近期全球各大展會,甚至台灣甫結束的台北國際電腦展(Computex),5G行動通訊的最新動態,一直是眾所矚目的焦點。5G技術如此受到矚目,不僅是相對於前幾代通訊技術在各方面都有更大的進展,或是帶來多「美好」的新營收數字,5G技術還能為全球每一項產業創造新的應用價值。隨著第三代夥伴計畫(3GPP)陸續底定5G相關技術規範,如2017年12月發佈5G新空中介面(New Radio,NR)非獨立式(non-Standalone,NSA)第一版標準;今年6月14日推出5G NR獨立式(SA)技術規範。而5G技術在全球掀起的新革命,也將正式展開。

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5G商機勃發

為何全球產業對於5G技術如此熱衷?很大的原因在於無論提供使用者多大的資料傳輸頻寬,使用者永遠追求更多。因此相較於現在的4G通訊技術,5G可提供高於10倍的傳輸速率、更快10倍的回應時間,也就是更低的延遲,以及更節省成本、更龐大的營收來源…諸多優勢,吸引眾產業的目光。高通(Qualcomm)台灣區總裁劉思泰表示,由現在的4G進入到5G時代,可以說一個相當大的改變,且這個變化不單是技術上的改變,也將為人們生活型態與各式產業帶來新的影響,而不再只是對行動產業發展有較大的助益。

根據Research And Markets研究報告指出,由於5G技術將在2020年開始普及,並將帶動數位社會轉型,預估2025年全球5G市場規模將上看2,510億美元,2020~2025年複合成長率(CAGR)則高達97%。另外,5G技術普及後,將可對行動網際網路(Mobile Internet)與物聯網(IoT)應用提供更大且速度更快的通訊頻寬,以增加產業商機。

其他市調機構對於5G可帶來的商機也都相當正面。高通與IHS Markit合作所作的調查即指出,5G在2035年將創造12兆美元經濟效益,其中也將為台灣帶來1,340 億美元商品與服務總產值,並帶動 51 萬個就業機會。

5G革新運動超展開

5G衍生的諸多技術挑戰,也讓相關產業鏈中的處理器、伺服器、後段傳輸網路…等,開始轉變,以因應5G通訊技術開創的新應用需求。此外,5G技術也將改變各產業既有運作模式。

行動裝置處理器運算效能再強化

5G技術滲透率仍將從行動裝置開始。Arm副總裁暨客戶事業部總經理Nandan Nayampally表示,包括智慧型手機、筆記型電腦、電視機…等行動裝置與消費性電子未來仍將持續成長,預期到2026年,行動裝置與消費性電子裝置整體潛在市場範圍(TAM)將達770億美元,挹注行動裝置持續成長的主要因素之一即為5G通訊技術。

5G技術也可說是行動裝置連結未來的重要關鍵。Nayampally認為,2020年全球將正式進入5G時代,而該技術頻寬的提升與延遲的降低…等特性,勢必能為行動裝置開啟更多新應用,例如更身歷其境的新體驗。

而要讓使用者藉助5G技術,在行動裝置上有更好的使用者體驗,行動裝置處理器需要變得更加強大,有更高的運算能力,才能協助行動裝置製造商開發涵蓋更多5G創新應用的裝置,並帶給消費者更加不同的行動裝置使用體驗。

Nayampally指出,隨著5G革命到來,Arm與其強大的產業生態系統正著手顛覆行動的定義,扭轉整個行動產業創新推動的重點與方式。從小螢幕一路擴大涵蓋到大螢幕裝置,Arm讓搭載不同作業系統的手機、平板,以及個人電腦(PC),一同改變人類生活、工作、娛樂,以及學習的方式,讓這些平台可透過5G技術無縫連結。因此Arm不僅推出新的處理器IP核心、繪圖處理器(GPU)核心…等全新IP套件,更將推動行動裝置新一波超乎想像的體驗。

不只晶片,得擴展至端到端

劉思泰指出,5G手機內部設計將變得相當複雜,這是由於5G標準涵蓋較廣,包括物聯網所需的短距無線通訊技術等…,因此未來手機需要內建許多連接技術。以剛底定的5G NR技術規範為例,該技術須工作在許多不同的頻段,因此對手機天線設計者而言,就需要設計不同天線,以滿足不同頻段工作所需,但同時又得兼顧尺寸、效能及成本。

5G技術為晶片設計已帶來諸多挑戰,但即使擁有累積多年的研發經驗,突破重重困難設計出所謂支援5G技術的數據機(Modem)或是相關元件,若未與電信業者的5G網路提前搭配、試驗,晶片商也無法拍胸脯保證100%能順利和電信營運商的5G網路互動。

因此進入到5G世代,晶片業者將不再只是推出晶片產品即可。為了確保5G技術能夠「真正」順利運作,達到5G規範的技術等級,終端產品也能發揮5G技術效用,晶片商從4G時代就已開始擴大與相關產業合作,5G時代更是需要不同業者間的異業協作。

劉思泰認為,在5G時代中,行動處理器業者的角色必須開始轉變,有鑑於此,高通已不再只是單純的晶片供應商,積極與系統業者、電信營運商合作,以鋪設完整5G網路,並確保5G網路能達到其規範中的特性與可靠性。目前高通與全球18家電信業者進行5G網路測試、解決技術問題的工作,也與20家OEM/ODM合作推出支援5G的終端產品,預期2018年底、明年即可看到支援5G技術的產品問世。

英特爾(Intel)也強調晶片商不能「單兵作戰」,必須與電信營運商、網通設備廠及裝置製造商…等進一步合作。英特爾副總裁暨新一代技術與標準事業群總經理Asha Keddy在第五屆台北5G國際高峰會(Taipei 5G Summit)會中提到,5G技術已開始發生,為了對應5G網路佈建所需,讓整體行動訊網路效能達到3GPP所訂規範要求,網路架構、基礎建設…等需要改變,晶片商當然需要和5G產業鏈的各關鍵業者有更多交流,才能進一步得知5G產業界需要何種支援與網路建置時遭遇到的困難。

Keddy指出,英特爾具備從裝置到後段雲端網路的完整端到端解決方案,5G技術產品也涵蓋試用平台、數據機、處理器、FPGA…等,但最重要的,是這些方案如何與5G相關業者的網路或產品溝通、發揮最大的效能。目前英特爾已與全球超過25家5G相關業者密切合作,並在今年韓國平昌冬季奧運與三星(Samsung)、韓國電信(KT)打造5G實際應用。在台灣,英特爾也和中華電信、諾基亞(Nokia)與百貨業者利用5G低延遲特性,打造智慧試衣系統。

光纖網路容量「ㄍ一ㄥ」到極限

5G網路前端架構已逐步成形,後段骨幹網路也須進一步提升,才能支援5G網路應用所帶來的流量需求。諾基亞光纖網路產品行銷總監Kyle Hollasch表示,無論是3G、4G或是5G,其後端網路骨幹都是光纖構成,且光纖骨幹得具備高傳輸料與低延遲,才能與前端行動網路技術良好搭配。在5G世代尤其需要光纖網路能夠達到更高傳輸速率與更低的延遲,但現階段的光纖網路如何再進化,也成為電信營運商在5G網路佈建上的新挑戰。

事實上,貝爾實驗室研究員克勞德·艾爾伍德·夏農(Claude Elwood Shannon)曾在1948年提出一個理論——PCS(Probabilistic Constellation Shaping),定義通訊通道的最大理論容量,稱為夏農資訊理論。但高密度波長分波多工(DWDM)光纖骨幹傳輸系統卻因現有的頻寬速率、光纖建置的數量,以及頻寬使用效率,而無法達到夏農資訊理論的傳輸最大值。

Hollasch認為,若是可以將現有採用離散正交振幅調變(Discrete QAM)技術的光纖網路擴展至夏農理論的極限,對電信營運商或是網路服務供應商(ISP)來說,不僅可提升既有光纖網路的資料傳輸量,還能降低電力消耗,以及節省新的光纖網路佈建成本。

為讓光纖網路可達夏農理論極限,諾基亞開發採用PCS技術的新世代的光子服務引擎(Photonic Service Engine,PSE)晶片組PSE-3。Hollasch說明,PSE-3透過新的PSE調變技術,使光傳輸管道與傳輸資料間產生的「空隙」得以填滿,加上此新的調變方式具備靈活性,可以適應不同的光纖通道,如此即可最大限度地去利用光纖容量與傳輸能力。

也就是說,PCS調變技術可將訊號進行智慧化的整形,使其符合光纖傳輸的特性,以產生不易受到雜訊與其他干擾影響的波長,進而將既有的網路容量提升65%,而且每個位元可節省60%的電力;使用新PSE-3晶片組的系統網路建置能節省35%的光纖轉頻器。此外,透過挖掘現有光纖的潛在容量,PSE-3可延長現有線路系統和海底電纜的使用壽命,進而省下可觀的成本支出。

Hollasch強調,PSE-3晶片組打造的光纖網路不僅滿足5G技術對後端骨幹網路高流量要求,還能可降低波長分波多工(Wavelength Division Multiplexing,WDM)系統及與日俱增的複雜性,有效簡化網路營運與規劃,並大幅提升動態作業,協助網路業者部署創新服務並降低成本。

通用伺服器抬頭

Keddy提到,現有的4G網路架構需要改變,以達到5G技術的效能及可靠性要求。因此現有網路基礎設施需要導入資訊架構(Information Architecture,IA)、虛擬雲端、軟體定義網路(SDN)、網路功能虛擬化(NFV),以及5G基礎設施,而這些新的技術功能與設備的導入,為伺服器尤其是通用型伺服器,帶來很大的新機會。

英特爾資料中心事業群資料中心平台應用工程部產品行銷部經理朱宏裕表示,在5G標準正式定案前,電信業者若是提早砸下重金採買電信專用伺服器,萬一5G標準定案後,先前採買的設備不符所需,對電信業者來說會是一筆極大的成本損失。因此電信業者可先採用通用型伺服器,構建先期5G技術基礎設施,且進行5G網路的虛擬分割伺服器工作時,也可使用通用型伺服器,待5G標準底定,在採購相關專用伺服器,以節省成本。

不僅如此,過去電信設備商多自行開發專用的伺服器處理器IC,以確保產品可靠性。但現在為了成本的考量,已有電信設備供應商開始採用x86架構處理器去開發網通設備,且因x86 架構處理器較具彈性,可執行較多樣化的工作,因此近幾年,電信設備商在其網通設備上開始漸漸導入x86處理器,對使用x86處理器的通用伺服器來說,是一大新商機。

朱宏裕並透露,5G網路佈建中,將會採用許多小型基地台(Small Cell),這些Small Cell所需的處理工作,若使用通用型伺服器建置,也相對可為電信業者省下一些5G網路佈建的成本支出。

各類產業因5G而蛻變

不只晶片技術與測試方面,因5G技術有所改變,各產業更將受惠5G通訊技術的優勢,而展現「新氣象」。劉思泰認為,現有產業也將受益於5G的特性,以及5G標準涵蓋的眾多規範,包括4G、sub-6GHz、NB-IoT…等,而有全面性的改變。

舉例來說,5G技術標準中的C-V2X規範,是針對連網汽車、自動駕駛汽車所設計,預期能夠推動連網汽車或自駕車產業的發展,實現真正的自動駕駛汽車。在農業的部分,可利用支援5G技術的無人機進行噴藥、監測農作物生長…等,將資訊即時傳輸給農民或是雲端管理中心,以因應各種狀況。

不僅如此,5G低延遲特性也將提升現有防災、消防救災、醫療…等工作的即時性;而傳統製造業的新革命也將由5G開啟,現有機械手臂是利用個人電腦與Wi-Fi進行控制,未來5G涵蓋的各項技術,且融合人工智慧(AI)、本地運算(Local Computing)…等,將可更即時了解機械手臂與工廠內部各類機器的狀況,使生產力大幅提升,並提高安全性。

Keddy表示,2018年第二季與第四季3GPP都將發佈Release 15相關規範,其中第四季則是Release 15最終版本,隨著這些新規範的底定,連網汽車、自駕車、無人機…等將可望因而實現。

不僅如此,「目前仍有80%以上的5G創新應用,尚未被開發出來。」劉思泰強調。5G帶來的產業創新,仍有許多想像與待挖掘的空間。Keddy並總結有哪些產業與應用將因5G技術而有新氣象,如智慧城市、智慧大樓、物聯網、機器學習、自動駕駛車、醫療保健、增強型行動寬頻通訊(Enhanced Mobile Broadband,eMBB)、3D視訊、每秒Gigabyte等級傳輸…等,預計2035年5G總價值鏈將達2.5兆美元。

台灣業者潛力十足

全球如火如荼發展5G的同時,台灣也積極以自身技術經驗,跨入5G市場洪流。第五屆台北5G國際高峰會中經濟部部長沈榮津致詞時提到,2018年可謂5G發展元年,3GPP發布第一版5G NR SA標準後,預計下半年電信營運商將展開大規模商用測試,以力拚2019年5G正式商用。

為發展5G,順利與國際接軌,台灣成立以電信營運商為首的「5G產業聯盟」,由中華電信集結40家業者共同參與進行5G技術的研發,以期可加速台灣5G產業發展,並拓展5G海外市場商機。沈榮津指出,台灣5G產業聯盟將在年底展現5G研發的初步成果。亦即5G產業聯盟將與台北市政府合作,以「台北流行音樂中心」為試煉場域,在該場地於年底試營運時,利用台灣自主開發的5G企業專網,結合360度全景虛擬實境(VR)直播系統,提供觀賞者演唱會活動大寬頻、現場同步虛擬實境,以及多頻道切換的音樂饗宴。

事實上,台灣在5G發展的技術能量有目共睹,全球5G相關大廠紛紛與台灣合作。看好台灣技術研發實力,歐盟成長總署對台灣開放「展望2020主題徵件計畫」。歐盟成長總署副總署長Antti Peltomaki表示,資通訊領域一向是台灣業者的強項,歐盟與台灣在5G技術研發方面的合作已有穩定基礎,「展望2020主題徵件計畫」是希望能以「針對性開放徵案(TOC)」的方式,遴選台灣5G團隊與歐盟廠商共同合作開發相關技術與應用,不僅可攜手卡位全球5G市場,台灣5G業者還有機會切入歐盟5G市場。

劉思泰認為,台灣作為全球原始設計製造商(ODM)角色過程中,累積許多研發終端裝置的技術能力,如4G用戶端設備(CPE)、Small Cell…等,這也讓台灣廠商在5G市場佔據較佳的起跑點。除此之外,台灣在射頻(RF)、端到端、硬體與軟體等研發實力亦不落人後,相信皆可充分運用在5G技術的研發或滿足5G技術需求所需,況且5G不只限於行動裝置產業,將涵蓋更多以往與行動通訊技術較不密切的產業,而這些都是台灣5G相關業者可追尋的目標市場。