2017年，5G技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)被大眾所知，舉凡自動(dòng)駕駛、個(gè)人AI助手、遠(yuǎn)距醫(yī)療等，都將因?yàn)?G技術(shù)的突破而實(shí)現(xiàn)，到底5G與4G技術(shù)的差異在哪里呢？這就得從有線、無(wú)線傳輸開(kāi)始說(shuō)起。
顧名思義，有線傳輸代表透過(guò)實(shí)體介質(zhì)傳送資料，而無(wú)線傳輸則是透過(guò)電磁波傳送訊號(hào)到基地臺(tái)，接著轉(zhuǎn)往電信系統(tǒng)商的機(jī)房傳輸。以有線傳輸來(lái)說(shuō)，目前單條光纖最高速度已經(jīng)能達(dá)到26Tbps，幾乎是傳統(tǒng)網(wǎng)速的上萬(wàn)倍之快，因此，當(dāng)前世界各國(guó)苦心鉆研的，是打破無(wú)線傳輸?shù)乃俣认拗啤?/p>
圖1 : 整合物聯(lián)網(wǎng)的全新網(wǎng)路
除了常見(jiàn)的電磁波傳送外，近年竄紅的還有光波傳輸Li-Fi(Light Fidelity)，是相當(dāng)于Wi-Fi的可見(jiàn)光無(wú)線通訊(VLC)技術(shù)，能利用發(fā)光二極體(LED)燈泡的光波傳輸資料，除能提供照明與無(wú)線聯(lián)網(wǎng)，還可避免產(chǎn)生電磁干擾。
然而在無(wú)線傳輸技術(shù)的研發(fā)主流上，仍是以電磁波傳輸為主，其中的頻率范圍扮演了重要角色，它的公式原理也很簡(jiǎn)單─頻率越低(如特低頻VLF，3-30KHz)，速度越慢，同時(shí)它的波長(zhǎng)也就越長(zhǎng)(長(zhǎng)波，1,000Km-100Km)，傳輸范圍更廣，目前主要的應(yīng)用為遠(yuǎn)距離通信。
反之亦然，頻率越高(至高頻EHF，30-300GHz)，速度越快，波長(zhǎng)越短(毫米波，10mm-1mm)，傳播范圍也就越短。
目前中華電信使用的4G頻段包含900、1800、2100、2600MHz四個(gè)頻段，臺(tái)灣大哥大支援700、1800兩個(gè)頻段，遠(yuǎn)傳則支援700、1800、2600 三個(gè)頻段。臺(tái)灣的主流電信商大多使用的是超高頻(UHF，0.3-3GHz)技術(shù)。總而言之，臺(tái)灣目前是以使用高頻率、大頻寬，速度快的頻段為主。
而目前的第五代行動(dòng)通訊系統(tǒng)(5G)標(biāo)準(zhǔn)，雖然預(yù)計(jì)將于2018年中訂出，但下一代行動(dòng)網(wǎng)路聯(lián)盟(Next Generation Mobile Networks Alliance)則早先定義了5G網(wǎng)路的要求：以10Mbps的資料傳輸速率支援?dāng)?shù)萬(wàn)用戶；以1Gbps的資料傳輸速率同時(shí)提供給在同一樓辦公的許多人員等等規(guī)定；支援?dāng)?shù)十萬(wàn)的并發(fā)連接以用于支援大規(guī)模傳感器網(wǎng)路的部署等。成為各大電信系統(tǒng)商欲達(dá)成的目標(biāo)。
5G厲害在哪里？
圖2 : 5G特點(diǎn)示意圖(Source:IEEE Computer Society)
5G并不是簡(jiǎn)單提升速度就好，它還得包含許多特性：包括毫米波、MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)、波束賦形、D2D等。所謂的毫米波，也就是前述所提到的高頻，然而為什么我們過(guò)去不使用速度更快的高頻呢？是因?yàn)楦哳l過(guò)去多半運(yùn)用于軍事上，另外則是有成本的考量。
成本的考量又是什么？假使電磁波的頻率越高，波長(zhǎng)就越長(zhǎng)，連帶地它的繞射能力也就越差，就如同衛(wèi)星通訊及GPS導(dǎo)航一樣，對(duì)于傳輸方向有一定要求，因此，電信系統(tǒng)商就得興建更多的基地站來(lái)傳遞訊號(hào)，成本也就跟著水漲船高。舉例來(lái)說(shuō)，原本一個(gè)4G的基地臺(tái)就能覆蓋的范圍，5G基地臺(tái)就得裝設(shè)6-8個(gè)基地臺(tái)才夠用。
為了解決這項(xiàng)問(wèn)題，多數(shù)電信商會(huì)使用微型基地臺(tái)(Microcell)，來(lái)取代過(guò)往的大基地臺(tái)，成本也能跟著下降，這時(shí)也會(huì)引發(fā)一些疑慮，如果架設(shè)了這么多的基地臺(tái)，會(huì)不會(huì)造成更多的輻射污染呢？
這可以用一種簡(jiǎn)單的類比來(lái)說(shuō)明：在一間房間里，用一個(gè)大功率的暖爐好，還是數(shù)個(gè)小功率的暖爐好呢？答案當(dāng)然是后者，因?yàn)楹笳叩母采w良好，熱能不會(huì)集中于某區(qū)域散播，而是相對(duì)分散，并且速度快，功率影響也更小。
而MIMO又是什么呢？答案是裝設(shè)「更多的天線」。為什么智慧型手機(jī)內(nèi)能容納更多支天線呢？是因?yàn)楫?dāng)頻率越高時(shí)，波長(zhǎng)短，天線也就跟著縮短。過(guò)去的大哥大多有一只長(zhǎng)長(zhǎng)的天線，而今日卻已經(jīng)不常見(jiàn)了，并不是因?yàn)樗鼈儾辉俦恍枰强s小嵌入整只手機(jī)里頭去了。
而5G時(shí)代使用的毫米波，天線也能再度縮小。因此，除了可以將更多的天線塞入手機(jī)外，微型基地臺(tái)內(nèi)也能放入更多的天線，接收與發(fā)送訊號(hào)的窗口越多，處理速度也能大幅增加，達(dá)到所謂的「多進(jìn)多出」。
控制電磁波的傳輸方向
再來(lái)是具備高技術(shù)門檻的波束賦形。電磁波的傳輸，一般是用四散、廣播的方式傳遞訊號(hào)，然而我們通常只需要將訊號(hào)朝著某方向傳遞即可，多數(shù)的電磁波能量都被大幅浪費(fèi)。
而波束賦形則是可以控制射頻訊號(hào)，使得基地臺(tái)站上的電磁波，能對(duì)準(zhǔn)它提供服務(wù)的對(duì)象(智慧型手機(jī))，并隨之改變方向。透過(guò)此項(xiàng)精準(zhǔn)傳遞訊號(hào)的服務(wù)，可以大大提升基地站的服務(wù)數(shù)量。
圖3 : 多天線MIMO示意圖(Source:Rick Janse Kok MBA)
最后一項(xiàng)5G特性─D2D(Device to Device)，則代表當(dāng)日后使用5G技術(shù)時(shí)，不再需要透過(guò)基地臺(tái)來(lái)轉(zhuǎn)送訊號(hào)，即可讓鄰近的兩臺(tái)無(wú)線裝置能夠建立直接連線（Device-to -Device Link）來(lái)進(jìn)行通訊，大幅度地降低基地站的使用資源。
5G在生活中實(shí)現(xiàn)
而在什么時(shí)候才能夠看到5G實(shí)現(xiàn)在日常生活中呢？目前已經(jīng)有部分5G技術(shù)開(kāi)始進(jìn)行測(cè)試，例如美國(guó)AT&T和Verizon正測(cè)試家庭和企業(yè)的5G寬頻固網(wǎng)；而南韓的電信商則希望趁著2018年平昌冬季奧運(yùn)會(huì)時(shí)，能夠提前讓5G網(wǎng)路到位；世界各地的電信商則預(yù)估將在2020年開(kāi)始提供5G的行動(dòng)服務(wù)。
2017年11月，美國(guó)電信商Verizon也宣布在2018下半年將在加州推出業(yè)界第一個(gè)商用5G固定無(wú)線接入寬頻網(wǎng)路服務(wù)，并在年底前擴(kuò)張市場(chǎng)。此外，Verizon宣布將和瑞典電信設(shè)備制造商Ericsson合作，Ericsson將成為2018年商用固定無(wú)線接入5G服務(wù)的網(wǎng)路設(shè)備供應(yīng)商。
目前各家電信商正在進(jìn)行多種模型的測(cè)試校正，包含網(wǎng)路的建立方式以及使用的電磁波頻段，可預(yù)見(jiàn)的是，5G將是新一波的戰(zhàn)場(chǎng)，勝出的技術(shù)和方案將成為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，也能在新世代中取得領(lǐng)導(dǎo)地位。