估計2020年,隨著UltraHD 4K、8K視訊解析度標準普及、連網終端裝置數量也將超過500億台,將需要大於現今10倍的頻譜與傳輸速率,才能因應,而這也驅動5G通訊技術的快速發展。

目前,5G通訊技術正如火如荼的開展中,不僅標準制定單位——由第三代合作夥伴計畫(3GPP)將各版本(Release),也就是所謂的Release 13、14…等發佈的時間縮短為一年一版;全球各國、相關廠商也積極針對許多5G納入的新技術——與過去3G、4G所採用的各種技術完全不同——進行研究及場測,期可收集更多資料提供給標準制定單位,順勢掌握市場主導地位。

不過,值得注意的是,5G通訊技術由於要提高傳輸速率、覆蓋率、網路吞吐量…等,過往3G、4G,甚至4.5G使用的技術,都已達極限,不敷5G通訊技術的要求。因此相關業者想要循過去模式通吃市場,難度很高,未來5G市場不僅不會再是一家獨大的狀況,還會呈現百家爭鳴、進而異業結盟的態勢。

標準發展現況

5G標準規範目前正由3GPP制定中。據了解,3GPP預計在2019或2020年底定5G通訊標準規範,不過將是使用6GHz以下頻段的相關標準,毫米波(mmWAVE)由於技術對現有業者或一般工程師來說較為「陌生」,相對技術難度也較高,因此將較6GHz頻段部份的規範晚些發佈。

會有這樣的區別,除了6GHz以下與毫米波技術的難易度差距較大之外,6GHz技術對業者來說也較熟悉。羅德史瓦茲(R&S)系統及工程維修服務部經理盧明政表示,目前3GPP對於5G通訊技術要採用那些頻段仍未相當確定,尤其是毫米波的部份,而6GHz以下頻寬有限,天線技術是目前工程師較熟悉,且也具備相關開發知識,因此這也是3GPP計畫2020年先發佈6GHz頻段以下標準規範。

另一方面,5G通訊納入6GHz頻段以下的目的,在於期望可充份提高頻譜利用率,改善4G技術頻譜使用率不盡如人意的問題。國家儀器(NI)技術行銷經理潘建安指出,從2018年韓國冬季奧運、2019年世界足球錦標賽,以及2020年日本東京奧運幾個重要的運動賽事,都將作為5G通訊實驗網,對5G技術來說可視為重要的里程碑。且這也是要證明5G通訊技術可以讓許多使用者同時使用,服務也不會中斷,更不會出現網路塞車問題。

愛立信(Ericsson)網路產品事業部5G架構負責人Joakim Sorelius認為,5G通訊技術6GHz以下頻段規範納入的技術,部份與現有的LTE技術相同,可「重複使用」。也進而讓5G通 訊技術可向下相容LTE;而高頻的部份,因涉及覆蓋率、延遲與傳輸距離短…等問題,則需要全新的技術才能因應。

20161101 5G NT31P1 圖1:3GPP 5G技術標準規範時程 (來源:愛立信圖)

mmWAVE規範還有得等…

採用高頻段的毫米波相關規範,則由於使用的頻段尚未決定,須到2020年之後才會定案。華壹生活科技(ALifecom)技術行銷副總高淑華從各代行動通訊技術發展解釋,今年3月3GPP發佈了Release 13與14,並在Release 14加入物聯網(IoT)的概念,亦即NB-IoT,可實現LTE-Advanced Pro;而5G真正的名稱為IMT-2020,規範是Release 15和16。根據3GPP的計畫,2017年會宣佈最終版Release 14、2018年Release 15,2019年則是Release 16。其中,6GHz以下頻段是2020年第一波發佈的5G規範;6GHz、10GHz以上的毫米波規範則預期會在2022年底定。

宜特科技(iST)訊號測試事業處工程處協理余天華指出,高頻段的毫米波不僅現階段的天線設計工程師對該頻段不熟悉,還會帶來其他開發挑戰。首先,現有互補式金屬氧化物半導體(CMOS)晶片需要使用新的製程,才能提高良率,否則將面臨如同現今60GHz頻段晶片良率只有15~20%的窘境;而新製程則需要重新設置半導體製程反應室(Chamber)。

不僅如此,現今支援2.7GHz頻段的放大器,也須進一步透過新技術「升級」以支援更高頻段,從成本的角度來看,目前60GHz放大器成本一顆約2萬美元;而5G技術要求做到大規模陣列天線多重輸入多重輸出(Massive MIMO)則最少得需要48顆放大器,成本的壓力顯而易見。余天華進一步說明,現階段的天線模組設計工程師對於單天線的MIMO技術可謂相當得心應手,軍方長期使用的矩陣式MIMO天線,勢必會為工程師帶來新的技術門檻,有意發展相關技術的廠商可能甚至得汰換現有的工程師,找尋新人才,才能順利研發。

潘建安表示,5G毫米波頻段標準分為Phase 1與Phase 2兩階段。Phase 1討論40GHz以下的技術,涵蓋Release 13、14、15的Massive MIMO、波束成型(Beamforming)與由2D轉到全維度(full dimension)等技術;Phase 2則將討論不再採用正交頻分多工(OFDM)的狀況下,有哪些新的調變技術可用,目前NTT DoCoMo提出非正交多工存取(NOMA);沃達豐(Vodafone)、英特爾(Intel)、華為(HuaWei)..等支持通用頻分多工(GFDM);阿爾卡特-朗訊(Alcatel-Lucent)則支持通用濾波多載波(UFMC)/FBMC,未來何種技術可望成為標準,尚未明確,各個技術的支持廠商也正進行場測,期可提交更多資料獲得3GPP或其他成員的認同。

總而言之,由於5G行動通訊技術在沒有干擾的狀況下,要達到大於10Gbps數據傳輸率;或是最少也要大於50Mbps,且移動狀態下的訊號品質也要比現在的4G還要好。因此採用新的調變技術與使用毫米波頻段,與4G技術相比,技術難度翻了好幾倍,要用哪些調變技術才能真正發揮毫米波頻段的優點,並非3GPP成員一朝一夕討論後即可定案,也非標準規範出來,業者就能馬上推出產品,因此需要多方考量,以及持續討論相關技術可行性,因而3GPP將毫米波標準規範放在第二波公佈。

高通認為,從5G標準化的進程看,關於5G技術的第一版Release以及相應的技術規範可望在2018年發佈。5G是一個全新的系統,意味著該技術包含非常多目前4G技術所不支援的全新功能,一方面,5G和4G技術仍有很多相似性,比如在波形技術上。高通指出,5G和4G會一樣會採用OFDM的波形技術;另一方面,5G和4G也有非常多的差異,5G要支援眾多跨產業的不同用途,不僅只是「高速行動寬頻」的要求,還包括大量物聯網和關鍵業務型應用等,因此,對5G技術的要求,將遠比4G多更多,因此也難怪3GPP將技術規範細分為6GHz與毫米波Phase 1、Phase 2,並階段性的發佈。

802.11跨足5G領域

不僅3GPP積極針對5G行動通訊制定標準,電機電子工程師學會(IEEE)也以802.11技術為基礎,發佈新標準搶攻5G市場。

是德科技(Keysight)應用工程部資深專案經理張式先表示,從整個5G技術市場發展來看,5G市場並非一定是由電信(telecom)業者大力支持的3GPP蜂巢式(cellular)網路技術所主導,數據通訊(datacom)陣營,也就是提出無線區域網路(Wi-Fi)802.11ac/ad技術的IEEE,也致力於5G技術規範的制定。

根據IEEE針對802.11技術規範的進程,在802.11ac/ad之後,將陸續推出其他版本。潘建安說明,因應5G通訊技術需求,IEEE已著手討論802.11ac下一代802.11ax、針對物聯應用的802.11ah、供車聯網應用的802.11p,以及應用毫米波頻段的802.11ay。

其中,802.11ax進度最快,目前0.1版草案已推出,1.0版草案預計今年年底問世,估計2017年底會有相關產品上市。而802.11ax使用單一輸入單一輸出(SISO),預計接取點(AP)端的吞吐量可提高四倍;以往802.11技術專攻室內連線應用,802.11ax將可適應戶外應用所需;此外,為因應多使用者的情況,也將過去使用的OFDM調變技術,改為導入正交頻分多址(OFDMA)。這些技術的運用,期讓802.11ax能在相同的頻譜利用率下,提供更好的使用者經驗。

事實上,802.11ac/ad已被國際電信聯盟(ITU)納入標準規範中,其中,使用60GHz頻段的802.11ad,該技術擘劃的應用藍圖中,有許多與5G技術提出的應用很類似。舉例來說,5G通訊技術希望以運用高頻頻段來支援人口密集區域的連線品質;而802.11ad也為因應多人使用而提出在路燈上安裝802.11ad裝置的應用建議。

不僅如此,802.11ad早已開始應用Massive MIMO、毫米波與陣列天線等技術,這與5G規範中採用的技術不謀而合。張式先指出,幾年前提出的802.11ad有能力可以實現5G通訊術,因為該技術發展的相關知識可以進一步延用至開發5G通訊相關產品。這也是2016年許多通訊晶片大廠如高通、聯發科(MediaTek)、博通(Broadcom)…等開始積極佈局並致力研發802.11ad晶片的主因。

值得注意的是,IEEE早有企圖想從Wi-Fi此一行動性不高的技術,跨足行動通訊領域,該組織提出的技術相信市場上並不陌生——全球互通微波存取(WiMAX)。盧明政解釋,雖然WiMAX已被視為失敗的技術,現今也少有地區使用,但不容忽略的一點是,由WiMAX衍生而出的分時長程演進計畫(TD-LTE),不僅是目前4G時代的重要技術之一,亦受3GPP重視,納入正式的標準規範中。甚至5G通訊技術要有效的利用頻譜,即須仰賴分時多工(TDD)達成目標,因此種種「因緣際會」下,也讓IEEE有機會可以進軍5G通訊技術領域。

不過,IEEE是否能夠成功仍有些非技術面的問題。華壹生活科技軟體工程副總許亨仰認為,雖然WiMAX靠攏TD-LTE,取得進入行動網路的門票,但該組織對於規範的執行力道較為鬆散,亦即給予業者許多彈性。也就是說,IEEE不像3GPP嚴格要求業者的產品一定得一條條符合規範要求,以至於符合IEEE標準規範的產品常發生互通性問題,若這樣的情況未改善,可能會導致失敗。

合作?還是對立?

從先前3GPP與IEEE兩大陣營的「關係」來看,可以發現,在2G與3G時代,兩大陣營都「各做各的」,各有自己一番天地,甚至處於對立狀態。這樣的關係,到了4G有了些微的轉變,兩陣營開始進行合作,也就是說,為了解決網路壅塞的問題,蜂巢式技術開始借助Wi-Fi進行分流,未來到了進入5G時代,兩大陣營的「相處模式」將是對立?還是合作?業者普遍認為將是合作,但也有業者表示兩大陣營仍是各守戶外與室內應用領域,井水不犯河水。

根據5G技術規畫,5G技術要結合所有的人事物,打造無所不在的網路與連線,並提供更好的傳輸速率與連線品質。許亨仰表示,要達到上述的理想,單靠蜂巢式技術或是WLAN是不可能的。雖然進入4G時代網路架構已改為全IP的狀態,可以輕易和早已是全IP狀態的IEEE規範結合,但4G技術仍以人與人之間的連線為主;而5G技術要加入事與物的連結,更是需要與Wi-Fi、固網合作,除了提升傳輸速率,還可做到無縫連結。

高淑華指出,新的應用如擴增實境(AR)、虛擬實境(VR)、物聯網…等,會推動5G技術的加速進行,且還需要提升可靠度,因此兩大山頭在5G時代應該會有更多的溝通。潘建安表示,即使兩大技術在實體層(PHY Layer)不會進行融合,但仍可彼此跨合作。

是德科技行銷處資深行銷專案經理郭丁豪強調,事實上,這兩大技術都無法單就自家技術,打造一個5G世代所要求的「無所不在的網路世界」願景,因此兩大陣營勢必得進一步合作。5G通訊技術很大的一個環節為基地台間無縫通訊,以及異質網路的合作,若兩大陣營仍是各自為政,將很難落實隨時隨地都能連線且無縫上網的5G網路要求,許多嶄新的應用也將無法順利實現。

高通則認為,5G的時代,要達到萬物互連此一非常廣泛的概念,且還要實踐「多連接」的想法,但此在4G時代已經開始發生——當引入LTE和Wi-Fi的時候就已經開始。「多連接」的概念在於,在同一終端上可以同時連接LTE和Wi-Fi,它的部份服務會基於LTE,而另一部份的服務則會基於Wi-Fi;又例如,一個單一的服務會同時基於LTE和Wi-Fi,至於它會選擇哪種連接,這取決於哪一個鏈路比較好,這就是「雙連接」的概念。針對5G,業者目前正在做的事情即是拓展這個概念,拓展到多個鏈路,終端可以同時進行5G、4G和Wi-Fi三種連接技術並保持暢通。根據不同鏈路的實際情況,有一些服務只透過4G,有一些使用5G,有一些則是利用Wi-Fi,甚至固網。因此,未來5G時代會將 「雙連接」在4G時期的概念延伸並擴大至三種鏈路同時服務使用者,這將可讓服務的管理變得更加有效率,用戶體驗也會變得越來越好。

5G市場百家爭鳴

由於5G通訊採用較多不同以往的調變技術,甚至打破現有網路基礎架構,因此除非「口袋很深」的大廠有能力先期投入研發,要完全掌握所有的5G技術,單一廠商將很難做到。余天華表示,5G可以說是「燒錢」的事業,加上要重新研發的技術眾多,要想能夠所有專利權一把抓,實不容易。

高淑華指出,現階段投入5G相關晶片研發的業者,大多是在行動通訊領域耳熟能詳的幾家。不過在網路設備端,由於5G通訊走扁平和虛擬化,以及從上到下的整合架構,因此更非現有單一廠商能夠完全支援市場所需,因此除了在晶片端不再由一家廠商獨佔IP專利,在網路設備端也會出現百家爭鳴的狀況。

由此可以推論,過去3G、4G時代由高通掌握大部份專利權的狀況,將可能不復存在,而相關業者也體認到這一點,除積極搶爭IP專利權之外,也開始進行合縱連橫策略,各地區也紛紛成立相關聯盟,期可主導技術規範,爭得最多5G市場商機。

亞洲各國積極度破表

表1所示為全球各地區針對5G通訊所成立的協會。可發現,全球各地區皆很積極投入5G通訊的相關研發,並推動5G技術的發展。

20161101 5G NT31P2 表1:全球5G通訊技術的研究組織與計畫

由表1可以發現,美國似乎並未成立相關5G發展協會,以及許多協會中都可見到華為的身影。許亨仰解釋,美國地區在5G通訊發展雖未「成群結黨」,但事實上,如Verizon就積極與5G-PPP合作,加上美國的電信業者擁有北美、中南美及第三世界國家市場基礎,因此即便沒有相關協會的成立,美國業者也將藉由和各地聯盟的合作,強化其5G技術與市場的發展。

至於華為,該公司由WiMAX「發跡」,除了WiMAX轉TD-LTE在第三世界國家打下的技術基礎外,該公司亦獲中國大陸政府強力的奧援。且華為亦積極參與全球各地成立的5G發展相關協會,目的也是期望可以讓中國大陸在5G的發展上能夠「後來居上」。

不僅如此,在5G的發展過程中也可以發現,除中國大陸,日本與韓國也相當積極。高淑華表示,中、日、韓三國可以說是全球發展5G技術最不遺餘力的地區,而台灣也在2015年成立「台灣資通訊協會」。亞洲各國致力推展5G技術研發的最大目的,就是希望能掌握更多的IP專利與技術研發能量,在5G市場領先其他國家,贏得先機。

晶片商也戮力與相關業者合作進行場測。舉例來說,高通即參與3GPP的標準化進程和相關活動,且今年6月該公司也推出基於3GPP NR概念的5G新空中介面原型。高通說明,5G新空中介面原型是與愛立信的合作成果;而高通旗下的高通技術也與韓國電信共同示範利用授權及未授權頻譜的增強型輔助授權接取(eLAA)和輔助授權接取(LAA)空中下載技術測試。

聯發科則一改過去「追隨者」的角色,在5G市場有較多積極的作為。2016年6月該公司即宣布加入中國移動5G聯合創新中心,與中國移動共同推動5G技術研究、測試及業務創新,以力求在 5G 的標準制定中,貢獻具體成果。

台灣仍有機會迎頭趕上?

相較於各國積極發展5G,台灣又是如何?廠商多認為台灣產學界在5G技術研發與IP專利的取得上較過往努力許多。盧明政認為,雖然目前5G標準仍是較為模糊的藍圖,但台灣學界與產業界已開始致力研究5G所涉及的眾多技術,如羅德史瓦茲與中山大學攜手開發多天線(8×12)量測平台已取得初步成果。

不過,較令人憂心的是,台灣業者對於5G通訊究竟要做什麼仍很模糊,因此持觀望態度的廠商居多,投資也相對保守。雖然台灣政府鎖定小型基地台(Small Cell)作為台灣搶攻5G商機的利器,但Small Cell從3G時代已經開始被提及,雖然5G世界也需此裝置,但其能否大量出貨或被採用,仍端看電信營運商的市場策略與新服務的推展狀況。

郭丁豪則指出,過去台灣的確都是等規格制訂之後才會投入,導致在IP爭奪戰中都敗陣下來,產品推出的同時必須付出高額的授權金,但台灣資通訊協會的成立將可望打破此僵局。台灣通訊協會從IP著手,目的希望能提供3GPP針對5G的技術專利,並獲得採用,然專利的取得,短時間內,投資看不到結果,因此需要台灣廠商的支援與國家力量的挹注,以及研究單位如工研院(ITRI)、中科院與大專院校等共同努力,台灣才能在5G市場有更多主導機會。

另外,在4G通訊技術以前,台灣廠商擁有較多天線技術相關的IP專利,基地台相關技術本就較為缺乏,因此在5G發展中,台灣亦可選擇專攻天線相關技術。張式先強調,台灣在5G研究雖起步較慢,但選擇38GHz頻段進行研究與開發相關技術可謂押對寶;不僅如此,即使在WiMAX跌了一跤,不過,台灣累積了豐富WiMAX與Smallcell練兵經驗,也提供許多WiMAX技術建議予3GPP ITU,因此台灣並未在5G發展中落後。

更重要的是,5G通訊涉及到軍方掌握的天線與其他技術,而中科院在這方面的研究早已開始進行,因此中科院將在台灣5G產業中扮演相當關鍵的角色,現階段該單位也與廠商或其他研究單位進行技術交流與研發合作,期可協助台灣業者在5G市場走得更快。