望向5G(上):5G並不是甚麼


前言

近年5G的風由業界內吹至業界外,很多媒體都對5G大吹大擂。世界各地的營運商及無線設備公司都爭相演示5G,要趕在潮流的最尖端。如今全球4G建網期結束,在2020年5G大規模商用之前出現工程真空期,整個行業失去方向,5G就開始被神化到無所不能的地步,這不健康的生態實在讓筆者感到擔憂。

筆者在流動通訊無線工程這行頭打滾了一段不長不短日子,有幸見證蘋果讓3G起死回生、4G不斷追趕極速等時代,如今也蹚進了5G這渾水裏。作爲一個前綫工程師,對於研發部門的理論和現實限制之間的落差,和如何把技術真正應用起來,有比較深刻的體會。說實話,5G網絡確實是與過去2/3/4G的發展有顯著差異,對未來的通訊發展可以有很大的影響。但同時5G亦因為與過去2/3/4G不同,很多人抱持過去的觀念去理解5G,就出現不少落差或誤解。筆者嘗試用兩篇文章,「5G並不是甚麼」及「5G究竟是甚麼」,拋磚引玉與各位談一下自己對5G的見解。下文將嘗試把技術問題簡化,若然有不清楚歡迎提問或指教。

5G並不是甚麼

5G的新技術是…?

RF_evolution

觀乎各廠家的演示以及一般媒體的報導,5G似乎最令人眼前一亮的,是極高速率。10Gbps,甚至20Gbps,與現時4G LTE相比,是數百倍的差異,甚至比家用固網寬頻更快。但是,筆者斗膽說,這並不是大眾能享受的速度,而速率亦不是5G最值得期待的地方

從2G的GSM(TDMA),到3G的WCDMA,再到4G的OFDMA,每一代通訊科技在無線技術上都完全革新,所以速度及容量能顯著提升。雖然技術開發上現正向新的NOMA邁進,但是在業界對5G的需求不斷催迫之下,5G將會是第一次無線技術沒有革新的通訊換代。換言之,頻譜使用的效率不會有明顯提升,可以提升網絡速率的手段亦未見有重大突破。

速率提升的手段

事實上,在OFDMA的技術下,可以提升速率的手段,在現今4.5G時代已經幾乎走到盡頭了。可以總結為幾點:

1. 更複雜的訊號(Higher order modulation)

無線網絡傳送訊息,是將電腦的1及0轉換為電池波編碼符號再發送。簡單的編碼,每一個符號只可傳送兩個位(bit),而如果用更複雜的編碼,每一個符號就可以傳送四個位、六個位、八個位等等,速率就可以提升。但是越複雜的編碼就越容易受干擾,需要更好的無線訊號,否則接收一方無法解讀。現時LTE最高速的256QAM編碼,基本上只有在天線底下才能體現對速率的增益,顯示出再複雜的編碼在流動應用上已無實際意義。(右圖使用了Wikimedia Commons 256-QAM constelation diagram

2. 更多天線(MIMO)

近年炒得很熱的MIMO技術,是透過多天線同時傳送,而將速度倍增。多一條天線、多一條無線路徑,就多一條通道傳送訊號,速率就多一倍,這聽來很簡單。此技術的最大限制是接收者與不同天線需要存在多條不同的路徑,如果兩條路徑重疊就會互相干擾,所以天線越多就越要求位置精準才能發揮效益。但現實世界畢竟不是實驗室,流動網絡重點在於流動,人們不會站在某一個指定地點上網。因此四天線以上的MIMO,在流動應用上亦很難體現明顯增益。(右圖註:每個基站天線實際能發射兩路互不干擾的電池波訊號,手機則以四組天線接收來自兩個基站天線的四路訊號)

3. 更闊頻寬(wider bandwidth)

最近香港的網絡商宣傳推出3CC、4CC等多頻技術(Carrier Aggregation,簡稱CA),就是將總頻寬擴大來提高速率。每一條頻段就如同一條水管,CA就有如多條水管同時放水,流量自然能提升。CA相對於上述兩種技術而言,應用門檻較低,網絡商頻段的多寡,視乎政府的分配及網絡商的投標。正所謂「錢能解決的問題就不是問題」,加大頻寬就成為最直接能令用戶感受到速率提升的手段(當然還需要有最新的手機…)。4.5G未來還會有LAA多頻技術,其原理亦與CA相同,只是使用的頻段不同而已。

5G mmWave高速的局限


(註:上圖為簡約表示,不按比例。GHz為頻率的單位,而流動通訊2/3/4/5G的是指Generation,兩者無直接關係)

看畢以上三點,相信大家都可以想像到5G最直接能達到速率突破的方法,就是繼續擴闊頻寬。現有主流頻譜已用得七七八八,為了大幅度擴闊頻寬,5G提出mmWave的想法。過去2/3/4G使用的頻段都是在0.8GHz至3GHz之間,而5G mmWave則一口氣跳去使用26GHz以上、甚至去到100GHz的超高頻率。如此高頻率的頻段,現時使用率很低,可以給予5G很闊的頻寬,令5G在無線技術未有革新的情況下仍可以有速率的突破。如果以上面用過的水管比喻,4G LTE與5G mmWave之差異就有如幾條水管與江河之比,那速率當然能有飛躍的提升。

但天下間沒有免費午餐,這些超高頻率過去沒有使用,不單因為電子天線設計難度較大,更因為超高頻率有着無法逾越的物理限制:覆蓋能力極低。流動網絡覆蓋,靠的不是電池波的穿透力(怎樣強也打不穿水泥石屎牆),而是靠散射及繞射。中學物理已告訴我們,電池波的頻率越高,散射及繞射的能力就越低。而5G mmWave由於使用超高頻率,其散射及繞射能力其實近乎零。換句話說,只有直接看到天線的是候才能使用,如果走到街角轉個彎,或來一輛貨車遮撞,就已經沒有訊號了。針對覆蓋問題,未來 5G 亦會有低頻(C-band 3~4GHz),此頻段在香港目前被衛星通訊使用,電訊管理局正在為5G與衛星通訊的衝突而頭痛。使用此頻段雖然覆蓋問題可以解決,但是由於5G的無線技術與4G類同,在低頻率頻譜下速率上並不會有明顯提升。

那麼難道不能從天線擺放入手解決嗎?只要看網絡設備公司畫的 5G 和 Smart City 概念圖,都會看到他們在提倡「Light Pole site」,意思是把天綫及電燈柱合二為一,大大加强覆蓋的密度。他們理想的未來世界就是滿街都是天線,不單是在每一棟大廈的樓頂,還有街上的每一根燈柱,人人抬頭一看會發現天線比繁星還要多,確保總有一支直接射向你。這種世界當然是網絡設備公司的願景,可以賣出海量的5G設備,但是市民有是否願意生活在這種環境下?是否願意為了隨時能用到10Gbps速率而接受這樣的環境?現在很多地方都已經出現對2/3/4G天綫密度和功率的擔憂,我認爲不管未來各個廠家發表多少支持大規模做 Light Pole site 的醫學報告,我們都可以預視到民間必然會有很大的反彈,而政府要推行絕對不容易。

5G的突破在哪裏?

上文的意思是否5G是一個騙局?就如我一開始所說,5G網絡設計相對以前是有重大差異,而且對未來的通訊發展可以有很大的影響。重點是這次的差異不再單單是速率,而是會顛覆我們對於流動網絡的理解。5G mmWave 也不是一個不切實際騙局,而是涉及到 5G 世界的核心:「擴充性(scalability)」及「場景(use case)」。

下回就嘗試帶大家進入我所理解的真正 5G 世界。


後記:
心水清的讀者或許還注意到近年有另一種炒得很熱的技術:Massive MIMO。上文所述的傳統 MIMO 為針對單一用戶的多天線技術,而 Massive MIMO 則針對多用户。原理是一根天線內藏數十根小天線,可以瞄準不同方向射出無線波束(beamforming),假設用户分佈在不同位置的話,那麼每一個用户都有專門的小天線覆蓋。那麼每一個都可以獨享該小天線的無線資源,不用與其他用户分享,從而可以享受更快的網絡。這是智能天線(smart antenna)技術發展帶來的新方向,但其實對於香港這種樓宇密集及多障礙物的城市,目前仍未有有效應用的方法。因為在城市中無線訊號並非單純直線,都是經過多重反射、繞射及多路徑後到達用戶,並非無線波束的應用環境。目前很多廠家及研究所仍在積極研究智能天線,期待將來於5G世代會有更廣泛的應用。

下文:望向5G(下):5G究竟是甚麼

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5 關於 “望向5G(上):5G並不是甚麼” 的評論

  1. 現在聽得最多「毫米波」的地方恐怕是軍事雜誌(笑),因為用作武器火控雷達夠精準。而精準就是它波長夠短不易繞射。(笑)

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