望向5G(下):5G究竟是甚麼

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前文:望向5G(上):5G並不是甚麼

上文解釋了5G速率提升的限制,和大家將來在現實環境裏面爲什麽很難享受到那種超高速率,可能潑了大家一盆冷水。但是,5G的網絡設計確實有它的突破,而且可能會顛覆無線網絡的發展。相比上篇,這篇文章比較少技術成份,比較多出自我個人對於行業的現況理解和未來願景,歡迎指教。

5G究竟是甚麼

人人高舉5G的旗幟,究竟目標是甚麼?

去年年底網絡規格制定組織3gpp在業界壓力之下加速完成5G規格初稿,世界各地的網絡供應商及產品制造商均宣告5G已來臨,爭先恐後宣佈要建設5G網絡。說實話,已制定的5G規格,只是概括的整體架構,而5G究竟何時才能呈現實用價值及經濟回報,更是沒有人能說得清。現在整個行業對5G如此熾熱,說穿了不過是出於集體恐懼。在這幾年4G已完成、5G還未到的工程真空期,整個行業都在凍結,甚至漸漸萎縮(行業情況另文再述)。大老闆們都已沒有興趣再投資在4G網絡工程(因為進一步優化的回報不高),所以大家的唯一出路就是盡快令5G工程上馬。

這種未知有何應用就急速建設網絡的情景,相信行內的前輩心底裏應該都心有餘悸。當年2G流動網絡讓很多人賺了第一桶金,各地企業都急不及待爭奪3G網絡專營權,爭先建設3G網絡。那時候沒有人知道3G網絡能如何呈現價值及取得回報,但世界各地的資金都熾熱地投資進這個沒有人能說得清的3G。下場可能很多人都知道,3G網絡開通後近十年都未能普及,曾被寄予厚望的視像通話結果乏人問津,天文數字的投資像是「倒錢落海」,泡沫爆破後很多公司連年虧蝕、倒閉、退出市場。直至iPhone的出現,3G網絡才走出幽谷,並指引了後續4G的發展方向。如今5G被炒得無比熾熱,各地爭先建網,但實際應用卻只停留在幻想或理論層面,筆者只感到擔憂,彷彿大家已忘掉3G泡沫的教訓。接下來筆者將綜合自己的理解及相關技術資料,嘗試探索5G網絡發展的路向。
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5G網絡革新的真正使命

從90年代的大水壺到現在的智能電話,我們對於流動網絡的理解就是一個手機網絡,整個架構是以手機為重心。雖然也有少量的3G/4G網卡之類的非手機設備,但是發展到4G年代,網絡上絕大多數的設備還是手機。在功能上,iPhone的出現令大眾開始體會手機上網的用處,如今手機語音業務的比重一直下跌,大家用手機都是以上網為主。對於流動網絡架構規劃而言,必需考慮數據業務的發展,才可以準確應付將來的需要。

如今連接數據網絡的成本越來越低,不少離線運作的物品都加入網絡功能,過去只在電影出現的智能家居、智能都市(Smart City)漸成現實。在智能都市的遠景裏面,一個很重要的概念是「物聯網 Internet of Thing (IoT)」,各種各樣的物件都可以連接互聯網及互相連接,流動網絡需要應付各種不同需要。在目前的 4.5G 階段,已經開始引入多種 IoT 技術,讓 4G LTE 網絡可以支持一些 IoT 服務。但是由於 LTE 網絡設計一開始還是以手機為中心,所以這些 IoT 功能一直沒法完全融入本身的網絡中。情況就像高速公路的設計本來就是爲了汽車。如果要讓單車也一起走,就只能減少一條行車道改建為單車道,未能直接將單車融入公路系統以善用所有資源。
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如今距離完整的5G規格制定及實施模索起碼尚有一兩年,而且回看過去的網絡發展,往往是實際應用的需求推動技術發展,而非社會按着技術專家及投資者想像的劇本走。目前5G最需要的並不是如業界聲音一般急着建設以手機為中心的網絡,而是應回歸最初制定5G的願景,盡量提高網絡的兼容性、多元性、擴展性,讓5G網絡能夠支撐各種各樣物件都接入同一張網絡,打開萬物互聯的可能性。將來任何物件都可能會鏈接網絡,手機不再是流動網絡的唯一重心,更很可能不再是最主流的設備。所以,5G的網絡設計也不應再是單純為手機服務,而是把手機當成為衆多「場景(use case)」的其中一種而已。所以筆者認為邁向5G之與過去2/3/4G的最大分別,是大家不應再看重手機及速率提升,而是要改變對流動網絡的理解。5G或許只是這場革命的開端,最終是會顛覆流動網絡的定位,讓流動網絡成為萬物互聯的基石

支撐萬物互聯的技術重點

雖然業界急着建設以手機為中心的5G網絡,但5G規格的發展仍然繼續為未來鋪路,以應對數據業務發展的各種潛在需要。其中筆者認為最值得留意的有以下數點:

1. 龐大的接入量

上文解釋過高頻段的種種現實問題,最終5G還是需要回到與2/3/4G頻段相近的低頻作為主要的網絡覆蓋。在頻段及無線技術都與4G相近的情況下,如何讓5G能應付未來持續上升(或可能會急速上升)的網絡設備,就成為5G必需解決的問題。確實的細節仍待更多理論探討及應用測試,但基本方向是從無線溝通機制入手,延續及改良4G的結構,例如很久才連接一次網絡的設備可以使用簡化的連接模式,節省網絡資源,以及改良無線控制訊號的編排,減少用戶增多時的額外消耗。
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2. 擴充性及兼容性

上文提到4G的IoT未能與原有網絡完全融合,而5G在這方面的改變就是筆者認為最核心的部份,亦即是在上篇文末提及的擴充性及兼容性。近年雖然有不少小規模的IoT應用實例,但在全球而言畢竟仍未稱得上是大規模應用。亦正因為無人能預知未來的IoT使用需求,所以5G規格的大方向是盡量提供一個彈性的網絡框架,讓同一個網絡可以因應不同設備的需要而提供適切的網絡服務。

以現時的概念而言,各種需求例如有家庭用品要求低頻寬,公共設施要求省電,醫療設備要求極低時延,無線寬頻及立體直播要求極高速率等等,未來必然還會有更多現今未有想到的應用情況。到將來某一種IoT風行的時候,沒有人希望5G網絡要推倒重來去重新適應。5G站在流動網絡由單一設備(手機)主導過渡至萬物互聯的轉捩點,網絡結構的發展需要盡量提高自身的適應能力,以迎接未來的各種可能性。

3. 雲端架構及分散運算

在資訊科技範疇,雲端運算的發展十分迅速,各種網絡服務都漸漸傾向使用雲端架構。流動網絡在這方面目前相對較慢,但既然5G需要準備全面融入多元化的數據網絡,那麼流動網絡自身的技術亦要跟上科技發展。在傳統的流動網絡裏,無線基站需要放在天線附近,一邊以銅線連接天線,另一邊以固網傳輸連接放在機樓的核心網,而核心網則再接上電話網絡及互聯網。近年很多設備生產商都已經開始推廣在核心網使用雲端架構,但是基站那邊的變化較少。在一些網絡流量較低的站點,無線基站會較為空閒,未能盡用其運算能力。

5G規劃的目標,不單是將基站變成雲端架構(Cloud RAN),而且更計劃以此打開物聯網分散運算(Distributed Computing)的大門。在物聯網的概念中,很多中小型的設備由於要省電及低成本,所以處理能力有限。如果無線網絡能分擔部份運算工作,一方面可以更充分利用剩餘的運算能力,同期亦可以讓網絡商開拓新的收入模式如果發展成熟的話,將來當市面出現各種創新應用場景時,無線網絡亦能支撐其運算需要。
(註一:上圖為非常簡化的表述。所謂 RAN,就是指核心網與天線之間的網絡組件,而 Cloud-RAN 就是把這一部份雲端化。目前構想的 5G Cloud-RAN 模式,可以想像每一區的基站合併為一組雲端基站。至於核心網方面,傳統結構一般會有數個核心網,既作分流、亦互為後備而,而雲端化則可以想像為每一個城市的核心網合併為一組雲端,運行上比幾個獨立核心網更有效率。至於往上的傳統電話網絡,會繼續漸漸退出,替換為通過互聯網接通的VoIP)
(註二:對於無線工程而言,Cloud RAN 讓基站之間不再有訊息交換時延,可以開發更多跨基站算法,大大開拓無線訊號處理的空間,有助減低無線訊號干擾。有機會再詳談)

現今遇到的問題

看了一堆對未來的構想,還是得回到現實的種種限制。近年物聯網的發展出現一個奇怪的現象,雖然很多不同行業都有興趣在其產品加入IoT的元素(尤其是中小型生活用品),但處於關鍵位置的網絡商及設備生產商卻反應冷淡。問題的核心,在於其商業價值及利潤規模。對於網絡商而言,那些每個月不足100MB、甚至不足10MB的低流量應用,以目前的營運模式實在難以給出一個具吸引力又有利可圖的報價。對於設備生產商而言,現階段有較大需要的是極低成本裝置,其利潤之低,可能賣數百甚上千個才抵上一部手機。相比之下,如今手機替換週期短,能帶給業界的利潤遠超IoT。

有一些同業認為政府應該界入,發掘IoT對公共服務的益處並予以資助,藉此推動智能城市之建設。筆者對此持開放態度,但這種做法必需非常小心。一方面政府資助的應用場景與實際商業應用必然存在差距,業界未必能以此掌握將來實際應用的需要,同時若然業界對政府資助養成依賴,則更可能會導致長遠不良發展。

展望

其實不少同業都覺得現時的5G實在太初步,若然換在過去2/3/4G時代,這樣初期階段的技術不會引起那麼大的關注。5G熱潮被炒作得如此熾熱,對行業究竟是福是禍,大家都帶點擔憂。雖然智能都市及物聯網的願景叫人很期待,但是沒有人知道會何時到來,及以甚麼形式到來。由於無法預計5G設備之實際分佈及應用場景,對無線網絡工程而言現階段亦難以制定確切的策略及規劃。只寄望盡快有能普及使用、能呈現5G價值的物聯網的應用面世,指示出流動網絡應該向甚麼方向發展。

老實說,面對行業的不景氣,我也不知道有沒有運氣繼續在這行頭觀察5G的發展。希望我將來仍然能以無線工程師的身份與大家分享有關無線網絡的感想吧。

延伸閱讀

Key Technologies for 5G Wireless Systems, Cambridge University Press

3gpp – System architecture milestone of 5G Phase 1 is achieved

Qualcomm – The first 5G standard is complete — so what’s next?

Giovanni Romano – 3GPP RAN progress on “5G”


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