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5G

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5G
5th generation mobile network (5G) logo.jpg
3GPP標準的5G標誌
規範發布 2019年4月 (2019-04)
使用於 電信

第五代行動通訊技術(英語:5th generation mobile networks5th generation wireless systems,簡稱5G)是最新一代蜂窩行動通訊技術,是4GLTE-AWiMAX-A)系統後的延伸。5G的效能目標是高資料速率、減少延遲、節省能源、降低成本、提高系統容量和大規模裝置連接。Release-15中的5G規範的第一階段是為了適應早期的商業部署。Release-16的第二階段將於2020年4月完成,作為IMT-2020技術的候選提交給國際電信聯盟(ITU)。[1]

ITU IMT-2020規範要求速度高達20 Gbit/s,可以實現寬通道頻寬和大容量MIMO[2]第三代合作夥伴計劃(3GPP)將提交5G NR(新無線電)作為其5G通訊標準提案。5G NR可包括低頻(FR1),低於6 GHz和更高頻率(FR2),高於24 GHz和毫米波範圍。在早期發展時,在4G硬體(非獨立)上使用5G NR軟體的速度和延遲相較新一代4G系統只擁有約25%到50%的改善振幅。[3][4][5]獨立eMBB部署的仿真顯示,在FR1範圍內,吞吐量提高了2.5倍,在FR2範圍內提高了近20倍。[6]

目前,提供5G無線硬體與系統的公司有:華為三星愛立信高通聯發科技諾基亞思科瞻博網路中興[7][8][9][10][11][12][13]

概述[編輯]

支援5G通訊格式的智慧型手機

與早期的2G3G4G行動網路一樣,5G網路是數位蜂巢式網路,在這種網路中,供應商覆蓋的服務區域被劃分為許多被稱為蜂窩的小地理區域。表示聲音和圖像的類比訊號在手機中被數位化,由模數轉換器轉換並作為位元流傳輸。蜂窩中的所有5G無線裝置通過無線電波與蜂窩中的本地天線陣和低功率自動收發器發射機接收機)進行通訊。收發器從公共頻率池分配頻道,這些頻道在地理上分離的蜂窩中可以重複使用。本地天線通過高頻寬光纖或無線回程連接與電話網路網際網路連接。與現有的手機一樣,當用戶從一個蜂窩移動到另一個蜂窩時,他們的行動裝置將自動「切換」到新蜂窩中的頻道。

5G網路的主要優勢在於,資料傳輸速率遠遠高於以前的蜂巢式網路,最高可達10 Gbit/s,比先前的4G LTE蜂巢式網路快100倍。[14][15]另一個優點是較低的網路延遲英語network latency(更快的回應時間),低於1毫秒,而4G為30-70毫秒。[15]由於資料傳輸更快,5G網路將不僅僅為手機提供服務,而且還將成為一般性的家庭和辦公網路提供商,與有線網路提供商競爭。以前的蜂巢式網路提供了適用於手機的低資料率網際網路接入,但是一個手機發射塔不能經濟地提供足夠的頻寬作為家用電腦的一般網際網路供應商。

5G網路通過在30至300 GHz的毫米波波段內或附近[14],使用更高頻率無線電波來實現這些更高的資料速率,而以前的蜂巢式網路使用700 MHz和3 GHz之間的微波頻帶中的頻率。一些5G供應商將使用微波頻段中的第二個低頻範圍,低於6 GHz,但這不會有新頻率的高速度。由於毫米波頻段的頻寬更為豐富,5G網路將使用更寬的頻道與無線裝置進行通訊,頻寬最高可達800 MHz,而4G LTE的頻寬為20 MHz,可以每秒傳輸更多資料(位元)。OFDM調變技術是利用多個載波在頻率通道中進行傳輸,從而同時並列地傳輸多個位元的資訊。

大氣中的氣體會吸收毫米波,且毫米波比微波輻射的範圍小,因此每個分割區可達範圍會有所限制;例如以前的蜂巢式網路的分割區可能橫跨數公里,但5G分割區大約只有一個街區的大小。電磁波也很難穿過建築物的牆壁,需要多個天線來覆蓋一個蜂窩。[14]毫米波天線比以前的蜂巢式網路中使用的大型天線要小,只有幾英寸長,所以5G蜂窩將被安裝在電話杆和建築物上的許多天線覆蓋,而不是一個基站塔或基地台。[15]另一種用來提高資料傳輸速率的技術是大規模MIMO技術。[14]每個蜂窩將有多個天線與無線裝置進行通訊,每個天線通過一個獨立的頻道,由裝置中的多個天線接收,這樣多個資料將同時並列傳輸。在一種稱為波束賦形的技術中,基站電腦將不斷計算無線電波到達每個無線裝置的最佳路徑,並將組織多個天線以相控陣(亦稱「相位陣列」)的形式協同工作,產生到達裝置的毫米波束。[14][15]更小、更多的蜂窩使得5G網路基礎設施比以前的蜂巢式網路每平方千米覆蓋更昂貴。部署目前僅限於都市地區,那裡每個手機都有足夠的用戶來提供足夠的投資回報,而且人們對這項技術是否能夠到達偏鄉區域存在疑問。[14]

新的5G無線裝置也具有4G LTE功能,因為新的網路使用4G與蜂窩建立連接,此外在5G無法到達的地方也會使用4G。[16]

5G的高資料傳輸速率和低延遲被認為在不久的將來會有新的用途。[16]一種應用是實際的虛擬實境擴增實境。另一種應用是物聯網中快速的機器對機器的互動。例如,道路上車輛中的電腦可以通過5G連續不斷地相互通訊,也可以連續不斷地與道路通訊。[16]

規格[編輯]

下一代行動網路聯盟(Next Generation Mobile Networks Alliance)定義了5G網路的以下要求:

  • 以10Gbps的資料傳輸速率支援數萬用戶;
  • 以1Gbps的資料傳輸速率同時提供給在同一樓辦公的許多人員;
  • 支援數十萬的並發連接以用於支援大規模傳感器網路的部署;
  • 頻譜效率應當相比4G被顯著增強;
  • 覆蓋率比4G有所提高;
  • 信令效率應得到加強;
  • 延遲應顯著低於LTE

下一代行動網路聯盟認為,5G應會在2020年陸續推出,以滿足企業和消費者的需求。除了簡單的提供更快的速度,他們預測5G網路還需要滿足新的使用案例需求,如物聯網(網路裝置建築物或Web存取的車輛)、廣播類服務,以及在發生自然災害時的生命線通訊。

基站及覆蓋範圍[編輯]

基站類型 部署環境 用戶數量 輸出功率(mW 最遠覆蓋範圍
Femto cell 家用, 商用 4 - 8 (家用), 16 - 32 (商用) 10 - 100(戶外), 0.2 - 1(戶外) 10米
Pico cell 大型購物商場, 機場, 火車站,摩天大樓公共區域 64 - 128 100 - 250 (戶外), 1 - 5 (戶外) 10米
Micro cell 128 - 256 5 - 10 (僅限戶外) 100餘米
Macro cell 超出 250 10 - 20 (僅限戶外) 100米
Wi-Fi (對比) 家用, 商用 低於 50 20 - 100 (戶外), 0.2 - 1000 (戶外) 10餘米

技術創新[編輯]

5G與4G相比的技術創新如下:[17]

  • 5G將採用512-QAM或1024-QAM更高的資料壓縮密度調變/解調變器,目前4G使用256-QAM或64-QAM的調變以壓縮傳輸資料,因此頻譜效率每Mbps/100MHz的利用效率更高提高更多傳輸速率。
  • 5G將採用28GHz毫米波通訊,比如目前4G使用700MHz、900MHz、1800Mhz、2600Mhz等低頻段,雖然電波繞射能力比較高但是在低頻上頻譜資源就卻相當有限,在高頻的毫米波大多是軍用戰鬥機雷達或測速照相等少數裝置,頻譜寬度更高,而且更容易找到連續頻譜,使空白頻譜非常容易取得。
  • 波束指向配合多輸入多輸出(Multi-input Multi-output;MIMO)相控陣列天線,MIMO多輸入多輸出利用電磁波的空間多工和路徑不同多天線系統提高傳輸速率,類似在軍用領域的技術將延伸出的商用技術版本。
  • 波束自適應和波束成形,能夠提高特定方向的波瓣最佳化傳輸距離。[18]
  • 新材料將使用GaN氮化鎵或是GaAs砷化鎵材料的RF射頻天線和功率放大器,此材料的RF射頻天線能在更高的頻段有更高的能源效率,裝置會比較省電。[19][20][21]
  • 為了適應工業物聯網無人駕駛汽車、商用無人機等新技術的應用,網路延遲時間將降低到1毫秒以下。[22]

部署[編輯]

由於5G技術將可能使用的頻譜是28GHz及60GHz,屬極高頻(EHF),比一般電信業現行使用的頻譜(如2.6GHz)高出許多。雖然5G能提供極快的傳輸速度,能達到4G網路的40倍,而且時延很低,但訊號的繞射能力(即繞過障礙物的能力)十分有限,且傳送距離很短,[23]這便需要增建更多基站以增加覆蓋。

華為在2013年11月6日宣布將在2018年前投資6億美元對5G的技術進行研發與創新,並預告在2020年用戶會享受到20Gbps的商用5G行動網路。2014年5月8日,日本電信營運商NTT DoCoMo正式宣布將與EricssonNokia、三星等六間廠商共同合作,開始測試凌駕現有4G網路1000倍網路承載能力的高速5G網路,傳輸速度可望提升至10Gbps。預計在2015年展開戶外測試,並期望於2020年開始運作。[24]

2013年5月13日,韓國三星電子宣布,已成功開發第5代行動通訊(5G)的核心晶片實作,[25]這一技術預計將於2020年開始推向商業化。[26]該晶片技術可在28GHz超高頻段以每秒1Gb以上的速度傳送資料,且最長傳送距離可達2公里。與韓國目前4G技術的傳送速度相比,5G技術要快數百倍。通過這一技術,下載一部1GB的高畫質(HD)電影只需十秒鐘。2015年諾基亞與加拿大Wind Mobile通訊營運商成功測試5G。在2018年冬季奧運期間,韓國推出了5G試驗網路,計劃於2020年實行大規模商用。[23]2016年8月3日,澳洲電信宣布將於2018年在黃金海岸進行5G試驗。[27]

華為2016年4月份宣布率先完成中國IMT-2020(5G)推進組第一階段的空口關鍵技術驗證測試,在5G通道編碼領域全部使用極化碼,2016年11月17日國際無線標準化機構3GPP第87次會議在美國拉斯維加斯召開,中國華為主推Polar Code(極化碼)方案,美國高通主推LDPC方案,法國主推Turbo2.0方案,最終eMBB場景的控制通道方案由極化碼勝出,eMBB場景的資料通道方案由LDPC勝出。[28]

2016年高通公司發表全球首個5G基帶晶片X50,驍龍X50 5G數據機使用28GHz毫米波通訊,下行速率達到5Gbps為目前最快的量產形晶片X16使用在S835處理器的1Gbps的5倍之多,X50基帶可能在2018年初量產。[29][30]高通進一步的解釋是,利用毫米波波長短的特點,形成狹窄的定向波束,發送和接收更多能量,從而克服傳播/路徑損耗的問題並在空間中重複使用。此外,在視距路徑受阻時,非視距(NLOS)路徑(如附近建築的反射)能有大量能量以提供替代路徑。按照高通的規劃,驍龍X50 5G平台將包括數據機、SDR051毫米波收發器和支援性的PMX50電源管理晶片。[31]

2019年手機晶片大廠聯發科世界移動通訊大會(MWC 2019),展示該公司第一款 5G 數據機晶片M70的傳輸速度,目前正與客戶緊密合作,預期 2020 年市場上將推出搭載聯發科技晶片的 5G 終端裝置。[32]

2019年4月3日,韓國於當地時間(UTC+9)23時啟動5G網路服務並成為第一個5G國家。三家韓國電信公司(SK Telecom,KT和LG Uplus)在發布當天表示使用5G網路的用戶已超過40,000。[33][34][35] [36]

已提供5G商用的國家[編輯]

以下列表均按時間排序

爭議[編輯]

健康問題[編輯]

自2019年以來,一些團體以健康問題為由,反對部署5G。[38]最終未有足夠的證據[39]說服監管機構或專業協會(如:美國國家癌症研究所)或證明5G對人體有害。[40]

間諜活動[編輯]

美國聲稱海外間諜可能利用中國的裝置而從事間諜活動,已敦促其盟國禁止使用由中方所提供的5G裝置。目前,澳洲日本等國家已禁止其運營商在5G網路建設中採購中方裝置,例如華為。[41][42][43][44]

這個理由成功說服部分國家停止採購,[44][45][46]英國亦表示只許華為參與少部分的5G網路建設[47]

實際需求[編輯]

華為創始人任正非在2018年4月接受新華社採訪時表示:「科學技術的超前研究不代表社會需求已經產生,5G就是媒體炒作過熱了,我不認為現在5G有這麼大的市場空間,因為需求沒有完全產生。如果說無人駕駛需要5G,現在能有幾台車在無人駕駛?其實輪船、飛機等已經實現了無人駕駛,但是如果飛行員不上飛機,乘客敢上飛機嗎?就是這個道理。系統工程不是有一個喇叭口就能解決的問題。」[48]

網易創始人丁磊在2019年兩會期間表示:「我不認為5G的高速會對目前的媒體平台有重大的改變,全世界都一樣……它只是個速度的增加而已,其實你現在手機速度也夠快了,不管是WIFI、4G,都差不多夠快了。我覺得(日常使用)基本上完全可以滿足。」[49]

干擾衛星通訊[編輯]

由於5G和部分衛星通訊同樣會使用C波段,加上地面上的5G訊號強度要明顯高於衛星訊號,可能導致5G訊號干擾衛星訊號的情況。針對這一情況,市面上已有面向衛星用戶的濾波器,可減少5G訊號帶來的干擾。[50]

參考資料[編輯]

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  4. ^ Factcheck: Large increase of capacity going from LTE to 5G low and mid-band. wirelessone.news. [2019-01-03]. 
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