物联网催生5G技术萌芽 1+1将远大于2

也许可能会感到奇怪，怎么4G技术才开台短短几年的时间，国外相关业者以及台湾都已开始积极布局下一代行动通讯——5G的技术与市场？也许也感觉台湾4G网路品质似乎没有电信营运商说的那么“神”，台湾产官学界已经携手举行了几次“誓师大会”，务必扶植台湾相关业者能在5G技术市场抢得先机。究竟5G通讯技术有何迷人之处，让厂商如此趋之若鹜？

4G技术迅速蔓延全球

观察过去行动通讯技术的发展，如2G与3G，从技术研究初始到全面开台、普及，大约10年为一个周期，但相较之下，4G通讯技术也就是长程演进计画(LTE)的发展可谓相当快速。根据全球行动供应商协会(GSA)统计，截至2014年底，全球LTE用数已达4.97亿户；至2015年中，已达7.55亿户。用户数的成长数量每年都以亿计，也为相关厂商如晶片、设备、电信或量测仪器业者注入一剂强心针。

全球LTE用户数成长分析

高通技术公司(Qualcomm)资深技术行销总监Rasmus Hellberg指出，全球行动营运商均积极升级LTE-Advanced(LTE-A)载波聚合(Carrier Aggregation；CA)技术，又称为4G+。GSA报告指出，截至2015年7月为止共有88个商业网路支援载波聚合，最高可支援450Mbps全球峰值传输速率。

观察大中华区4G的发展，Hellberg表示，中国电信(China Telecom)已在国内的重点城市推出“天翼4G+”第6类(CAT-6)服务；中国移动(China Mobile)宣布将于多个地点建置CAT-6甚至CAT-9网路。不仅如此，4G+演进的下一步计画将落实3GPP Rel-12功能，例如高阶调变，能将下行链路的数据传输速率增至600Mbps，又称CAT-12。

台湾阿尔卡特朗讯(Alcatel-Lucent)客户技术方案处技术长李思柏(Johan Asplund)亦援引GSA的数据说明台湾4G的蓬勃发展。他表示，“从开台至今，今年台湾的4G用户已达866万，甚至是全球4G用户增长排名第一的地区，”更遑论台湾曾经在4G的发展走了岔路——发展WiMAX——能有这样的成绩，相当难能可贵。

未来LTE-A的演进趋势强劲，也将拓展新用途，如装置对装置功能，有助于近距离探索及车辆沟通，也能以聚合授权频谱的形式，将其优点扩及未授权频谱(在美国等地称LTE-U，在欧洲、日本等地称LAA)。甚至包括物联网(IoT)也将一并获得改善，例如低复杂度机器通讯(eMTC)及针对新控制服务的超低延迟等，在在都将进一步扩大LTE-A的使用情况。

日韩5G技术抢先起跑

4G如火蔓延全球之际，下一代行动通讯技术5G也开始酝酿，日本与韩国电信业者已分别宣布将在2020年、2018年展现最新的5G技术网路——日本NTT DoCoMo与诺基亚(Nokia)将共同研发实现高频网路运行的5G无线网路技术，并计画在2020年的东京奥运会上向全世界展示；而韩国电信(KT)脚步更快，将和成功验证5G多层次异质网路载波聚合技术的爱立信(Ericsson)，在2018年平昌冬季奥运上成为全球第一个推出5G通讯服务的业者。

此外，中国大陆网通设备供应商华为(Huawei)也宣布2018年将开始布建5G网路，中兴(ZTE)也将随之跟进。由此可见，4G市场的火焰正炽之时，相关业者已开始5G技术的研发，以期可顺利进军下一代传输速率更高、效能更好的行动通讯技术。

面对3G与4G成本尚未全面回收的同时，全球许多地区已开始发展5G技术，业者均表示，现阶段发展5G技术并没有所谓太早或太晚的问题，反而时机正好。Marvell行动产品总监张路认为，4G发展相当的快，今年下半年新兴国家如俄罗斯、印尼与印度等地，利用4G取代3G技术的态势会越发显着，而5G在技术与应用上需要长远的演进，预期2020年之后5G技术将开始进入商用阶段，因此现在着手进行研发、克服5G技术挑战，并不会太早。

李思柏也表示，从1G到现在的4G，每一个G的技术发展大约需历经10年时间，因此现在发展5G，到3GPP发布标准，时间上其实没有较其他技术初期发展时来得快，而5G技术的要求须让现有行动通讯技术再大幅精进，因此现在正是对的时间发展5G技术。

物联网 、 M2M 成为5G关键应用

5G技术究竟能为现在的生活环境带来多大的改变？以至于业者即便在标准未定的状态下，毅然投入？Hellberg 指出，5G能开创新服务、连接新产业与装置、创造新使用者体验，这些皆是以LTE-A以及4G+带动的转变为基础，而未来LTE-A也将继续演进。不仅如此，5G不只是提高峰值速率，更将满足未来10年不断扩大的连网需求，同时无缝运用4G与无线区域网路(Wi-Fi)领域的投入成果。

未来，5G将促进行动宽频的演进，但更重要的是，其将更具备规模弹性以支援更极端的使用情况，从连接大量的物件到新服务如超稳定的任务临界管控。Hellberg强调，5G将提供无边际的连网体验，装置不再只是终点，而是提供全新的连接和互动方式，并带来一致的体验，例如无所不在的高速数据传输和基地台边际的限制。而统一的5G平台将建于OFDM基础上，支援所有频谱类型与频段，可弹性容纳新服务与各种营运模式。

5G与通讯、储存、处理……各方面均密不可分

罗德史瓦兹(R&S)应用工程支援部经理林志龙表示，4K、8K电视将是5G市场发展底层推手，以及对影像或视讯即时回传需求大的应用，如救灾工作，将更有5G发挥的空间。反而智慧型手机应用不再是主要推动力，这是由于相较之下，智慧型手机应用还是相当有限，一般的使用者可能不需要那么高的频宽。张路则认为，使用者或新应用对于频宽的需求，物联网及涵盖其中的智慧家庭(Smart Home)、车对车(V2V)、 智慧城市 基础设施、远近程医疗或是工业应用，都是让5G快速萌芽的“养分”。

从5G技术演进来看，5G有部份技术的更新与采用是为了因应物联网而设计。李思柏分析，在可预见的未来物联网时代中，机器与人的沟通将扩展至大量的机器对机器(M2M)的连结，另外，未来的影像资料传输量，将占总体网路资料传输量的70%，这些都将促使行动网路传输速率的再提升，而5G的高传输速率与更高的网路稳定性恰好能符合上述应用所需。

目前，或许每个人都认为5G是指4G后的第五代行动通讯技术，但5G并不仅止于此。德国德勒斯登工业大学(TU Dresden)通讯网路教授Frank Fitzek在日前的欧洲国际半导体展中强调“5G技术更是为了物联网装置的控制与操纵而打造的。”

美国国家仪器(NI)大中华区市场经理汤敏也认同这一看法。她表示5G能够让物联网的概念落实，而物联网则有利促进5G未来的通讯技术发展，“物联网已经讲了很多年了，如今拜5G之赐正进一步让工业物联网(IIoT)应用场景落地实现，这2种技术即将展现1+1大于2的趋势！”

尽管5G将从4G发展而来，在LTE蜂巢式技术上强调更大的资料量与频宽，但5G更关系到物联网。NI技术经理潘建安进一步解释，“5G除了追求更高速率，另一方面也着眼于 物联网应用 中要求更长电池续航力、更省电且低功耗传输的M2M与装置对装置(D2D)通讯，而在这方面沿用的就是802.11的架构。”

市场或各家业者纷纷预测5G杀手级应用的同时，Hellberg 则有不同看法。他认为，“5G技术三大服务类别包括：增进行动宽频规模至超宽频、能够连接低功率/复杂度物件等大量物件、超稳定任务临界管理等新服务，然而5G标准化进程才刚起步，若要判断哪个应用市场会率先引进上言之过早，但增强型5G行动宽频服务预估将成为首批5G技术试验及商用项目，以做为最根本的服务。”

5G技术“大跃进”

虽然5G技术可创造新的应用服务商机，但要发展5G真正将晶片、设备、终端装置…等开发出来，可不是件简单的事。Gartner物联网与无线部门研究副总裁洪岑维表示，事实上，所谓“真正”称得上是5G的技术目前皆尚未开发出来，各家厂商都还在戮力研究中。

市场或业界对于行动网路技术的三个新需求——亦为对5G技术的新要求——传输速率更快速行动宽频、高效能且低延迟，以及支援机器间的通讯。而这三项需求看似目前的4G已可满足，但实际上却相当严苛。根据国际电讯联盟(ITU)公开5G的网路标准，其传输速度为20Gbps，目前最快的4G网路传输为150Mbps，这即为上述更快速传输速率的需求。低延迟的需求是指资料从A点传输至B点时，在最慢1毫秒(ms)及99.999%的时间点内就得完成；而支援机器间通讯的需求即是M2M。

ITU为5G网路制定目标

上述三个需求也衍生了5G技术的五大技术挑战。洪岑维进一步解释，五大技术挑战包括毫米波(mmWave)、大规模多重输入多重输出(Massive MIMO)、M2M、智慧装置，以及节点为中心的网路(Node-Centric Network)。为了提升传输速度，势必使用更高频的频段，据了解，5G将使用6G~300GHz频段，此超高频段已非新技术，军方早已使用，但即便如此，5G也将面临新的问题——讯号穿透率——高频讯号将很难穿透一般建筑物的墙壁，需在空旷处才能有较佳的连线品质。

现今的4G技术发展至2×2或2×4最多到4×4 MIMO已具备相当的技术挑战，5G的Massive MIMO从字面上来看就“不简单”。洪岑维表示，5G由于要因应物联网应用中大量装置间的联系，因此设计32×32或64×64 MIMO的架构。不仅如此，每一根MIMO天线都要能够进行波束成型(Beamingforming)，也就是说，一旦装置与基地台的连线确立后，即使装置开始移动，这样的连线机制与波束成型的功能都不能因此中断。

现今蜂巢式Cellular技术架构仍是以基地台(BS)为主，但是传送到远端的建筑物中讯号不仅会减弱，传输速度也无法保持原有的品质，因此5G节点为中心的网路架构则是在室内布建支援毫米波的小型基地台，如此一来，远端的基地台就可以换手(Hand-off)给室内或房间的基地台，提升讯号传输覆盖率的品质，也能提高资料传输速度。不过这中间的传输机制该如何制订、不同厂牌间的基地台该如何互通或顺利进行换手，将相当考验电信营运商或网通设备商的智慧。

在 M2M 的部分，爱立信集团技术部亚太区技术长Magnus Ewerbring指出，2020年全球将有260亿个联网装置，M2M即占73.2亿台，这些庞大的装置要能同时连上网路并进一步互通，对电信业者将是很大的技术挑战。也因此，若5G技术要能满足上述条件，不仅延迟时间不能高于1ms，且也须在时间点内完成资料的传输，亦即网路传输的效率得再提高。

Ewerbring简单统整5G技术挑战，包括行动宽频资料传输速率提高10~100倍、延迟时间再缩短5倍，但连网装置功耗却得低上10倍。李思柏强调，4G跨到5G技术中间有一定的技术挑战，除了换手机制、连线品质的再升级外，干扰问题、新频谱的使用、毫米波等问题的克服亦相当重要。洪岑维则坦言，业者们仍在持续思考能以那些现有或新技术实现5G的技术架构。

标准、政治角力也影响5G发展

如果你认为5G发展挑战只有上述所提，那就是把5G技术想得太简单了。罗德史瓦兹应用支援经理陈飞宇表示，5G和4G间的技术差异真的相当大，然而除此之外，还需考量技术以外的问题。

现阶段，由于标准未定，因此5G技术的发展处于“多头马车”的状态。林志龙认为，各家甚至各地区相关业者发展5G技术尚未有共识，虽然ITU、3GPP等国际单位正在研拟相关5G规范，但是日韩或是美国电信业者，以及晶片商或设备供应商等率先在标准底定前发展5G网路，目的就是为了要取得市场与标准制定的主导权。

举例来说，4G技术美国本想取得“主控权”，但因VoLTE(Voice over LTE)、载波聚合等关键技术韩国发展较快，也因此韩国掌握较多“资源”，在4G发展上“讲话也比较大声”。有此先例，也促使韩国电信抢先建置5G技术，以期可赢得市场先机，成为5G标准规范或市场主导者；而其他国家如台湾、美国及日本电信商为了不让韩国专美于前，也纷纷急起直追。

除了标准未定外，各国间的频谱角力战也可能影响5G标准制定的进行，甚至市场发展。林志龙指出，目前尚未确定5G采用的频段会落在何处，只知道会采用尚未使用的200MHz及6~300GHz以上的高频段，而随着各国抢先开台，采用的频段各不相同时，漫游费用若是谈不拢、各家业者抢着当领导者，如此装置的漫游就会发生问题，若是晶片得支援每个被使用的频段，则不仅成本会很高，功耗也会提升。

业者积极布局5G技术

5G的标准究竟何时底定？目前所知是2017年时，会有初步的版本出来，2020年5G将可正式开台。不过即便标准未定，业者已开始抢先布局，其中以量测仪器厂商及设备商的脚步最快。Ewerbring表示，3GPP持续推出LTE新标准，如Rel.10、11、12等演进版本，或是针对M2M制定的LTE-M，以及NB-LTE，都是让厂商循序渐进由4G过渡到5G的重要方式，只要遵循此进程，业者研发的5G产品将不会有太大的“失准”。

•先进测试验证方案加速5G研究　尽管系统业者、元件商与营运商对于5G的未来发展看法不同，甚至还存在政治角力，但从技术上来看目标是一致的。是德科技(Keysight Technologies)行销处副总经理罗大钧指出，“5G的终极目标在于将传输速率提高到GHz/s等级、小于1ms的低延迟与低功耗等，为此，更重要的是定义哪一个频道的应用。”

罗大钧进一步解释，针对6GHz频段以下的5G测试，现有的2G、3G与4G方案已能满足需求，目前全球各地研究单位看好的是毫米波频段，但对于这一频段的通道瞭解有限，需要更前端的通道探测(channel sounding)途径掌握通道特性与建模。为此，是德科技在现有的5G测试方案外，率先提供通道探测解决方案，整合毫米波、超宽频频宽与MIMO技术，协助研究单位加速更先进的5G通道探测研究。

NI更进一步提供从原型开发、演算法部署与验证，以及最后发布到机房进行实测的完整系统，期望协助客户尽早走出实验室。汤敏表示，“5G标准化进程虽然还在发展中，但业界厂商已经在主要技术方面达成了共识。举凡Massive MIMO、波束成形与毫米波等各种与5G技术有关的验证与测试，以及无论是强调更高速的蜂巢式通讯还是瞄准超低功耗的 物联网应用 ，NI均提供了相应的方案架构，不但为还在实验阶段的5G研究提供演算法与标准化验证，另一方面也协助营运商进行实测。”

罗德史瓦兹自然也不会在此市场缺席。陈飞宇指出，除了先前军方已使用的毫米波技术，以及因应5G采用高频的趋势，罗德史瓦兹持续增加现有仪器产品如频谱分析仪、讯号产生器等支援的频宽，以满足测试需求外，针对5G产线端的测试仪器，将有新的测试机种问世。

•晶片商等待标准才有进一步计画　Hellberg强调，5G标准化工作刚从2015年9月中开始，预计至2020年才会正式商用，由于5G尚未定义完成，讨论产品还言之过早。张路亦认为，5G标准未定，因此Marvell尚未有明确的5G产品计画出炉。

分析现有晶片商或网通设备供应商在5G市场的竞争力，洪岑维透露，英特尔(Intel)、高通、联发科(MedaiTek)、三星(Samsung)等较有机会胜出，主要关键是“口袋够深”；网通厂的部份则是爱立信、华为、诺基亚、三星、中兴等。林志龙则认为，展讯背后有官方支持，加上4G晶片市场展讯(Spreadtrum)已逐步追赶上来，其未来发展态势也不容小觑。

台湾产官学齐力断金　领跑5G Small Cell

台湾在5G的技术专利或参与国际标准制定上相当积极，不可讳言，是为迎头赶上国际大厂的脚步，不想重蹈2G到4G都只能当跟随者的覆辙。林志龙表示，由于5G要求更高的传输稳定性、可靠性与更好的网路覆盖率，并得解决高频讯号遮蔽的问题，因此小型基地台(Small Cell)将具备举足轻重的角色。

而台湾在5G小型基地台的市场相当有优势，这是由于台湾小型基地台具备“一条龙”的研发优势，因此台湾官方与产学界戮力参与标准制定，以期协助台湾小型基地台制造商有更多的产品设计主导空间，而不再只是代工。

李思柏则认为，每个国家政府都会扶植自有厂商的发展，并导引业者朝对的、具优势的产业前进。林志龙也强调，小型基地台由于系统架构较小，技术门槛相对较低，因此是台湾局端业者，甚至先前发展WiMAX的用户端(CPE)厂商可锁定的目标市场。