物联网时代全面启动5G通讯关键技术热度满

2020-05-22 08:22:10 来源: 邵阳信息港

物联时代全面启动 5G通讯关键技术热度满点

为达到各界对5G通讯高传输率、低延迟、高路容量密度等共识目标,通讯业者正积极朝使用更高频段频谱、引进新的调变与天线技术,以及整合异质路等三大方向投入研发。掌握关键技术发展,可以发掘未来十几年科技与通讯领域重大商机。

2017年5G发展将全速前进。在各国与主要通讯大厂竞相投入下,5G技术与标准的发展已更趋明朗,日前美国联邦通讯委员会(FCC)完成5G频谱分配规划、高通(Qualcomm)与Intel都将推出晶片解决方案,另外,Verizon携手七家5G技术论坛伙伴一同研拟自订5G标准期在2017年提前商用,这些进展在在皆显示全球5G发展能量已迅速积累,2017年市场热度更将攀升至新高点。

为达到各界对5G通讯高传输率、低延迟、高路容量密度等共识目标,通讯相关业者正积极朝使用更高频段频谱、引进新的调变与天线技术,以及整合异质路等三大方向投入研发。因此,本次活动特别邀请研究单位与技术领先的厂商担任讲师,剖析如何运用6GHz以下频段与毫米波频段达到更高传输速率;并介绍通用分频多工(GFDM)、MassiveMIMO、行动边缘运算(MEC)等5G关键技术。

5G产业愿景?科技发展核心

3GPP的第五代行动通讯愿景分成三个部分,Nokia端到端解决方案部资深技术经理Johan Asplund(图1)说,传统的行动宽频重点为Extreme Mobile Broadband,目标是无论何时何地传输速率皆可达100Mbit/s,峰值速率(Peak Rate)超过10Gbits/s;而大规模物联Massive Machine Communication,强调低成本、低耗电、大量连结,每平方公里100万个节点;特殊应用物联Critical Machine Communication,强调低延迟(Low Latency)、高可靠度(Ultra Reliability)、无行动中断(Zero Mobility Interruption)。

图1 Nokia端到端解决方案部资深技术经理Johan Asplund说,5G的重点为Extreme Mobile Broadband、Massive Machine Communication与Critical Machine Communication。

5G高速传输有一个重点,就是采用高频毫米波频段,大约是在24GHz~86GHz,详细使用频段还有赖各国与电信主管机关订定。另外,更多频道同时传送讯息,也有助于传输速率的提升,运用大规模多进多出(Massive MIMO)技术,搭配波束成型(Beamforming)、波束追踪(Beam Tracking)技术可大幅提升传输速率与品质。而结合不同路频宽的异质路整合技术,是提升传输速率的方式。弹性的框架设计与分散式的架构,也是发展重点。

在产业预期进展部分,Johan Asplund表示,今年在北美地区,定点的无线传输速率将达1Gbits/s,峰值速率将达5Gbits/s。2018年韩国昌平冬季奥运,将推出试运行的5G服务,除了强化行动性,无线传输的峰值速率将进展至10Gbits/s,路延迟将缩短至1毫秒(ms),频带的应用将扩展到30GHz;

2019~2020年,日本、大陆、欧洲都将陆续导入商转,包括史上最盛大的欧洲国家杯足球赛、东京奥运,非授权频段的频宽应用等愿景将陆续达成。

提升路资源管理效率

与现有4G LTE相较(表1),5G的路复杂度大为提升,Nokia台湾暨香港澳门大中国区端到端解决方案总监王集祥(图2)指出,5G将WiFi、4G LTE、LPWAN等过去各自独立运作的路连在一起,也透过多种新的技术提升路频宽与应用范畴。由于应用太多元,必须要透过不同的路切片(Network Slicing),区隔各种不同的垂直产业,以满足不同的需求。最后,4G对云端的应用比较单纯,5G对云端的应用将更为全面与深入。

图2 Nokia台湾暨香港澳门大中国区端到端解决方案总监王集祥指出,5G将过去各自独立运作的路连在一起,也透过多种新的技术提升路频宽与应用范畴。

图3 SGS电子通讯实验室副理廖兆祥指出,在2020年5G时代,行动用户数将较2015年成长1.3倍达92亿,行动宽频用户将成长2.3倍达84亿。

从路资源的应用来看,王集祥解释,5G有一个很重要的观念叫动态资源管理(Dynamic resource management),由于频宽资源是有限的,所以必须要更精准的管理,提供需要的使用者高频宽或长时连结并动态调整。软体定义路(Software Defined Networking, SDN)和路功能虚拟化(Network Function Virtualization, NFV)也会越来越重要,不仅会共同运作,也对路资源的自动化管理与控制非常重要。

在应用上,王集祥举例,自动驾驶、健康、智能电表这三种应用对路的需求截然不同,如何顺利达成个别目的,路切片成为未来最主要的手段,路控制系统会透过不同参数的设定,包括成本、距离、服务品质、资料速率、动/静态、电池寿命、延迟等不同参数的需求,分析出相关应用的路需求,加以模组化并提供最适合的路资源给不同的服务。另外,动态经验管理(Dynamic Experience Management)相较于过去大多是静态的管理,不仅能更即时也提供消费者更好的使用者经验。

5G渗透率更高?技术挑战也不小

在5G三大主要应用当中,华硕电脑系统整合开发处赖文政博士说明,高传输速率的应用路架构中有几个重点,包括路功能虚拟化、智能型行动运算、小型基地台系统、小型基地台射频晶片与射频收发器子系统。大量物联系统架构包括:物联感测器(IoT Sensor)、物联使用者终端(MTC UE)、物联存取点/闸道器(MTC AP/GW)、路功能虚拟化与物联垂直服务应用等。

5G之所以引起各界瞩目,重点就在其将更深入每一个人的工作、生活、学习等各个层面,SGS电子通讯实验室副理廖兆祥(图3)指出,在2020年5G时代,行动用户数将较2015年成长1.3倍达92亿,行动宽频用户将成长2.3倍达84亿,行动终端连接数将成长1.5倍达116亿,智能型用户将成长1.8倍至61亿,行动物联终端连结数将成长5倍至31亿,行动穿戴装置连结数将达6.7倍至6亿,行动资料流量将成长8.3倍至每月30.6EB,5G用户数2021年也预期将成长至1.5亿,5G可以说是未来几年科技与数位生活的推进器,也是全球经济发展重要的引擎。

图4 资策会智通所主任马进国解释,调变是一种将一个或多个周期性的载波混入想传送讯号的技术,常用于无线电波的传播与通讯。

至于天线的构型,除了最传统的平面阵列式天线之外,廖兆祥表示,因应不同使用情境或收讯需要,厂商也发表了许多不同型态的天线,如筒形、角锥、五面/六面锥形,Massive MIMO目前还有一些技术挑战,包括资料瓶颈(Data Bottleneck)、校正(Calibration)、耦合(Mutual Coupling)、不规则阵列(Irregular Arrays)与设计复杂性(Complexity),由于阵列天线复杂度较传统天线大为提升,所以设计与模拟、测试等工作就更加重要。

毫米波(mmWave)利用高频段以提供高传输速度,而提高传输速率,需有MassiveMIMO、Small Cell等搭配才得以实现,廖兆祥认为,其困难在于高频本身的严重衰减特性,以及如何实现高频电路设计。而MassiveMIMO可以提升资料传输率和连结稳定性,资料的接收和传输并完成编码为一大挑战,如何将通道状态的资料从接收器传送到传输器,以便预先完成编码则是主要的困难。

5G调变技术发展

5G由于采用过去多应用在军事、航太的30GHz以上超高频毫米波频段,为达成高速传输,势必采用全新的调变(Modulation)技术,资策会智通所主任马进国(图4)表示,调变是一种将一个或多个周期性的载波混入想传送讯号的技术,常用于无线电波的传播与通讯,利用线的数据通讯等各方面。依调变讯号的不同可区分为数位调变及类比调变,这些不同的调变,是以不同的方法,将讯号和载波合成的技术。

图5 工研院资通所新兴无线应用技术组副组长陈文江表示,一般而言30GHz以上的频段才称为豪米波,5G会从6GHz开始慢慢往越高频发展。

马进国强调,所有调变的原理都来自于1948年C.E. Shannon的Shannon Theory:C=B*log2(1+S/N)。近年来所有调变技术都是从这个理论而来,相信未来5G NR(New Radio)中的调变技术也会是如此

。目前为业界讨论较多的调变技术包括:Filter Bank Multicarrier(FBMC)、Universal-Filtered Multi-Carrier(UFMC)、Generalized Frequency Division Multiplexing(GFDM)、Filtered-OFDM与Non-Orthogonal Multiple Access(NOMA)等,新的调变技术以满足高传输速率为主,但也同时需要可以应用在大规模与特殊应用物联上。

5G频段渐次往高频毫米波发展

高速传输的另外一个重点就是毫米波mmWave,工研院资通所新兴无线应用技术组副组长陈文江(图5)说,一般而言30GHz以上的频段才称为毫米波,目前工研院是国内进行毫米波研究最主要的团队,5G的频段会从6GHz开始,慢慢往越高频发展,虽然近年各大厂展出毫米波技术应用一直到73GHz或更高都有,不过那么高频的应用不会在5G刚开始的几年投入市场,现阶段11GHz是还不错的频段,再来就是最多国家投入的28GHz,然后是38GHz,这也是工研院目前投入研究的主要频段,不过越往高频发展,路径损失(path loss)的问题就更严重。

图6 元智大学电机系助理教授彭朋瑞指出,5G未来运作于30GHz以上毫米波频段,对于电路设计亦带来重大的挑战。

毫米波应用有以下几个挑战,通道量测(Channel measurement)对讯号的传输有很大的影响,相位阵列天线与

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