【5G科普】只要9張圖,看懂什麼是5G|大和有話說

從一條基礎物理公式說起

談5G之前,我們先從一個基礎的電磁波原理說起,也就是:光速=波長 X 頻率。當光速固定在每秒30萬公里時,波長愈長,每秒震動的次數也就愈少。換言之,電磁波的「波長」與「頻率」是互為反比的。

當今的「無線通信」(Wireless Communication),即是利用電磁波來進行各種資訊交換。不同頻率的電磁波,又決定了不同的特性及應用,我們可從下面的「通訊電磁波頻譜」來略知一二。

就物理特性而言,頻率愈高,波長愈短,「穿透能力」也就愈強,這就像是醫院裡X射線的頻率極高,波長僅0.01~10奈米,可用來穿透身體的部分組織一樣。然而,高頻信號的指向性也較強,它們遇到障礙物會想直接穿過去,而不是繞過去(也就是「繞射能力」差),因此其穿透障礙物所帶來的能量消耗,也會使傳輸距離變短。

以目前主流的4G LTE (Long Term Evolution)來看,常用的頻段多集中於450MHz~3,800MHz區間。然而,由於此區間已非常壅擠,因此我們漸漸把腦筋動到介於30GHz~300GHz的毫米波頻段,那裡能使用的頻段資源相對豐富 (一般來說,高頻段「比較可能」會擁有高頻寬,進而帶動傳輸速度的提升)。

好了,談談5G吧!

所謂5G 通訊,是指第 5 代行動通訊網路(5th Generation Mobile Networks),它是在4G 通訊技術成熟後,我們對下一代通訊網路的統稱,不外乎就是追求更快的速度以及更低的延遲。

雖然國際上對5G的標準尚未完全確定,不過大致可涵蓋兩種主流頻段,一為sub 6GHz(也就是6GHz以下),這與我們目前採用的4G LTE頻段差異不大;另一種則是在24GHz以上,也就是最近很常聽到的「毫米波」頻段。

也就是說,其實5G 網路結合了既有的4G LTE 頻段,是一種異質性網路(HetNet)。其透過主打速度的毫米波(mmWave)寬頻技術,及主打低功耗、覆蓋能力廣的sub 6GHz窄頻技術,在不同的環境下提供最適的無線網路,以同時滿足短距離及長距離的通訊要求。

例如,當場域要求高頻寬(eMBB)、低延遲(URLLC)等特性時,就適合運用高頻的毫米波頻段,例如自駕車、遠距手術等應用場景;當場域要求低功耗、大範圍覆蓋以及穩定連接等特性(MMTC)時,則較適合sub 6GHz低頻頻段,例如智慧城市的相關應用。

5G熱門詞彙之一:微基站

當通訊技術往更高的頻段部署時,電磁波的繞射能力就變得更弱,傳輸距離及覆蓋範圍也會相對縮小。因此,不同於頻段較低的4G採用一個大型基地台 (Macro Cell)即可覆蓋2~40公里,5G時代必須採用多個微型基地台 (Small Cell)才能覆蓋到同樣的區域。

5G熱門詞彙之二:Massive MIMO

MIMO指的是「多進多出」(Multiple-Input Multiple-Output),即透過多根天線發送,多根天線接收,讓資料傳輸的速度變得更快。又根據電磁波原理,波長越短,天線就可做的愈小的情況下,到了5G時代,隨著天線漸成為毫米級尺寸,我們就可以將更多的天線塞入手機終端及微型基地台裡,讓既有的MIMO強化為Massive MIMO,使速度更上一層樓。

5G熱門詞彙之三:波束成型

電磁波的傳輸,就像是發光的燈泡,是向四周發射的方式來傳遞訊號。然而,通常我們只需將訊號朝某個方向傳遞即可,大多數的電磁波能量都是浪費的。那麼,我們有沒有可能將這些四散的電磁波束縛起來呢?答案是有的,它叫做「波束成型」(Beamforming)。

波束成型(Beamforming),是一種透過「天線陣列」定向發送和接收訊號的技術,其透過在特定方向上發射或接收訊號的疊加,將既有的全向覆蓋,轉換為精準的指向性傳輸,不僅延長了傳送距離,也大幅減少訊號的干擾。

5G熱度高,但商業化還尚未明朗

OK,以上就是5G的一些重要概念,包含像是毫米波、微基站、Massive MIMO、波束成型等等。隨著這些技術演進,一些卡關已久的應用如VR直播車聯網、無人機、遠距醫療、智慧城市等場景,將有機會突破閥值,破繭而出。

然而,雖然5G目前在市場上喊的火熱,但實際落地似乎還沒那麼快。除了各國的頻譜分配尚懸而未決外,電信運營商也得冒著不確定的風險,來投入更多基地台的建置成本,以加速普及速度。整體而言,當前5G的商業化還尚未明朗,相關的產業投資仍需保守看待。

參考資料

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