天线与16根接收天线，Samsung则已用上64根天线，收发天线数愈多，意味着传输率愈高。



图四 : 5G行动通讯将会整合如奈米技术、云端运算、MIMO等多种技术。
另外5G也希望减少传输延迟（Latency），希望将延迟时间限缩在1mS（毫秒）内，且要能支援物联网（IoT），此在现行4G中称为机器型通讯（Machine Type Communication, MTC），言下之意通话、通讯的不是人类，是装置（机器），而5G也一样要承袭与强化精进此方面的支援。

发展限制与挑战

乍听之下5G是将过往所谓的规格拉更高，好达到10Gbps的要求，但实际上5G技术也有所牺牲，由于使用5GHz以上的高频段运作，波长缩短，电波在传送路径中容易衰减，一般估在2km内，无法如现在动辄5km、9km远，甚至数十km的传输距离与覆盖。

为了弥补基地台覆盖面积的变小，只好采行更广泛、绵密的基地台布建，言下之意未来Small Cell作法将成主流。不过，仍会有一种追求高覆盖率、低传输率的基地台，好用来协调各个小基地台间的协同运作（只用来传递沟通协调的控制信号），这种“大覆盖负责控制、协调，小覆盖负责高速传输资料”的作法，一般称为异质网路（Heterogeneous Network, HetNet），现行4G已开始倡导这种观念，之后也会延续。

最后，由于使用5GHz以上频段，多不是全球通行频段，各国对高频有各种用途，因此如何协调频段的运用也成重要挑战，现行4G推行所谓ASA（Authorized Shared Access），例如海岸防卫队可能只在沿岸用高频雷达，则透过协调在内陆使用相同频段提供服务，或者某些时段不用也可以暂时挪借相同频段来运作，用时间与空间上的差异来灵活运用频谱资源。

当笔者跟别人谈及ASA机制时，多数人的第一个反应是“频谱资源已经荒缺到这种地步了？需要在时间与空间上进行争抢挪用？”看来答案是肯定的，笔者也曾与人说明“客户关系管理，CRM”，即透过电脑分析大量客户资料，对客户进行分群，而后针对不同群的客户推销不同的销售优惠方案，如电信商针对经常出差的人提供跨国漫游优惠方案，针对情侣推行网内互打方案。

然说明了CRM后，也有人向笔者反应：生意做到这个地步，根本是做不下去了嘛！但产业现实、市场现实，技术要持续精进，生意模式也要持续精进。

物联网IoT必行之路─Sub-1GHz频段

虽然新一代的5G通讯朝向更高频的方向走，例如5GHz以上的频段，甚至可以高到28GHz、30GHz等，但其实无线通讯也有另一个趋势，是往更低频的位置走，即1GHz以下的频段，英文称为Sub-1GHz。

这如同电脑运算一样，一是往更高效能推进，另一是往更低廉小巧推进，现在的桌上型PC可以小到只有USB随身碟般大小，称为PC-on-a-Stick，或者可以只有名片般大小，价位更只有20～35美元，如树莓派（Raspberry Pi, RPi）。



图五 : TI的Sub-1GHz频谱分析仪，售价仅25美元。
而所谓Sub-1GHz，就字义上而言是泛指低于1GHz频段的无线通讯统统都算，但实际而言并非如此，而是要扣除许多既有应用与标准才能算。首先要扣除类比电视的电视白区（Television White Space, TVWS），小至54MHz，大至890MHz，换成数位电视后，也会使用698MHz～890MHz间。

而以LTE而言，FDD LTE也有使用13个频段低于1GHz，一般在700MHz～900MHz间，但有一个频段低至462MHz。而偏高频的TD-LTE也有一个频段在1GHz以下，为703MHz。



图六
扣除上述后，真正用于物联网（IoT）应用的，多是315MHz、433MHz、868MHz、915MHz等频段，部份国家还允许使用169MHz频段，或者大陆可用779MHz。

即便是这些频段，其实也已经有其他无线通讯标准采用，如业界已发展、推行10年的ZigBee，即使用2.4GHz、915MHz、868MHz频段，其中后两者低于1GHz。而Google/Nest Labs提出的家用物联网无线通讯技术Thread，已言明使用与ZigBee相同的底层技术，即IEEE 802.15.4，言下之意现有已支援ZigBee通讯的晶片，理论上只要更新韧体，就可以改行Thread通讯，如此也一样用及868MHz、915MHz频段。不过，ZigBee、Thread已属物联网技术领域，已是Sub-1GHz本有的初衷应用。

除了ZigBee、Thread外，IEEE 802.11ah标准也是锁定1GHz以下的物联网、无线感测器网路（WSN）等应用，预计2016年会有正式标准出炉。

当然，1GHz以下也包含类比AM收音机的540kHz～1,600kHz（1.6MHz），或者FM收音机的88.1MHz～108.1MHz，也包含无线充电的WPC Qi的110kHz～205kHz，或A4WP的6.78MHz，NFC与RFID感应的13.56MHz，但因为这些频率实在太低，除FM外几乎都不到100MHz，因此几乎可略而不提，不相冲突。

所以，即便真的谈论低于1GHz的物联网传输应用，也有4类需要谈论，一是现行最普及的产业标准ZigBee（广泛应用），二是各业者自行应用的专属型Sub-1GHz传输，三是刚起步不久，仅针对家用物联网的Thread，四是预计2016年到位的IEEE 802.11ah。

IEEE 802.11ah的订立是希望业者放弃专属型Sub-1GHz，但目前来看有些不乐观，因为11ah仅订立多数业者均可接受的共识标准，现有专属型的晶片表现多已超越此标准，预估即便标准出炉，放弃专属的速度也会缓慢，特别是在一些产业型应用中，特别讲究较佳的通讯表现，且换用周期较久。

以上4类尚未谈到LTE，事实上LTE也在订立支援物联网的新通讯标准，即MTC（Machine Type Communication），如此就有5类低于1GHz的物联网通讯，因为如前述，LTE至少有462MHz、700MHz～900MHz可用。另外，与ZigBee、Thread在家用物联网竞争的尚有Z-Wave，也使用868MHz～956MHz。

另外美国欧巴马总统2008年就任后所提出的智慧电网（Smart Grid），也在之后由IEEE负责制订出智慧公用事业网路（Smart Utility Network, SUN）标准，即IEEE 802.15.4g，也一样是使用低于1GHz频段，也属产业性应用的物联网。

最后，一定要用及1GHz以下频段吗？一是低频可以用较低成本达到比较大面积的覆盖，好支援广布的感测节点，同时每个节点的传输量不大，低频频段的Mbps级传输率足以因应。另一则如Nest Labs所言，2.4GHz频段太挤了，包含微波炉、Wi-Fi、蓝牙都使用，因此Thread期望在2.4GHz外也能使用其他频段，以加速实现家用物联网。

目前唯一没使用低于1GHz的物联网通讯恐怕仅剩蓝牙，4.1版的蓝牙也开始支援Mesh型网路，这是支援物联网所必须的基础，但蓝牙依然以2.4GHz为主，且看其日后发展会否也跟进采用Sub-1GHz频段。