雖然 5G 通訊技術一直是新興科技及產業的熱門議題之一，但到底與 4G 有什么不同?又有什么非發展不可的理由呢?

所謂的 5G 通訊指的并非是具體的單一技術，而是第 5 代移動通訊網絡(5th Generation Mobile Networks)的泛稱，是在 4G 通訊技術成熟后，對下一代通訊網絡的期待。目前標準尚未完全確定，但有所共識的是，5G 系統至少要能達到幾項能力，以 10Gbps 以上的資料傳輸速率支持數萬用戶，及大規模的并發連結能力及感測器網絡的部署，在覆蓋率、頻譜效率及低延遲性應遠勝于 4G。

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什么是無線通訊?

無線通訊(Wireless Communication)是指利用電磁波信號可以在自由空間中傳播的特性進行資訊交換的一種通訊方式，而在近代因廣泛的需求而有爆發式的發展。例如早期的***代無線通訊系統為類比式移動電話系統，自1983 年起開始使用，而直至被 2G 數字通訊取代。而由第三代合作伙伴計劃( 3GPP)負責制定及維護的 3G GSM 系統，更提供了國際漫游及更高品質的數位語音通話服務。

從 4G 開始，講求資料傳輸量需達到 1 Gbps以上，甚至在高速移動下也要有 100 Mbps，除了語音之外，更擴展到了影像通訊等領域，并應用在金融、醫療、教育、交通等產業上。擁有媲美 ADSL 速度的無線網絡，屏棄傳統電路交換，轉向由網絡之間互連協議(IP)構成的通訊，并衍伸出***網絡(Pervasive Network)的概念，而 5G 就是這樣理念下的新產物。

事實上，無線通訊技術涵蓋范圍很廣，不僅是指用于遠距離通話的移動通訊，還包含了藍牙、NFC 等近場通訊技術，及各種衍伸出來的通訊協定。而 5G 的理念，除了更快更穩之外，就是能夠滿足近場及遠距等不同的通訊需求。

無線通訊技術的特征

無線通訊既然是通過電磁波來傳遞，當然在描述其性能的時候多會提到物理性質，例如頻率，像 2.4 GHz 意思即是指每秒震動 24 億次的電磁波，這已算是相當高頻的頻率了。***頻的電話電報大約僅 1,000 Hz，而討論 5G 時常提到的毫米波(Millimeter Wave)頻率則高達 26.5～300 GHz。

電磁波頻譜與應用

雖然資料傳輸的效率還有其他技術可以改善，但就物理性質而言，通常頻率越高，資料傳輸量往往也越快，所以在無線通訊發展基本上都是朝向高頻率前進。但從物理學來講，越高頻率的電磁波，更具有指向性，也越難饒射，也將使衰減更快，傳遞距離更短。

例如藍牙就是一種短波特高頻技術，利用 2.4 GHz 以上的 ISM 頻段來進行通訊，并試圖能夠讓行動設備，在短距離間交換資料，并形成個人區域網絡(PAN)。不過像 NFC 則是用 13.56 MHz 的頻率，但很明顯的僅適用于很短的距離，且資料傳輸率也遠遜于藍牙，不過其更為簡便快捷，更多是被應用在物聯網上，所以通訊技術未必是互相取代，而是針對不同場景的應用。

不僅是毫米波

雖然在僅僅 30 多年來通訊技術就已進展到第 5 代，但其實這一點都不容易，光是提高能利用的電磁波頻率，就已是重重阻礙。有鑒于 6 Ghz 的中低頻段已非常擁擠，所以毫米波技術成為各大科技業者不可回避的挑戰，包括高頻路徑損失、傳輸耗損、穿墻性等性能。

當然也因為如此，毫米波技術的研發也有先后，首先當然還是從低頻毫米波入手，主要著重在 40 GHz 以下，以因應商業化進程，預計2019 年初就能完成。而超過 100 GHz 的頻率，可能要到 2020 年才會出現。國際電信聯盟(ITU)目前已提出最適用于 5G 的頻率為 28、39 及 73 GHz。

當然也有業者野心更大，如英特爾發布的 5G Modem 就強調是全球通用，不僅支持最主要的 6 GHz 以下頻譜及毫米波頻段，還有超寬頻操作、超低延遲、聚合頻寬等性能，及支持 5G NR 等技術，不過預計***波上市的 5G 設備仍仰賴的是自 4G 時代就有的 LTE 技術及 OFDM 波形。

波束賦形及 Massive MIMO

而且事實上 5G 系統不是僅建立在高頻的系統，而是一個多管道系統。高頻天線體積將會更小，亦即在同一設備中可置入更多天線，而透過多進多出(MIMO)，將能夠讓 5G 的資料傳輸率媲美光纖，至少是 4G 的十倍以上。現在有許多國家也正打算將到期的 3G 頻譜挪用至 5G 發展。

如中國已規劃其 5G 系統頻譜除毫米波外將利用 4800~5000 MHz 及 3300-3600 MHz 頻段，以符合 ITU 的 IMT-2020 工作計劃。不過整體來講 5G 毫米波芯片的設計與 4G 是截然不同的，高頻電路元件的金屬導體損失、介電質損失、輻射損失及散熱等問題都有待克服，而目前業界比較青睞的是由氮化鎵半導體工藝制成的元件。

除了材料之外，波束賦形及 Massive MIMO 就成了 5G 技術的熱門詞匯，波束賦形(Beamforming)，是一種使用感測器陣列定向發送和接收訊號的技術，透過在特定方向上發射或接收訊號的疊加，以延長訊號傳送距離。而 Massive MIMO 則是使用復數波束賦形天線，以實現龐大的資料傳輸的有力技術。

當然這并不容易，因為基地臺要運用 Massive MIMO 技術不僅是要面對多個終端，且這些終端往往都是在移動狀態，這也表示，對訊號路徑的估測(Channel Estimation)將更為困難，還有***訊號污染(Pilot Contamination)、預編碼復雜化等問題，當然簡化及改善 MIMO 技術就是實現 5G 通訊的重大挑戰。

D2D 及網絡切片

不僅如此，5G 的野心還包括了不同場景的應用，例如基于蜂巢式網絡的 D2D 通訊(Device to Device)。其實 3GPP 早在 2013 年就開始探討 D2D 通訊技術，其前身就是各種不需要仰賴基礎設施的無線通訊技術，以實現終端對終端的通訊，如藍牙。但相對于其他類似技術，D2D 將更加靈活，不僅可以在無網絡基礎設施的時候進行傳輸，也可以在無網絡狀態下，利用鄰近有網絡的設備進行網絡連接。

當然在 5G 時代下，D2D 通訊將能帶來更高的頻譜利用率，利用鄰近服務(Proximity Service，ProSe)提高用戶體驗，包括廣播、組播、單播等各種通訊模式，甚至能應用在類似的物聯網(M2M)通訊上，當然也比傳統的蜂窩網絡架構更復雜許多。

而為了囊括這么多種服務，網絡切片(Network Slicing)成為 5G 的關鍵技術，簡單而言，就是在物理網絡中使用軟件定義網絡(SDN)架構，將網絡切割并虛擬化(Network Function Virtualization，NFV)，且每個虛擬網絡之間，包括設備、接入、傳輸及核心網絡等，都是邏輯獨立的，不會因為其中一個虛擬網絡出錯，而影響到其他服務。

比目前正使用的 LTE 行動網絡架構能更具有彈性來支持各種不同的服務。一般而言，5G 網絡應用可被分為移動寬帶、大規模物聯網跟關鍵物聯網 3 種場域，以因應不同的應用。所以網絡切片更形重要，而目前中國的中興通訊領先推出了相當成熟的 5GE2E 網絡切片技術方案。

不過現行要商業化還是要先從「非獨立 5G 」做起，以4G 網絡為基礎發展準 5G 模式，營運商利用現有的 LTE 網絡，在 2019 年就可以開始試營運并布署 5G NR，并可在未來添加 5G 無線電接取載波以增加應用。而 3GPP 其實早在 2017 年底即已完成非獨立 5G 的標準，為大規模試驗和商用部署奠定了基礎。

5G 應用場景

簡單來講，5G 的應用目前可以分為 5 個層面，大量數據傳輸、移動用戶體驗、提升企業效率、創造數位生態及 5G 基礎設施及服務。在中國華為技術的 5G 白皮書中提到，關于未來 5G 運用有十大重要場景，包括云端圖形計算、車聯網、智慧制造、智慧能源、無線醫療、***家庭娛樂、聯網無人機、社交直播網絡、個人 AI 助理、智慧城市等。

其中最仰賴 5G 的就是在云端即時演算電腦圖形渲染和建模，意即將可大大降低 VR 及 AR 的設備需求，更有效的拓展用戶使其更加普及，不管是各種產業都將占一席之地。但前提就是大量極地低延遲數據傳輸，才能讓用戶能有效地訪問云端高速計算服務器，達到規模效應。

據估計，到 2025 年 AR 和 VR 的市場規模將達到 2,920 億美元，將成為行動服務提供商的主力業務。當然還有自駕車、智慧制造等耳熟能詳的新興技術需要用到 5G，不過市場潛力***的，還是無線家庭娛樂，超高清 8K 視頻及云端游戲等將會是 5G 技術的重要戰場。

不過目前在部署 5G 技術仍有重重阻礙，不僅是技術問題，商業考量也非常的重要。例如與過往的 4G 網絡不同，5G 無線電特性也使其覆蓋率不如 4G，同樣范圍內需要更多的基地臺，這對廠商而言會有更多的成本考量。

所以在 5G 時代更多的基礎設施共享才會帶來更大的投資效益，例如英國政府就致力于解決投資障礙、厘清基礎設施共享的框架、減免企業稅務甚至直接的干預等政策，以確保市場有足夠的資金投入來促進 5G 網絡的發展，當然目前各國的 5G 政策其實尚未明朗，會依照最終標準及商業試驗的結果而變化。