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產業觀察 | 如何從技術角度看待 5G 毫米波的商用價值?

從用戶體驗而言,5G 能為我們帶來:

10 倍峰值資料速率(20 Gbps)

10 倍延遲降低(1ms)

給定區域內擁有 100 倍的連接設備

從具體實施上來講,5G 意味著:

網路能耗降低 90%

物聯網設備電池壽命為 10 年

覆蓋率達 100%,可靠性達 99.999%

給定區域的 1000 倍可用頻寬

在此說明的是,像 5G 這樣全新的一代之所以誕生,只有一個原因——針對無線電領域真正有限的資源無線電頻譜,使用更強大的矽片使其更有效地加以利用。5G 也不例外,其使用可控波束和更複雜的編碼方案,能達到每字元 16 bits。

5G 的全新架構

5G 包含兩種特徵截然不同的網路技術。事實上有三種波段 : 低頻、中頻和毫米波。但是低頻和中頻通常被分為一組,即 sub6GHz 或 <6GHz。低頻包括從 4G 和 3G 到 5G 的舊頻譜,當產生演進時,這些頻譜得以重新利用。中頻是新頻譜,頻率最高是 6GHz。事實上,頻率越低而價值越高;因為傳輸距離更長,傳輸效果更好。但整個頻率範圍都需要相同的基本無線電技術。和 4G 一樣,sub6GHz 可透過對塔架和建築重複利用來進行處理,只是需要新的電子設備。

毫米波頻率並非僅僅稍高一點,其頻率甚至超過 24GHz。然而毫米波頻率極高既有優點,也有缺點。優點在於毫米波有很大的頻寬。例如,4G 資料的頻寬是從 1.7 到 2.1GHz,所以頻寬是 0.4GHz;而 5G 毫米波的頻寬是 24.5GHz 到 28.35GHz,所以頻寬接近 4GHz,容量是 4G 的 10 倍。

但缺點在於,毫米波實在太容易受到影響而產生衰減。對毫米波產生影響的事物很多,其中尤以建築物和人手為甚——即毫米波無法在建築物外給建築物內部提供服務。在設計手機時,因為手持方式,還要耗去不少天線。不僅如此,空氣(實際上是氧氣)對毫米波產生的衰減作用也非常大,以至於毫米波的傳播範圍受限於 200-300 米(約 700-1000ft)。

所以,每隔 200m 左右就需要修建基站小型基地台。在鄉村裡,根本不會有毫米波供應。在城市裡,每盞路燈或每棟建築上都需要有小型基地台。顯然,在每個無線電頭底部安裝基帶的 4G 架構是行不通的。因此,要實現技術,只能透過 C-RAN,即 Cloud Radio Access Network (基於雲計算的無線接入網構架)。C-RAN 的基本思想在於,在接入口盡可能少進行處理(因為接入口過多),而在共用基帶單元中盡可能多進行處理,這樣就不需要在每個路燈頂部重複處理。上述操作與常規計算雲資料中心的理念非常相似。每個小型基地台都通過光纖連接到基帶。基帶在許多小型基地台共用,提供極低的延遲和一定程度的邊緣計算(或稱之為霧(fog),因為它既非邊緣也非雲端)。它連接到互聯網骨幹的方式和 4G 相同,不過更加現代化,與光纖更為相似。

「固定無線」可以用來取代到達家庭用戶的最後 1.6 公里銅纜,只要將一處小型基地台放在一組建築物附近就能實現這一點,相當於在建築物外面放一部手機(因為毫米波無法穿透建築物)。實際上,上述技術比手機還簡單,因為它不移動,也不需要在基站之間切換。

在大型建築比如辦公室或會議中心裡,網路服務提供商預計會使用大量小型基站(femtocell),這些小型基地台的體積甚至更小(可以自行配置,因此安裝並不複雜——可能將在燈具中安裝)。

5G 和 4G 之間另一個很大的區別(特別是在毫米波頻段)在於,手機和基站都需要控制波束,將所有的無線電能量導向正確的方向,而不是將這些能量簡單地向各個方向擴散,也不是將大部分能量浪費在與所需方向相反的方向。上述操作超出了 4G 多個天線的需求,即多出多入技術(MIMO),轉向可控相位陣列天線。具體而言,波束成形技術(Beamforming)比想像中更為複雜,因其也想利用反射,所以甚至手機也可能跟蹤多個波束。當然,小型基地台基站(在燈杆上)可能同時跟蹤數百個用戶,每個用戶都有多條無線電路徑。

由此可見,幾代人都在利用大量的電腦能力來對功率和頻寬進行更有效的利用。

綜上所述, 5G 網路將如下圖所示:

現有的天線提供 4G 和 5G 服務(隨著手機市場的轉型,逐漸從 4G+5G 服務向 5G 服務發展)

建築物內將需要許多新的小型基站接入(毫米波不會穿透牆壁,而 <6GHz 容量不足)

無線電能量必須集中成波束。

波束是透過由小天線組成的大陣列實現的。

新型毫米波接入口更深嵌入城市環境中(每隔 200m 嵌入,每根燈杆也是相隔 200m)

下載速度高達 20Gbps,上傳速度可能會慢一些。

採用基帶和無線接入端之間延遲較低的光學前端。

C-RAN 在許多無線接入端上共用基帶來提高性能。

邊緣計算可實現大規模人工智慧(AI),延遲比直達雲計算資料中心更低。

5G 面臨的挑戰

雖然網路供應商希望建築物配備大量小型基站。但是,我們最後一次在家、辦公室或在商場使用手機資料是什麼時候?大部分時間我們都在使用無線網路(Wi-Fi)。據估計,70% 的下載是透過無線網路而不是透過高速資料網路實現的。當然,有些設備目前仍然採用有線連接。例如,電視機上盒是透過連接線連接到路由器的。

因此可能在建築內部發生衝突。網路提供商希望我們使用他們的網路,以此從中牟利。另一方面我們會更傾向於連接使用無線網路,至少肯定在自己家中和工作的地方會有無限網路。如果我在自己的客廳裡安裝一處小型基站,還向電信公司繳納使用費,這實在是無法想像。會議中心的問題可能更大,因為他們並不提供免費的無線網路。即使對於與會者來說無線網路似乎是免費的,但通常,一家參加會議的大公司會「贊助」無線網路(即支付其開銷)。

另一個潛在的衝突在於建築物的有線接入網。5G 可以用於固定無線網路,不需挖掘地面就能提供最後 1.6 公里的互聯網服務(其實是最後 300m,毫米波傳輸不到一公里)。但是即使地面已經挖好了,有線接入網還是有可能被超越。現存電視電纜有可能淪為價值有限的閒置資產,就像許多固定電話被手機超越一樣。一旦新住宅開發專案不再在施工期間安裝固定電話,這個時代就將終結。

談及電視電纜,可能讓人想起有線電視首次安裝時的爭鬥,當時,擁有有線電視,就擁有使用電線杆發電或使用固定電話的權利。任何市政當局都不想再安裝一套電線杆。在現存電線杆和路燈燈杆上安裝 5G 也可能發生類似的情況。重要問題在於,各網路運營商是否在每個燈杆上都需要安裝公司的無線接入端?無線接入端是否會共用?無論結果如何,都有可能導致毫米波的安裝速度降低。

近兩年市場上出現很多關於 5G 的炒作,但是炒作和現實之間存在巨大差距,毫米波的諸多優點將被視作 5G 的優勢,但炒作不會提及毫米波無法穿牆而過、剛開始也無法廣泛安裝等缺點,所以大部分優點都無關緊要。在行銷宣傳中承諾的顯眼資料,相比使用手機時實際得到的效果而言,會有天壤之別。

在全球行動通訊系統(GSM)推出時,我也曾見識可信度出現類似鴻溝。全球行動通訊系統在宣傳上並非說明更好地利用頻譜來降低價格,而是說明其具有「數位品質」,就像從黑膠唱片(LP)到雷射光碟(CD)的轉變一樣。人們發現黑膠唱片的品質與雷射光碟相比相差甚遠,並且經常會毫無預警地退出,這個問題在早期尤其嚴重,令人們相當不滿意。

結論

5G 是技術領域所見過的最引人注目的技術之一

全球各國政府、各個城市都將 5G 視為取得未來數位經濟成功的必要基礎設施

4G 頻寬不足:長期來看,除了毫米波,別無選擇

毫米波與前幾代不同,它是一種全新的電信架構,將需要更多的時間來構建

5G 和用戶不能僅僅依靠毫米波,標準覆蓋多個頻率,從而既能實現覆蓋,又能具備性能

人工智慧(AI)可能會及時問世,從而克服毫米波的局限性

透過高速 5G 基礎設施,大規模人工智慧的使用隨時都有可能實現

5G 速度更快,更容易支援更輕便的用戶端

在西方國家,毫米波在後勤保障和技術方面都受到阻礙

室內連接方面 5G 將面對 Wi-Fi 6 的挑戰

中文版授權轉載出處 (映陽科技協同校閱)

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