5G的第一階段標準Release 15于2018年6月份含SA(Stand Alone)的方案己完整公布,第二階段的標凖Release 16則將于2020年底公布,5G距完整布建的時間不遠了。
5G規格包含3個主要部份eMBB(Mobile Broadband;增強行動寬頻)、URLLC(Ultra Reliable Low Latency Communications;超可靠低時延通訊)、MMTC(Massive Machine Type Communications;大量機器型態通訊),每一個范疇的規格摹劃了各自和集成的新應用場景。
5G使用的頻率有兩個區間:600MHz~6GHz之間的微波頻段,以及24~86GHz的毫米波頻段。前者波長為幾公分,是前幾個世代使用的頻率區間,5G使用這頻段易于從4G到5G的銜接,但資料流量改善幅度有限。后者波長是幾毫米,只有極少數的頻段已供軍事使用,因此有足夠的新頻段空間供資料傳輸規劃,因此5G的頻寬也由原4G的20MHz躍升為400MHz。再佐以MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)、NOMA(Non-Orthogonal Multiple Access)等多工、平行處理等技術,使得資料傳輸速率大為提升。
5G的資料傳輸速率標準訂為20Gbps、使用者感受為1Gbps,這不僅遠勝于4G的速率,也較目前光纖的Internet為快。因此5G可以成為私人網絡、公司網絡、軍事網絡等的基礎傳輸架構。
毫米波卻有一個偌大的缺點:毫米波的頻率落于空氣的吸收頻譜(absorption spectrum)之中,在空氣中傳輸容易被吸收;又因其波長短,遇到障礙物時較難繞射,因此在基站的布建數目比4G至少要髙3~4倍才能完整的覆蓋。盡管布建基站的基礎建設成本大幅增加。但是數量級的資料傳輸速率提升也將改變整個計算分配架構:云端計算和終端計算同時成為常見做法,行動網絡與過去PC網絡將有更髙程度的融合,這是eMBB高速資料傳輸速率所帶來的巨大變革。
eMBB初期最可能的應用之一是影音傳輸,由于影音傳輸大多是下行,頻帶的使用上行、下行極不對稱,這使得TDD(Time Division Duplex;時分復工,資料上行、下行使用同一頻段,但用不同時段)技術較以前更常用的FDD(Frequency Division Duplex;頻分復工,上行和下行各使用不同的頻段)在這樣的使用情節下更有效率,因此TDD成為5G世代的主要選擇。
中國從3G、4G起就開始使用與時分技術相關的TDS-CDMA、TD-LTE標凖,累積了長期、大量的實踐經驗,因此在5G的標準制訂上享有較髙的話語權。在5G的50項標準中,由中國提出的標準有21項,而美國只有9項。
URLLC除了超高的資料可靠度外,另外大幅降低入網的時延(latency)。在4G世代時延約為30~70ms,在5G世代時延降低為1ms,這個時間尺度要與人的反應速度放在一起看才顯得出意義。一般人收到視覺訊息做反應所需時延約為250ms,優秀的運動選手也許可以降到200ms以下,5G的1ms時延在人的各種互動中基本上是察覺不出來的。5G的低時延讓經云端的可靠、快速的傳遞指令,使得工業控制、自駕車的應用變得可能。
MMTC是啟動物聯網布置的基礎架構。5G的規格要求網絡每平方公里能承載百萬個各式設備之間的通訊。這個數字聽起來多的有點不可思議,但事實上可能還略嫌不足。物聯網的估計每人擁有的聯網物件在1500~2000之間,單只這些個人物件數目就難以同時支撐,遑論加入智慧城市、智能家居、智能交通及自駕車后所需的基礎設施及移動設備傳感器數目。
5G的部署有兩種方式:NSA(Non Stand Alone;非獨立式)與SA(Stand Alone;獨立式)。前者是漸近式的切入—以現在的4G為骨干當成訊息控制,另外在髙密度區配以5G基站,實現部份5G功能。優點是初期投入較少,缺點是其功能較受限制,且傳輸速率改善有限。后者直接全面建設新5G基站,達成全面全功能部署。中國的部署方式采取后者。
5G的部署不會如規格書所描述預想的一步到位,部署的程序以及先期的應用會因地域不同而有所差異。這個特點曾帶來一些商業運行模式的成功運行,譬如便利商店以及24小時購物,髙的人口密度也比較能支持髙密度基站的設置、運行費用。
長期呢?如果所有設備、訊息及移動工具均如規格書所言進入5G聯網,這讓我想起一部電影《Terminator》中的Skynet。不遠了,不是嗎?
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原文標題:【椽經閣】5G新紀元
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