2017年12月標誌著下一代無線標準的一個重要里程碑——第一階段5G新無線電(5G NR)標準的上半部份已經獲得3GPP批准,而第一階段5G NR的後半部份也在今年6月底定了。隨著標準的最終確定,圍繞此發佈標準建構的商業設備和基礎設施正在進行現場試驗和預發佈測試。這些都意味著5G的商業推廣越來越近了。

在今年2月舉行的全球行動通訊大會(MWC)上,許多公司都展示了5G所承諾的高速以及虛擬實境(VR)等炫酷的應用。2018的MWC與2017年相比來說,技術的進步令人印象深刻。5G最令人印象深刻的一個方面是它不僅僅是一個新的行動標準,而是可以圍繞該標準建立涵蓋廣泛產業和應用的生態系統。

與以前的標準不同,5G標準有意納入性能指標,以支援傳統行動寬頻場景以外的應用。當然,有用於改進5G增強型行動寬頻的性能指標,但還有一些額外的性能指標用於規範可同時連接到網路的設備數量,另外也對延遲的目標值進行了定義。增加的設備連接將有助於大幅擴大物聯網(IoT)和工業物聯網(IIoT)的規模,達到當今LTE功能完全無法實現的程度。延遲規範針對的是需要確定性通訊的應用(例如涉及人類生命的任何應用)或技術將與人類即時互動的應用。雖然這三個領域的規範每一個都能夠實現新的和擴展的應用場景,但將這三個領域相結合,則可圍繞著5G構建豐富的應用生態系統。

下表顯示了不同的應用如何利用5G的不同性能指標。

NI_5G applications 圖1:5G應用和技術需求

如上所述,3GPP在去年12月和今年6月發佈的標準只是第一版,未來將會有更多版本。5G將遵循與LTE類似的設計週期。過去9年來,關於LET的標準已經有多個版本,並進行了多次更新。LTE首次在3GPP Rel-8中提出。目前,3GPP正在努力完成Rel-15。Rel-15將納入5G NR規範。2017年12月,3GPP 5G非獨立組網(Non-Standalone;NSA)標準第一個版本正式凍結,完整版於今年6月凍結,不僅包括5G NR NSA,而且還納入了獨立組網Standalone;SA)標準。5G NR的NSA用例非常重要,因為它將使用LTE的核心網路進行操作。這意味著5G NR NSA的運行不需要推出和安裝新的基礎設施,SA版本將使用5G核心網路,並且很可能需要安裝新的網路設備。在接下來的幾個月中,研究人員將努力工作以最終確定5G NR SA用例的標準,一旦標準發佈後,設備供應商將需要設計能夠支援獨立組網用例的硬體。

NI_3GPP Release Timeline 圖2:3GPP發佈時間表

對於5G來說,2018年將是令人興奮的一年。除了3GPP Rel-15之外,消費市場還將有更多的5G部署。在MWC 2018上,華為展示了一個5G基地台,三星展示其基於28 GHz 5G NR基地台的互通性設備測試(IODT),高通則為其基於愛立信和諾基亞基地台的28 GHz UE進行了IODT展示。這些展示表明了設備供應商的硬體幾乎可以隨時準備部署,高通在其網站上以粗體字強調正致力於在2019年使5G成為商業現實。

隨著5G逐步得到廣泛應用,圍繞著5G建構的大量新技術和應用也將開始出現。5G官方規範中對於延遲和容量的獨特規定,使得幾年前聽起來還很遙遠的應用已經變得近在咫尺。VR就是一個很好的例子。如果要獲得完整的VR體驗,有一些重要的因素需要考慮。首先,使用者需要完整的360度高解析(HD)視圖來探索虛擬世界。這意味著攝影機必須不斷360度捕獲HD視訊,然後將這些視訊從攝影機位置傳輸回蜂巢式基地台,最後傳送給終端用戶。5G所承諾的高資料速率可以輕鬆地完成此任務,並提供足夠的輸送量同時傳輸給多個用戶。VR的另一個非常重要的方面是延遲。比如有人打開VR頭盔並轉過頭,周圍的虛擬環境也需要在1毫秒(ms)內完成轉換。如果延遲大於1毫秒,則人腦會察覺到這種延遲,大多數人會出現嚴重的暈眩。由於5G綜合改進的行動寬頻速度和低於1毫秒的延遲規範,因此,VR可以透過蜂巢式網路實現。

VR已經以某種形式存在多年,但是透過蜂巢式網路實現VR的能力將使VR可能應用到新領域。VR的一個熱門應用是體育賽事。想像一下,從場上某個球員的角度體驗足球比賽,或者虛擬地站在球場的50分線上觀看賽事將會是何種情景。今年年初的平昌奧運會上就對這一技術進行了小規模展示。100台攝影機放置在溜冰場上,直播資料即時傳回到一個5G技術場館。場館裡的人們可以佩戴VR頭戴式耳機,像冰上的運動員那樣體驗滑冰活動。

NI_Intel TrueVR System 圖3:2018年冬季奧運會上英特爾展示TrueVR系統

5G能夠將多達100倍以上的設備連接到網路,這一能力將使IoT和IIoT成為實現。從某種程度上說,物聯網存在於當下,並且市場上不斷有越來越多的設備連接到網際網路。對於消費者而言,這些設備各式各樣,有些具有實用性,有些純屬好玩,甚至有些非常奇怪。但對於工業而言,IIoT為智慧工廠提供了許多令人興奮的新特性和功能。製造工廠中的每台機器和設備都能夠不斷報告其健康統計資料和效率,因此老化的設備可以在故障發生之前進行維修,完全避免出現問題。當IIoT與擴增實境(AR)、機器學習和人工智慧(AI)相結合,技術人員將能夠透過AR眼鏡或現場平板電腦查看機器狀態和資訊,AI可以協助快速診斷問題。5G將有可能實現未來更快速、更經濟、更安全的製造。

NI_Augmented Reality 圖4:IIoT與AR相結合將有助於建構智慧工廠

自動駕駛車可能是5G將推出的最熱門且最受期待的應用之一。目前,車輛的自主駕駛是融合了眾多感測器、照片和視訊處理而實現的。未來的自動駕駛車仍然需要配備眾多感測器,並能夠處理來自感測器的資料,但是車輛通訊對於自動駕駛車的大規模部署來說是不可或缺的。簡言之,車輛需要一種相互溝通的方式。車輛與車輛的通訊將用於共用有關道路和環境條件的資料以及路線資訊,例如預期的停車或左轉。另外,車輛還將需要能夠與蜂巢式基地台等多種不同類型的設備以及智慧燈柱或路標等其他智慧設備進行通訊,智慧燈柱或路標可以將道路狀況或環境資料傳輸給過往車輛。

這個研究主題稱為車聯一切(V2X)通訊。5G延遲規範對於獲取車輛資訊至關重要。例如,由於通訊鏈路中等待處理的資訊過多而導致延遲太長,使得道路出現障礙物時汽車來不及刹車,可能導致乘客受傷或死亡。因此,V2X的超可靠通訊(uRC)是必不可少的。5G提供的大數據(big data)輸送量也將在V2X中發揮重要作用。紅綠燈處的汽車可以從附近的基地台下載並上傳有關其當前位置的資訊。這使得汽車成為感測器資料的採集器,但是資料處理可能在基地台甚至是雲端處理。隨著處理技術的改進,更新的資訊會推送到蜂巢式網路基礎設施,舊的車輛仍然可以利用這些更新而無需更改其硬體。

雖然3GPP規範的當前版本不包括V2X的任何規範,但5G是一個不斷發展的標準,而且2016年12月發佈的版本只是眾多版本中的第一個。圖1中的時間表顯示了2019年底將發佈Rel-16,此版本代表了5G NR的第2階段。目前第2階段探索的研究專案包括用於集中回程處理的整合回程存取(IAB),旨在解決行動通訊中的未授權頻譜共用挑戰,以及V2X。3GPP期望在第2階段解決這些主題和其他許多主題。雖然5G將在2018年末和2019年推出商業化產品,但5G的研究仍在進行中。

隨著5G標準的鞏固和具有5G功能的設備開始上市,我們將越來越多地感受到5G對全球的影響,它將成為從娛樂到智慧城市等日常生活中許多方面不可或缺的一部份。可以肯定,我們現在僅僅只是揭開了激動人心的新無線技術時代之序幕。