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物联网催生5G技术萌芽 1+1将远大于2
发布时间 2015-11-11 10:35:11 来源：中经纵横
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RasmusHellberg指出，全球行动营运商均积极升级LTE-Advanced(LTE-A)载波聚合(CarrierAggregation;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(ChinaTelecom)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(ChinaMobile)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3GPPRel-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(JohanAsplund)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NTTDoCoMo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(SmartHome)、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(TUDresden)通讯网路教授FrankFitzek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(MassiveMIMO)、M2M、智慧装置，以及节点为中心的网路(Node-CentricNetwork)。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4×4MIMO已具备相当的技术挑战，5G的MassiveMIMO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64×64MIMO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MagnusEwerbring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(VoiceoverLTE)、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(KeysightTechnologies)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?解有限，需要更前端的通道探测(channelsounding)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MassiveMIMO、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5GSmallCell
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(SmallCell)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。
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