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| 資策會MIC資深產業分析師林柏齊 |
第四代通訊技術(4G)正處於發展早期階段，然而多家大廠與研究組織已著手第五代通訊技術(5G)研發。目前5G在技術規格、研發期程與市場需求皆不明確，甚至於5G應歸為全新網路技術，或現行4G技術的補充與升級亦未有定論。對此，本文綜合國際大廠與重要國際組織觀點，整理對5G技術之願景，從未來生活應用情境，眺望5G終端所需技術。
國際大廠搶先布局
雖然4G的網路速度已較3G大幅提升，但面對物聯網(IoT)與雲端運算所帶來的異質網路架構、高網路流量與高速度傳輸等要求仍顯不足。此外，行動網路產業因智慧型手機興起而受到關注，相關專利布局與產業競爭已成顯學，即便4G仍在技術發展初期，國際網路通訊大廠已紛紛對5G展開策略聯盟與技術布局。
目前國際主要的5G發展組織，包含歐盟的「行動暨無線通訊網路驅動計畫(METIS)」、中國的「IMT-2020(5G)」、韓國的「5G Forum」與日本的「2020 and Beyond AdHoc」等。雖然5G在技術規格、網路標準與發展時程皆尚未明確規範，然而重要國際組織與廠商皆以2020年為目標，規畫5G商轉。
5G將擴張聯網版圖
市場需求一向被視為新技術催生動力，國際大廠規畫5G技術目標之依據，除了升級現行網路技術外，對於未來生活應用情境的設想與評估亦為重要考量。以下整理國際大廠在5G個人終端方面之應用設想。
HD影音推升網路流量需求
電視與行動裝置(如智慧型行動電話與平板電腦)的顯示器規格不斷提升；2014年電視已從全高畫質(Full HD)進步至4K2K，未來更將達到8K4K。行動電話2014年亦將進入WQHD規格。
目前解析度發展仍看不見盡頭，然隨著高畫質影音內容普及，網路資料量勢必相對增加。另外，由於3D電視與3D智慧型手機問世，3D影音內容若要達到與2D相同解析度，其資料量亦將以倍數成長。
物聯網催生巨量資料分析服務
愛立信(Ericsson)認為，目前未連上網路的事物，若在聯網後可帶來效益，於5G時代都將連上網路，並且是持續連接且不中斷。可以聯網的事物包括各類型感測器(如水質、橋樑、溫濕度與空氣品質感測器等)、網路攝影機(IP CAM)、交通號誌、車輛、智慧電網、智慧建築與智慧家電等。
在聯網設備與資料流量快速增加的同時，透過行動終端裝置，迅速取得巨量資料(Big Data)分析結果之需求順勢產生，如提供即時最佳通勤路徑，與精準天氣預測等服務將不可或缺；其他還包括遠端家電控制、行動裝置監測高畫質IP CAM影音資料等，電信營運商提供高品質網路服務，將是未來的重要挑戰。
5G助長D2D使用效益
D2D(Device to Device)概念與相關技術包括藍牙(Bluetooth)、Wi-Fi Direct與近距離無線通訊(NFC)等皆已行之有年，但受限於距離、網路流量或是連結設定步驟繁複等因素，仍未大量普及；展望未來發展，若透過5G廣域行動網路之頻譜與技術，將可擴張網路覆蓋率、基地台網路流量卸載及提升頻譜使用率等效益。
終端通訊技術挑戰日增
現階段5G技術發想，多著墨於網路系統架構。這裡由行動終端出發，在5G技術目標與2020年未來生活應用情境下，分析終端需求關鍵技術為何。
磁感應/共振充電技術
未來智慧城市將布建大量無線感測器，加上智慧穿戴裝置體積受限，使距離與體積束縛受限較小的無線充電技術，成為重要的電力解決方案之一。
目前主流的無線充電技術，包括由無線充電聯盟(WPC)與電力事業聯盟(PMA)主導的電磁感應，與無線電力聯盟(A4WP)主導的磁耦共振兩大類。
電磁感應產品的優點在電力轉換效率高，且相關產業鏈發展較為成熟；缺點是充電有效距離僅10公分(cm)，同時因接線圈中央磁通量與周圍差異大，須將產品擺放至正確位置並不傾斜才可順利充電，便利性較為不足。
磁耦共振充電距離可達5公尺(m)，且不受產品擺放位置的限制，較為便利；但其轉換效率不如電磁感應，若周遭有具磁性金屬物體時，將干擾充電效能，若此金屬與充電器頻率相同，更將因接收能量而發熱，易造成危險。
未來無線充電技術，須同時滿足充電轉換效率、充電距離與更低的位置限制，同時具備一對多充電能力與高安全性要求。
D2D聯網技術
目前D2D聯網技術，以NFC結合Bluetooth與Wi-Fi Direct較為熱門，如Android Beam與三星(Samsung)S beam皆屬此類技術應用。D2D原理是兩台裝置短距離接觸，透過NFC進行認證後，在Android Beam與S Beam分別轉由Bluetooth與Wi-Fi Direct進行資料傳輸(如影音與照片)。
Wi-Fi Direct相較於Bluetooth，有傳輸資料較快與覆蓋距離較廣之優勢，但比起發展中的LTE Direct或未來的5G Direct仍顯不足。
高通(Qualcomm)實驗指出，Wi-Fi Direct目前覆蓋範圍約100公尺，而LTE Direct可達500公尺；在搜索能力方面，Wi-Fi Direct在2分鐘內僅找到周遭約四百個裝置，而LTE Direct在1秒內即可找出七千個裝置；另外，由於Wi-Fi Direct是透過未授權的頻譜進行作業，而行動網路頻譜皆受到授權管理，因此干擾性與安全性亦較佳。
未來D2D技術發展仍有部分瓶頸等待克服，包括行動裝置的通訊判斷，是否該從基地台聯網切換至D2D通訊之判斷機制，以及在多D2D與異質網路架構下的頻譜干擾問題、切換延遲性等。
Smart Antenna
天線的體積、數量與效能常成正比。5G為增加資料傳輸量，在接取端將採用Massive MIMO與毫米波(mmWave)等技術。然而終端裝置如智慧型手機與穿戴式裝置，因受體積和功耗等限制，難以在擁擠的機身實現多重輸入多重輸出(MIMO)多天線布置，同時降低同頻率互相影響的訊號干擾互耦問題。
mmWave的超高頻將可能促進天線微型化發展，但高頻訊號易受建築物或天氣影響，阻止其訊號傳輸；因此，未來5G的發展上，可充分利用狹小空間，具定向且自動應切換訊號來源的Smart Antenna，將為重要發展技術。
軟體定義無線電
各國無線網路頻譜規畫各不相同，加上從通訊技術從2G演進到4G，形成多種通訊標準同時並存。行動裝置為提高兼容性，以符合多模多頻之要求，須增加射頻(RF)、功率放大器(PA)與天線數量，並支援多種訊號波形，這對體積受限的行動電話及智慧終端，在產品機構電路設計與物料清單成本間造成挑戰。
軟體定義無線電(SDR)技術之產生，即是為解決上述日益複雜的RF設計問題。傳統硬體無線電若欲增加頻段或標準的支援，須增加硬體元件；SDR則是將無線類比訊號轉換為數位訊號，並透過軟體來偵測並切換無線網路的頻段與通訊標準。
5G終端開啟智慧城市願景
前瞻2020年生活應用情境，高畫質影音與智慧感知城市，將催生大量資料流與聯網裝置，對現行網路系統架構造成挑戰。由於聯網裝置體積的微型化，將帶動長距離、高安全性與高效率的無線充電設備布建與技術研發之需求。
另外，由於2020年將有多種無線網路通訊標準共存，且為了滿足高網路流量需求，無線頻譜將開放使用更多高頻且完整的頻段，網路系統高低頻共存，將採用Massive MIMO與mmWave技術，並且以小型基地台(Small Cell)、Phantom Cell跟傳統大型基地台共同建設。
未來的網路系統架構，在行動終端的無線RF設計方面加諸多種挑戰；其中，為了滿足多模多頻與MIMO之需求，Smart Antenna與SDR技術將為研發重點。另外，為加強社群應用，補足無線通訊死角，並預防災禍發生造成網路基地台受損，廣域行動網路D2D技術將是重要研發項目。
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