4G過後 5G準備接軌
【撰文／陸向陽】
依據ETSI/3GPP的規劃，
在LTE之後是LTE Advanced（也稱LTE-A），
而後有LTE-B，更之後可能有LTE-C，但也可能沒有，
在LTE-B/LTE-C之後才會進入5G。
4G的定義是基地台對固定裝置的傳輸率達1Gbps（指整個基地台的服務能力，若有2個與2個以上的裝置，1Gbps傳輸率就會因資源分配而減少），對移動裝置的傳輸率達100Mbps，能達此水準一律能稱為4G，LTE必須到Category 4之後的速率才滿足，Cat. 1~3不能算，而WiMAX也要到WiMAX 1.5/2.0才能算，WiMAX 1.0不能算。雖然說能滿足要求的即算4G，但大體還是以GSM→WCDMA→LTE為主軸。
圖一 5G現階段的目標是將傳輸率提升到10Gbps以上。
而所謂的5G，目前仍在技術摸索、研擬、提案中，現階段的目標是將傳輸率提升到10Gbps以上，為達此要求，各研究機構與網路設備廠、電信營運商，均在進行各種嘗試，但大體已有一些技術共識。
圖二 5G技術目前仍在技術摸索、研擬、提案中，現階段的目標是將傳輸率提升到10Gbps以上。
可行技術策略
首先是運作的頻段，現行LTE/4G多在3GHz以下運作，尤其FD-LTE多在偏低頻位置，如700MHz、1800MHz，TD-LTE則較為高頻，如2.1GHz、2.3GHz等，而目前提案中的LTE-U將會使用5GHz頻段，與Wi-Fi所用頻段相同。
5G為了達到高傳輸率，期望使用更高的頻段位置，一般認為將達30GHz以上，例如南韓Samsung已嘗試用28GHz進行傳輸，日本NTT DoCoMo也嘗試用進行傳輸，其他如Ericsson嘗試用15GHz，Nokia則用70GHz，甚已有達80GHz、90GHz的說法。
圖三 5G頻譜
為了達到高傳輸率，每個通道頻寬也必須盡可能大，現行Wi-Fi不過20/40/80/160MHz頻寬，LTE-A運用載波聚合技術，最高也僅能達100MHz頻寬（聚合5個20MHz的載波），但是NTT DoCoMo已經嘗試使用400MHz頻寬，且已有1GHz頻寬的技術提案。
一樣是為了提升傳輸率，天線數也必須增加，僅以MIMO、eMIMO（e=enhanced）來形容已經不足夠，新稱呼為Massive MIMO，指使用大量數目的天線，NTT DoCoMo已開始嘗試8根發送天線與16根接收天線，Samsung則已用上64根天線，收發天線數愈多，意味著傳輸率愈高。
圖四 5G行動通訊將會整合如奈米技術、雲端運算、MIMO等多種技術。
另外5G也希望減少傳輸延遲（Latency），希望將延遲時間限縮在1mS（毫秒）內，且要能支援物聯網（IoT），此在現行4G中稱為機器型通訊（Machine Type Communication, MTC），言下之意通話、通訊的不是人類，是裝置（機器），而5G也一樣要承襲與強化精進此方面的支援。
發展限制與挑戰
乍聽之下5G是將過往所謂的規格拉更高，好達到10Gbps的要求，但實際上5G技術也有所犧牲，由於使用5GHz以上的高頻段運作，波長縮短，電波在傳送路徑中容易衰減，一般估在2km內，無法如現在動輒5km、9km遠，甚至數十km的傳輸距離與覆蓋。
為了彌補基地台覆蓋面積的變小，只好採行更廣泛、綿密的基地台佈建，言下之意未來Small Cell作法將成主流。不過，仍會有一種追求高覆蓋率、低傳輸率的基地台，好用來協調各個小基地台間的協同運作（只用來傳遞溝通協調的控制信號），這種「大覆蓋負責控制、協調，小覆蓋負責高速傳輸資料」的作法，一般稱為異質網路（Heterogeneous Network, HetNet），現行4G已開始倡導這種觀念，之後也會延續。
最後，由於使用5GHz以上頻段，多不是全球通行頻段，各國對高頻有各種用途，因此如何協調頻段的運用也成重要挑戰，現行4G推行所謂ASA（Authorized Shared Access），例如海岸防衛隊可能只在沿岸用高頻雷達，則透過協調在內陸使用相同頻段提供服務，或者某些時段不用也可以暫時挪借相同頻段來運作，用時間與空間上的差異來靈活運用頻譜資源。
當筆者跟別人談及ASA機制時，多數人的第一個反應是「頻譜資源已經荒缺到這種地步了？需要在時間與空間上進行爭搶挪用？」看來答案是肯定的，筆者也曾與人說明「客戶關係管理，CRM」，即透過電腦分析大量客戶資料，對客戶進行分群，而後針對不同群的客戶推銷不同的銷售優惠方案，如電信商針對經常出差的人提供跨國漫遊優惠方案，針對情侶推行網內互打方案。
然說明了CRM後，也有人向筆者反應：生意做到這個地步，根本是做不下去了嘛！但產業現實、市場現實，技術要持續精進，生意模式也要持續精進。
物聯網IoT必行之路─Sub-1GHz頻段
雖然新一代的5G通訊朝向更高頻的方向走，例如5GHz以上的頻段，甚至可以高到28GHz、30GHz等，但其實無線通訊也有另一個趨勢，是往更低頻的位置走，即1GHz以下的頻段，英文稱為Sub-1GHz。
這如同電腦運算一樣，一是往更高效能推進，另一是往更低廉小巧推進，現在的桌上型PC可以小到只有USB隨身碟般大小，稱為PC-on-a-Stick，或者可以只有名片般大小，價位更只有20～35美元，如樹莓派（Raspberry Pi, RPi）。
圖五 TI的Sub-1GHz頻譜分析儀，售價僅25美元。
而所謂Sub-1GHz，就字義上而言是泛指低於1GHz頻段的無線通訊統統都算，但實際而言並非如此，而是要扣除許多既有應用與標準才能算。首先要扣除類比電視的電視白區（Television White Space, TVWS），小至54MHz，大至890MHz，換成數位電視後，也會使用698MHz～890MHz間。
而以LTE而言，FDD LTE也有使用13個頻段低於1GHz，一般在700MHz～900MHz間，但有一個頻段低至462MHz。而偏高頻的TD-LTE也有一個頻段在1GHz以下，為703MHz。
圖六
扣除上述後，真正用於物聯網（IoT）應用的，多是315MHz、433MHz、868MHz、915MHz等頻段，部份國家還允許使用169MHz頻段，或者大陸可用779MHz。
即便是這些頻段，其實也已經有其他無線通訊標準採用，如業界已發展、推行10年的ZigBee，即使用2.4GHz、915MHz、868MHz頻段，其中後兩者低於1GHz。而Google/Nest Labs提出的家用物聯網無線通訊技術Thread，已言明使用與ZigBee相同的底層技術，即IEEE 802.15.4，言下之意現有已支援ZigBee通訊的晶片，理論上只要更新韌體，就可以改行Thread通訊，如此也一樣用及868MHz、915MHz頻段。不過，ZigBee、Thread已屬物聯網技術領域，已是Sub-1GHz本有的初衷應用。
除了ZigBee、Thread外，IEEE 802.11ah標準也是鎖定1GHz以下的物聯網、無線感測器網路（WSN）等應用，預計2016年會有正式標準出爐。
當然，1GHz以下也包含類比AM收音機的540kHz～1,600kHz（1.6MHz），或者FM收音機的88.1MHz～108.1MHz，也包含無線充電的WPC Qi的110kHz～205kHz，或A4WP的6.78MHz，NFC與RFID感應的13.56MHz，但因為這些頻率實在太低，除FM外幾乎都不到100MHz，因此幾乎可略而不提，不相衝突。
所以，即便真的談論低於1GHz的物聯網傳輸應用，也有4類需要談論，一是現行最普及的產業標準ZigBee（廣泛應用），二是各業者自行應用的專屬型Sub-1GHz傳輸，三是剛起步不久，僅針對家用物聯網的Thread，四是預計2016年到位的IEEE 802.11ah。
IEEE 802.11ah的訂立是希望業者放棄專屬型Sub-1GHz，但目前來看有些不樂觀，因為11ah僅訂立多數業者均可接受的共識標準，現有專屬型的晶片表現多已超越此標準，預估即便標準出爐，放棄專屬的速度也會緩慢，特別是在一些產業型應用中，特別講究較佳的通訊表現，且換用週期較久。
以上4類尚未談到LTE，事實上LTE也在訂立支援物聯網的新通訊標準，即MTC（Machine Type Communication），如此就有5類低於1GHz的物聯網通訊，因為如前述，LTE至少有462MHz、700MHz～900MHz可用。另外，與ZigBee、Thread在家用物聯網競爭的尚有Z-Wave，也使用868MHz～956MHz。
另外美國歐巴馬總統2008年就任後所提出的智慧電網（Smart Grid），也在之後由IEEE負責制訂出智慧公用事業網路（Smart Utility Network, SUN）標準，即IEEE 802.15.4g，也一樣是使用低於1GHz頻段，也屬產業性應用的物聯網。
最後，一定要用及1GHz以下頻段嗎？一是低頻可以用較低成本達到比較大面積的覆蓋，好支援廣佈的感測節點，同時每個節點的傳輸量不大，低頻頻段的Mbps級傳輸率足以因應。另一則如Nest Labs所言，2.4GHz頻段太擠了，包含微波爐、Wi-Fi、藍牙都使用，因此Thread期望在2.4GHz外也能使用其他頻段，以加速實現家用物聯網。
目前唯一沒使用低於1GHz的物聯網通訊恐怕僅剩藍牙，4.1版的藍牙也開始支援Mesh型網路，這是支援物聯網所必須的基礎，但藍牙依然以2.4GHz為主，且看其日後發展會否也跟進採用Sub-1GHz頻段。
【全文刊載於《CTIMES雜誌》2015年3月號】-- CTIMES粉絲團】
