2018年12月28日

5G前瞻通訊原理與應用

曲建仲/臺灣大學電機工程學系博士,政治大學科技管理與智慧財產研究所兼任助理教授。致力臺灣科技教育多年,擅長以淺顯易懂的文字由淺入深帶領讀者了解艱深困難的科技原理。

第五代行動通訊(5th Generation, 5G)無疑是近來最熱門的話題之一,大家對它的印象不外乎是上網的速度更快,到底什麼是5G呢?上網速度更快又是如何辦到的呢?

電磁波頻譜
電磁波的波長與頻率的關係如圖一(a)所示稱為電磁波頻譜(spectrum),由圖中可以看出,光波主要是指紅外光(infrared, IR)、可見光及紫外光(ultraviolet, UV)等3個部分,其實就是所有電磁波頻譜的中央部分,所以光是一種電磁波。

將圖一(a)下方用來通訊的紅外光、微波與無線電波部分放大檢視,得到如圖一(b)所示的通訊電磁波頻譜,由上到下依序為紅外光、微波和無線電波等,圖中列出相對應的波長、頻率及電磁波的應用,其中電磁波頻率大約10~100吉赫(GHz)的電磁波波長大約1~100毫米(mm),因此稱為毫米波(mm wave)。  

圖一:(a)電磁波頻譜,(b)通訊電磁波頻譜。
頻寬與資料傳輸率
資料傳輸率的單位是每秒位元數(bit per second, bps),代表每秒可以傳送幾個位元,也就是每秒可傳送幾個0或1,例如:1Gbps(1G=10億)代表每秒可以傳送10億個位元(10億個0或1),目前大部分通訊系統都屬於數位通訊,因此使用「資料傳輸率」描述更恰當。資料傳輸率的大小是由傳輸介質與傳輸設備共同決定,頻寬愈寬通常可提供更高的資料傳輸率。

頻寬(bandwidth)與資料傳輸率(data rate)的意義很類似,容易混淆,有時甚至積非成是被誤用,在此簡單說明之間差別:

(一)頻寬是類比訊號使用的名詞:電磁波是一種連續的波動能量,既然是連續的必定是類比訊號,因此頻寬和它的單位赫茲指的都是電磁波在有線通訊介質(同軸電纜、雙絞銅線)或無線通訊(無介質)的物理特性。
(二)資料傳輸率是數位訊號使用的名詞:當類比訊號轉換為數位訊號時,所有資料都會變成0與1兩種不連續的訊號。因此資料傳輸率和它的單位每秒位元數指的都是數位通訊實際傳送每個位元資料的速率,重點是:數位訊號可利用不同的調變與多工技術使相同頻寬的介質具有更高的資料傳輸率,這就是目前許多新的通訊技術,如第三代(3G)的WCDMA、第四代(4G)的OFDM等。

頻譜效率
由於無線通訊的傳輸介質是人眼可見的空間,而空間是大家共同使用,當所有訊號都丟往同一個空間時,這代表相同頻率只能使用一次,造成無線通訊的頻譜非常珍貴,導致在有限的頻寬裡,利用不同的調變與多工技術讓相同頻寬的電磁波具有更高的資料傳輸率,單位頻寬具有多少資料傳輸率稱為頻譜效率(spectrum efficiency)。單位頻寬的資料傳輸率愈高,則稱為頻譜效率高,如LTE可提供上傳2.5 bps∕Hz,下載5 bps∕Hz;LTE-A可以提供上傳5 bps∕Hz,下載10 bps∕Hz,顯然LTE-A的頻譜效率較LTE高。特別注意的是,表中的頻譜效率是直接以資料傳輸率除以通道頻寬,但不同的多工技術並沒有考慮進去,因此不同的多工技術應分開比較才有意義。

通訊系統下載的資料傳輸率,由第二代(2G)的GSM系統14.4 Kbps、到第三代的UMTS系統的2 Mbps、第四代的LTE系統的100 Mbps,一直發展到未來的第五代(5G)可達到10 Gbps。值得注意的是,此速度是指基地臺系統的總資料傳輸率,還必須分配給所有人使用,因此每個人能夠分配到的資料傳輸率需視人數而定,這就是為什麼4G LTE∕LTE-A下載速度雖然已經達到1 Gbps,但大家上班時在捷運上用智慧型手機上網仍會卡頓的原因,畢竟車廂內的人都在做相同的事。

第三代合作夥伴計畫
(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)
第三代合作夥伴計畫成立於1998年12月。成員包括歐洲的電信標準協會(ETSI)、日本的情報通訊技術委員會(TTC)、中國的通信標準化協會(CCSA)、韓國的通訊技術協會(TTA)、北美洲的電信業解決方案聯盟(ATIS)及印度的電信標準開發協會等,主要的任務是制定3G的標準。3G上線後開始規劃下一代的無線通訊標準,也就是後來被稱為第四代行動通訊的「長期演進技術(Long Term Evolution, LTE)」,其實它是從3G演進到4G行動電話的意思。

商業上宣傳的4G LTE其實是由HSPA+邁向4G的過渡版本,真正的4G應該是2011年由3GPP所制定的「長期演進技術升級版(LTE-Advanced, LTE-ALTE)」,相容於原來的GSM∕EDGE和UMTS技術。

第五代行動通訊新無線電
(5th Generation New Radio, 5G NR) 
2015年國際電信聯盟(ITU)召開工作伙伴5D(Working Party 5D)小組會議,公布5G發展規劃,並且延續3G的「IMT-2000」、4G的「IMT-Advanced」,定名5G為「IMT-2020」,開始制定5G的規範。 ......【更多內容請閱讀科學月刊第589期】

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