5G 通訊根本連規格都還沒定案!漫談報導中的迷思與技術發展史

網路 「謠言農場」充滿故作聳動的新聞,有些單純是為了賺稿費, 有些則是有經濟甚至政治目的。 例如有一篇文章說:某強國的 5G 技術已經在測試中,技術領先世界。這些說法也許正確,但很可笑,可笑程度如同某國說要領先載人登陸火星一樣。
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A visitors walks past a 5G sign during Mobile World Congress in Barcelona, Spain, February 28, 2017. REUTERS/Eric Gaillard - RC1FED28BDE0
A visitors walks past a 5G sign during Mobile World Congress in Barcelona, Spain, February 28, 2017. REUTERS/Eric Gaillard - RC1FED28BDE0
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作者 Ralph Yang,曾任聯電集團新興電子董事長特助及耀文電子總經理,現已退休。 原文刊登於作者 Facebook 頁面 ,INSIDE 獲授權轉載。

本文以輕鬆的筆調來談 5G 網路技術基本概念,以及報導中常出現的誤解與迷思,分享給各位讀者參考。

謠言農場裡說的 5G 到底是啥?

網路「謠言農場」充滿故作聳動的新聞,有些單純是為了賺稿費, 有些則是有經濟甚至政治目的。 例如有一篇文章說:某強國的 5G 技術已經在測試中,技術領先世界。這些說法也許正確,但很可笑,可笑程度如同某國說要領先載人登陸火星一樣。

因為 5G 並不是一個規格或一種協議。 而是泛指任何傳送速度比 4G 快 10 倍的技術。任何人做研究或提建議都是可以的。但是要等確定規格後做出 IC,然後才能做成手機。所以正在測試中與已經商業化,不是只差 18000 公里而已。

想要比 4G 速度快 10 倍,先要知道 4G 到底有多快。4G 的速度是有史以來最撲朔迷離的,因為它具有可以無限擴展的特性。它的最高速尚未確定。

4G 用 OFDMA 調制法,每 1MHz 頻寬約可以毛傳送 9Mbps,淨傳送 7.2Mbps ,如果採用載波融合 CA 技術的話,只要湊滿 25MHz 頻寬,下載速度就可以達 180Mbps 。 所以如果給它 50MHz 頻寬,就可以傳 360Mbps。但是如果給它無限頻寬,由於 CAT.8 技術的限制,極限速度是下載 1200 Mbps 上載 600Mbps,但是實務上旗艦機使用的晶片 iPhone 6 是 CAT.6 300Mbit/s, iPhone 7 是 CAT.12 600Mbit/s,iPhone 8 及 iPhone X 如果用 Qualcomm 晶片的話,則已經到 CAT.16 1000Mbit/s。而且據讀友 ChunHao Hua 提供, Qualcomm 公司也已經在做下一代 CAT.20 晶片備用了。

既然 4G 已達 1Gbit/s,那未來的 5G 理論上它的下載速度應該至少要達 10,000Mbps 以上。也就是 10Gbps,才能號稱有 10 倍快。天啊,Gbps 都出來了!而且 4G 還越來越快。將來如果 CAT.20 晶片量產成功,4G 速度會升至比 2Gbps 或更高嗎?那 5G 豈不是要達 20Gbps 才能算是 10 倍快,也就是約 3 秒就可以可以傳一張 HD 電影了。

好笑的是,當年研發 4G 即第 4 代 LTE 的那群人很自大, 自稱 LTE 是終極技術。 因為 LTE 是 Long term Evolution 的縮寫。 意思是「子孫萬代代香火永流傳」因為它是積木式結構, 速度及功能可以永遠疊加發展下去。

單位正確很重要

要講清楚 5G 是啥前,先來談談「物理單位」的重要性。

我與另一位諾貝爾獎得主都主張, 學生考試時只要答案的「單位」對, 就給 90% 分數, 至於數字是否算對只佔 10% 分數。數字在同一個數量級內都是算對, 例如如果精確答案是 47.3 的話,那些答 31、35、50 都一樣是對的。 這是高加索白種人的普世見解, 但是蒙古族亞洲人則相反, 很重視小數字的正確卻忽略單位是否正確。

其實單位才是物理世界的一切。因為能答出單位是 公里、 公尺、公噸、公斤、牛頓、安培、伏特、安培、焦耳、高斯, 比數字是 107 10.7 還是 0.107 重要多了。

如果「國中」時老師有灌輸正確「單位」觀念,電視播報員就不會再說:「那高壓電高達 10,000 安培」這類可笑錯誤。文科的電視播報員也常常喜歡說:

「颱風風速高達 100 公里」, 或「風速 60 公尺」,其實那是非常非常嚴重的錯誤。正確應該說:「風速每小時 150 公里」或是「風速 150 公里 / 小時」。只差一點嗎?是天地與地之差。就如同問小孩幾歲, 他答說點心很好吃一樣。如果說 :「新竹離台北 150 公里」「汽車時速,每小時 130 公里」就對了。至於是 158 還是 151, 對理解問題本身並不重要。

90% 的黑手級公司老闆或官員常常會信口說:

A 產品產量佔全國出貨量的「百分之 40%」。其實這是極為嚴重的錯誤。西方人算術雖笨,但是絕對不會犯這種錯誤的。我猜他是想表達 A 產品佔全國出貨量的「40%」或 A 產品佔「百分之四十」。 因為精確講 ,他們口中的「百分之 40%」數學上是等於 40/100/100= 40/10000 = 萬分之 40。 數值相差 100 倍

回到 5G。

行動電話技術進入 2018 時,對文科記者及立法委員及諸多麻瓜們,將是一種嚴重虐待。因為我很確定「5 年」內一定會有一個行動電話機型,它是採用「5G」世代的通訊協定,內裝 5GB DRAM 動態記憶體,以及 5GB Flash 不揮發記憶體,它會使用 5GHz 微波頻率來通訊,它的資料傳輸速度是 5Gbps,它的重量是 150g。

這真是驚人的世紀巧合啊!

1. 第五代通訊協議 5th G (5th generation 第 5 代)

2. 五十億個字元 5GB (Byte 拜特)

3. 五十億個位元 5Gb (bit 比特)

4. 五十億次 / 秒 5GHz (Hertz = 赫茲 = cycle/sec = 週 / 秒)

5. 150 公克重 150g (Gram 公克)

註: 以下都是純數字, 沒有單位。

1T =10^12= 1,000,000,000,000

1G =10^9= 1,000,000,000

1M =10^6= 1,000,000

1K =10^3=1000

5th Generation (第五代通訊協議) 怎麼來?

要講 5G 就要從 1G 談起,1G 其實是諡號, 因為當時不知道未來還有 2、3、4、5G, 所以是卒以後才封諡的。

1G:資料速度:無,只有語音,語音流量約當 9.6-64Kbps 的資料

行動電話剛發明時是使用類比技術 AMPS,卒諡第一代, 它的技術與 AM 調幅、FM 調頻廣播及古代無線電對講機一樣, 都是類比調制技術。一個基地台只能供 8 個人同時使用。頻率資源很不經濟。

2G:資料速度:GSM 各代速度不同,為 9.6-384Kbps

世界上有 3 種 2G 技術, 歐洲的 GSM、美國的 CDMA、日本的 NTT。

歐洲人發展出令人驕傲, 認為可以永遠使用的 GSM 技術。將美國的 CDMA 技術完全打倒,日本 NTT 的數位技術雖然很好, 但因怕技術被日本人壟斷所以沒有其他國家採用,

第二代 GSM 技術使 Motorola 眾多專利一夜間變成一文不值。GSM 除了將語音數位化外,同時導入跳頻與分時技術。分時可以讓同一頻寬被 8 或 16 個人分享,跳頻則可以克服複路徑傳輸問題,解決訊噪比間歇劣化的問題。也因而使一個基地台可以同時服務 64/128 台手機。效率比 AMPS 高 8/16 倍,成本低收入高,使全世界營運商因而大賺錢。

3G:資料速度:各代速度不同 64Kbps-21Mbps

使用的是美國 Qualcomm 公司的 WCDMA「寬頻帶散譜」技術,它不但具有所有 GSM 的優點, 還可以用 GSM 的 10 倍速度傳送資料,徹底打倒歐洲人自以為傲, 認為可以使用千秋萬世的 GSM 技術。高速資料流,使手機傳送照片成為主流。也引出 WhatsApp 、LINE 、SKYPE 等新世代通訊軟體。

3G 技術有兩種。

第一種 3G 全世界各國都使用,是美國 Qualcomm 公司的 FD-WCDMA 調制方式。同一個基地台可以處理 256 個手機通話, 實務上視環境約為理論的 70 -- 80%, 比 2G 高 2-3 倍,所以營運成本更低,營運商利潤更高。語音品質規格數學上雖然與 GSM 一樣, 但實際上可靠度稍差,通話常常會卡卡的。所以 3 大公司都會將語音降級至舊的 2G ,新的 3G 只做資料流傳送。而有一家新來的, 它只有 3G 沒有 2G 可降,實務上就很慘。

第二種 3G 是中國廠商「大唐」謊稱自行研發成功,其實那是德國西門子公司 Siemens 在競比技術時落敗的 TDS-CDMA 技術。這種技術全世界只有中國被騙使用。

其實這兩種技術的資料傳送速度都比 2G 的 GSM 快 10 倍,都可自稱為第三代技術。它們都是利用「寬帶散譜」技術, 只是一個靠「FD 分頻」做雙工通話,一個靠「TD 分時」做雙工通話, 數學上採用 FD 或 TD 傳輸量是完全一樣的。實務上經過 1 年在真實環境測試後發現 FD 比較穩定,所以中選。中國是 FD、TD 兩種都各發一張執照,被指定發展 TD 的那一家就很慘, 因為市面上沒有那種 IC ,當然就沒有那種手機, 如果樣樣都要客製化, 會很累。上次分到 GSM 而賺爆的錢都要吐出來。反過來上次分到 CDMA 而很慘的那家,後來因分到 FD-WCDMA 而大賺 3 年。

4G:資料速度:10-1200Mbps

基本上 4G 是使用 LTE 的「CA 載波融合」技術而影響可傳送頻寬,視不同的「CAT. 等級」下載 / 上傳速度可以由 10/5Mbps 逐步升高到 1200/600Mbps。LTE 技術, 上傳時採用 WCDMA 寬頻散譜法, 下載時採用 OFDMA 正交調制法,也就是夭折的 WiMAX 使用的那種技術,它可使資料傳送速度比 3G 快 10 倍,使電影片傳輸蓬勃發展。使人類進入手機分享短片的時代。但是如果想傳送 HDTV 甚至 4K 影片,它的速度就會顯得太慢, 於是人類又開始期待速度更高的 5G 新科技。

任何比 3G 快 10 倍的通訊協定都可以自稱為第四代, LTE 因為不適合語音通訊,而 VoLTE 技術又一直不能順暢運轉,所以現在營運商都是讓客戶用 4G 收發高速資料, 通話時則降級至 3G 甚至 2G。 所以台灣有一家新來的公司,只標到 4G 頻率,卻沒有 3G、2G 頻率,只好要找有 3G 、2G 的公司合作。卻被拒絕,只好與那家只有 3G 的公司合併,可惜原來的 3G 覆蓋就不佳,又沒有 2G 可退, 所以經經營很累。

幸好近幾年 WhatsApp、LINE、SKYPE、Messenger 等通話軟體技術發達。 用 4G 通話已不是問題, 只是電訊商原有的語音、簡訊都已賺不到錢。只能每月收大約 600 元的吃到飽費率。這個金額使其 ARPU 接近營運成本, 獲利可能漸漸減少。所以我預測,在一場 3 年的惡性競爭後 600 元吃到飽一定會被取消。600 元頂多一個月給 4-8GB 流量, 是 4G Byte 哦, 不是 4G BPS 也不是 4G bps, 更不是 4G Byte/s 或 4G bit/s 哦。

5G:資料速度:1000-12000Mbps

任何資料傳送速度比 4G 快 10 倍的通訊技術都可以自稱第五代。由於行動電話的專利都被 Motorola、Nokia、Qualcomm、Broadcomm、Samsung、Faxconn 等公司所壟斷。新進者很痛苦, 研發時發現到處都是地雷, 所以有很多公司都希望趁 4G 碰到瓶頸時, 找出新的調制及通訊協定來避開現有的專利網,找出新的高速通訊方式,就如同當年 GSM 完勝 AMPS,WCDMA 大敗 GSM, LTE 打敗 WCDMA 一樣。希望 5G 也能大敗 LTE。

5G 發展狀況

5G 技術發展海闊天空, 瞬息萬變,每月都有新發展,所以現在 歐洲、美國、中國、日本、韓國、台灣或任何國家都自稱正在研發或測試 5G 通訊中,大家也真的都很努力在做研究, 甚至野外測試中, 但是沒有人知道 5G 的確實技術規格是甚麼。 Release 15 文件其實還不夠全,可能還要開 100 次會議來確認。所以目前為止雖然方向是一致的, 但還不是可以製作手機的規格。

5G 就是要比 4G 快 10 倍。 想要比 4G 速度快 10 倍,先要知道 4G 有多快, 4G 現在市面上的手機極速是 CAT.16 的 1000Mbps 左右,也就是 1Gbps,所以 5G 理論上應該是約 10Gbps 以上。但是 4G 的理論極限是 1.2Gbps 所以 5G 速度應該是 12Gbps,開會時甚至有人認為 5G 應該至少達 20Gbps。

網友 YU-HAN YANG 告訴我,現在各大廠都積極參與 5G 標準會議,有很多細節正在決定中,有哪些可能方案都已經在檯面上討論,應該很快會有草稿出來了,有些技術基本面, 例如編碼方式大家都已同意。所以不完全是混沌狀態。就他所知,Qualcomm、MTK 都已經在設計晶片了,技術細節開獎後只會有小改動,如果將會有大改動,現在設計製造就太不合成本效益。據說 Qualcomm 的做法是, 前兩名入選的方案都同時實作,最後開獎時,不論哪種勝出,都可以馬上上市。

我看到一個雜誌上,有人為此寫文章大膽猜測,5G 的基本規格應該至少包含如下內容:

  1. 延遲:1ms 即 1 毫秒 上傳 10Gbps
  2. 用戶密度:100 萬台 / 平方公里
  3. 使用頻寬 :100MHZ
  4. 移動速度 :0-500KM/h
  5. 耗電 :10ms ?? 每秒發射 10ms 即 1/100 工作週期。
  6. 時差 :4ms latency
  7. 頻譜效率 :上傳 30bit/Hz 下傳 15bit/Hz

看官覺得如何?

名詞解釋

CAT. 16 Catagory 16

第 16 代 CA 技術,下載速度 1Gbps。

CA Carrier Aggregation 載波融合

就是可以將相同或不同頻段的頻寬合併使用。例如 900MHz 有標到 10MHz ,與飛地 5MHz 兩塊,1800MHz 有標到 10MHz 一塊,就可以將 3 個合併為 25MHz 使用,傳送 180Mbps。但前提是基地台與手機都要有足夠 CAT. 等級的 CA 功能,例如都是 CAT.16, CAT.16 是 2017 年 iPhone 8 、IPhone X 及各廠牌旗艦機的主流,理論下載速度可達 1Gbps。

bit (比特)

是位元 ,就是電腦二進位資料是 0 或 1 的最基本狀態。

bps bit per second 每秒傳送位元數

就是每秒傳輸幾個 bit , 例如 128K bps 就是一秒傳送 128,000 個位元。也就是 128Kbit/S。

Byte (拜特)文數字

它是「字元」的意思,代表一個 A-Z 或 0-9 的文數字,一般情況下,每字元 (Byte) 內含 8 個位元 (bit) ,如果有除錯碼時,每字元內含 9 個位元 (bit) 如果有更強大 CRC、LCC 則可能達每 Byte 9-10bit。

BPS Byte per second 每秒傳送文數字數

就是每秒可以傳送多少 Byte 文數字。 一般來說 128K bps 約當 16K BPS,因為 128K bps/8 =16K BPS。

ARPU Average Revenue Per User 平均每人貢獻值

營運上算出來的每人貢獻數, 約等於每人每月繳費數。這數字應大於營運成本 / 總有效用戶數,才能永續經營。

OFDMA

Orthogonal Frequency Division Multiple Access 正交頻分多址調制技術。詳如附 URL

以上文字,觀念也許正確,但是數字是經粗略計算及憑記憶順手捻來,可能不盡正確,看官引用時請自行查證。

網上高手如有發現錯誤請 私下告訴我 ,公開指責礙於面子恕不接受

 

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