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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)是最新一代行動通訊技術,為 4GLTE-AWiMAX-ALTE)系統後的演進。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。5G 第一個演進標準 3GPP Release 16於2020年7月3日完成,主要新增了超級上行技術、補充超高可靠低延遲通訊和大規模機器類互聯兩大應用場景,並進一步提升能效和使用者體驗。[1],2021年12月高通聯發科技發布支援Release16的基頻產品。GSM 協會預計到 2025 年全球 5G 網路將會覆蓋超過 17 億人。

3GPP預計2025年左右商用3GPP Release 18(5G - Advanced)標準,預計實現提供20Gbps的下行速率與10Gbps的上行速率。

跟前幾代技術類似,5G 網路屬於蜂窩網,它將服務地區根據地理位置分成一個個更小的蜂窩。蜂窩裡的 5G 無線裝置使用無線電波通過蜂窩裡的本地天線來連接網際網路和電話網。新一代通訊技術的主要優點在於,在增強型移動寬頻 (eMBB)的場景下通過更大的頻寬支援更快的下載速度(最終可支援20Gbps)。除了速度變快之外,得益於 5G 更大的頻寬,在人員密集區域支撐更多的裝置,進而提高網路服務品質。但是單純4G手機並不能使用新的網路。

目前,提供5G解決方案給電信業者的公司有:諾基亞愛立信三星高通思科華為中興大唐電信[2][3][4][5][6][7][8]

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網路是數位訊號蜂巢式網路,在這種網路中,營運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。5G無線裝置通過射頻與蜂窩基地台的天線陣列和自動收發器發射機接收機)進行通訊。收發器使用電信業者分配的頻段進行通訊,這些頻段在地理上分離的其他蜂窩中可以重複使用。基地台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,當使用者從一個蜂窩移動到另一個蜂窩時,他們的行動裝置將自動無縫切換到新的蜂窩中。

應用領域[編輯]

在ITU-R已經定義了5G的增強功能三個主要的應用領域。它們是增強型移動寬頻 (eMBB)、超高可靠低延遲通訊 (uRLLC) 和大規模機器類互聯(mMTC)。[9] Only G在Release15時代僅部署了eMBB,uRLLC和mMTC還需要一段時間發展不部署。[10]


增強型移動寬頻 (eMBB)作為 4G LTE移動寬頻服務的演進技術,具有更快的連接、更高的吞吐量和更大的容量。也是5G的主要應用場景。

超高可靠低延遲通訊 (uRLLC) 是指將網路應用在需要不間斷和穩定資料鏈結的關鍵任務場景,滿足場景對於無線通訊網路的超高可靠性和低延遲的要求,提供低於1毫秒空口延遲的可靠無線通訊連接。

大規模機器類互聯 (mMTC) 將用於大量裝置的互聯通訊。5G 技術將為500 億個聯網物聯網裝置中的一部分提供服務。通過 4G 或 5G 控制的無人機對於災難恢復工作能提供很大的幫助,為緊急救援人員提供即時資料。大多數汽車將有許多服務通過 4G 或 5G 蜂窩連接。自動駕駛汽車不需要 5G,因為它們必須能夠在沒有網路連接的地方執行。然而,大多數自動駕駛汽車還具有用於完成任務的遠端操作功能,而這些都極大地受益於 5G 技術。雖然已經有遠端手術通過 5G 進行,但大多數遠端手術在具有光纖連接的設施中進行,有線連接通常比任何無線連接更快、更可靠。

5G技術使用毫米波等更高頻率無線電波載波聚合來實現更高的資料速率,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,雖然帶來了速度提升與體驗的改進,但是速度提升不會像新使用的頻段帶來那麼客觀的改進。由於毫米波頻段的頻寬更為豐富,5G網路中將使用更寬的頻道與無線裝置進行通訊,在應用載波聚合的情況下頻寬最高可達1000 MHz,使用Sub-6Ghz也可以達到300Mhz,而4G LTE在應用5路載波聚合的情況下頻寬,為100Mhz,差距甚遠。與4G LTE一樣,使用了OFDM調變技術,利用多個載波在頻率頻道中進行傳輸,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。[11]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,而不是一個基地台塔或基地台。[12]另一種用來提高資料傳輸速率的技術是大規模MIMO技術。[11]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,基地台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。[11][12]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使用者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。[11]

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。[13]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。[13]

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:

  • 每平方公里最多可支援 100 萬台裝置;
  • 以1Gbps的數據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

基地台及覆蓋範圍[編輯]

基地台類型 部署環境 輸出功率(mW 最遠覆蓋範圍
Femto cell 家用, 商用等私人領域 10 - 100(戶外), 200 - 1000(戶外) 數10米
Pico cell 大型購物商場, 摩天大樓等室內公共區域 100 - 250 (戶外), 1000 - 5000 (戶外) 數10米
Micro cell 機場, 鐵路車站十字路口等人流量較大處 5000 - 10000 (僅限戶外) 100餘米
Macro cell 展覽會場、體育場館、演唱會現場等超高度密集區 10000 - 20000 (僅限戶外) 數100米
Wi-Fi (對比) 家用, 商用 20 - 100 (戶外), 0.2 - 1000 (戶外) 數10米~100米(戶外)

技術創新[編輯]

5G與4G相比的技術創新如下:[14]

  • 支援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。
  • 新增24-52GHz的毫米波頻段進行通訊,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。
  • 多輸入多輸出(Multi-input Multi-output;MIMO)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優化傳輸距離。[15]
  • 載波聚合(Carrier Aggregation)FR1定義的最大頻道寬度為100Mhz,FR2定義的最大頻道寬度為400Mhz,通過雙載波聚合可以分別拓展到200Mhz和800Mhz。
  • 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。[16][17][18]
  • 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[19]

部署[編輯]

由於5G技術使用的毫米波(FR2)頻段是屬於極高頻(EHF),比一般電信業現行使用的頻譜(如2.6GHz)高出許多。雖然毫米波能提供極快的傳輸速度,能達到4G網路的100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,這需要增建更多基地台以增加覆蓋或者使用FR1頻段進行部署。

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年使用者會享受到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。[20]

2013年5月13日,韓國三星電子宣佈,已成功開發出第5代行動通訊(5G)的核心晶片,[21]這一技術預計將於2020年開始推向商業化。[22]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。透過這一技術,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。[24]

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頻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場景的控制頻道方案由極化碼勝出,eMBB場景的資料頻道方案由LDPC勝出。[25]

2016年高通公司發表全球首個5G基頻晶片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基頻可能在2018年初量產。[26][27]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。[28]

2019年手機晶片廠商聯發科世界行動通訊大會(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。[29]

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網路的使用者已超過40,000。[30][31][32][33]

2020年4月,中國移動工程隊在珠穆朗瑪峰上建造5G基地台

2020年4月30日,全球海拔最高,位於珠穆朗瑪峰海拔6500米的前進營地的5G基地台投入使用[34]

2020年7月28日,德國電信證實,其5G服務目前已覆蓋德國全國3000個城鎮和直轄市,已有近3萬個5G 天線投入使用[35]


部分已商用的國家或地區[編輯]

以下列表按時間排序

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」,要求其盟國禁止使用由中國提供的5G裝置。這個原因說服部分國家或地區停止採購,澳洲日本台灣等國家及地區已禁止其運營商在5G網路建設中採購中方裝置,例如華為[41][42][43][44][45][46],英國亦僅允許華為有限度參與該國5G建設[47][48]

繼英國決定禁止華為參與5G建設之後,法國政府規定拒絕購買華為5G裝置的電信公司續簽許可證,由此華為將在2028年前徹底登出法國電信網路。跟英國直接宣布禁用華為不同,法國採取了陸陸續續非正式通知的方法,讓希望使用華為的電信公司知難而退。法國網路安全機構ANSSI負責人波帕爾(Guillaume Poupard)向《回聲報》記者證實,華為將視具體情況被拒絕,諾基亞和愛立信並不存在這個問題。[49]

2020年7月,英國文化大臣奧利弗·道登(Oliver Dowden)宣佈,英國政府已經決定停止在5G網路建設中繼續使用華為裝置。道登表示,英國政府將從2020年12月31日起停止購買新的華為裝置,而英國5G網路中現有華為裝置須在2027年前拆除。[50]

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。」[51]

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。」[52]

干擾[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使用者的濾波器,可減少5G訊號帶來的干擾。[53]

2020年底,美國航空無線電技術委員會(RTCA)發佈報告,指美國聯邦通訊委員會將開放給5G的3.7~3.98 GHz C波段,與飛機上降落時測量離地距離的無線電高度計所使用之4.2~4.4 GHz頻率可能會發生干擾,同時也可能會干擾航空所使用的相關電子裝置,造成飛航安全問題[54]。2022年1月,因新開放的波段影響,多個航空公司取消飛美國的一些航班[55]。美國兩大行動電信公司AT&T威訊表示會暫緩啟用機場周邊5G的新波段,並設立緩衝區;其他國家因開放的頻段與4.2~4.4 GHz相隔較大,尚無造成飛航影響[56]

傳訊距離[編輯]

3G和4G傳訊距離皆比5G能來的更遠,由於5G使用的頻率較高的關係,讓訊號繞過障礙物的能力不如3G和4G,但如果更密集式的架設5G基地台,可以減緩這傳送範圍小的問題,原本3G和4G網路可以相距較遠地架設基地台,但由於5G網路傳送範圍小,則需要更密集地架設基地台。 5G在相比4G使用更高密度調變(高達1024QAM)以及更高頻率(特別是毫米波波段)的情況下,繞射與抗干擾能力下降導致傳輸距離不如4G,需要更大密度的架設基地台來彌補服務品質。


參考資料[編輯]

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