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趨勢觀點

從 5G 跨入 6G 之挑戰

工業技術研究院   資訊與通訊研究所   鄭聖慶技術總監、蔡華龍經理


5G逐漸實現與普及,緊接著6G也已蓄勢待發,6G通信技術相關專利年申請量大幅增加。

5G 逐漸實現與普及

 

科技進步改變了人類生活型態,許多應用層面如醫療、交通、娛樂、製造工業,均因新科技演進帶來不同需求的互動。在無線通信方面,從第一代(1G)的電話行動化發展至第四代(4G)的行動影音服務,讓手機從單純的通話設備,演變成具備多項功能的智慧型手持裝置,已深深影響每一個人的生活習慣與運作。

第五代移動通信世代(5G)於2020年正式進入商用運轉階段,具備高傳輸速度、低延遲、高密度使用者同時連線等特性,即時性、大量、同地點、巨量資料傳輸,將有助於 5G 應用服務拓展,5G 應用服務包括蜂巢式車聯網、智慧醫療、智慧教育、遊戲服務、智慧家庭/居家安全。

5G 的優勢除了傳輸速度與傳輸影像品質皆有明顯提升外,還提供了快速移動情境中的穩定傳輸優勢,此將促使5G應用服務更為普及與廣泛。例如在救護車上的相關檢測及影像傳輸系統的布建,可以在繁忙的車陣中,透過5G影像傳輸及視訊會議的方式與當地醫療院所溝通,提供病患更即時的治療,增加存活率,此即為結合交通與醫療的應用。在智慧教育方面,將透過各種影像讓學生和民眾可以無時無刻的學習,例如運用虛擬實境、立體影像等技術詮釋歷史故事,讓使用者可以有非常真實的體驗,彷彿身歷其境;或是老師以遠距離教學時,結合立體影像,讓對話、互動都如同真實的環境,學生感覺老師就在現場教學。在緊急救援方面,將確保各個場域的感測器都能以最節能方式保持即時的連線,一旦感測器所蒐集的資料,回傳到雲端資料庫進行分析後,預測或發現有緊急事故發生時,便可以快速回報相關單位(如保全、警察局、消防局、醫院等)進行處理,達到避免或降低事故的發生率和傷害程度,相關加值創新應用,已成為各國競相發展的重點。


圖1 5G 智慧生活應用情境(資料來源:科技部2018年10月)

  

從商業普及角度來觀察,截至2020年Q4,已經有38個國家完成5G頻譜的分配。在用戶方面,全球的 5G 用戶也達到近四億人,其中以中國超過三億人為最多、美國則有1,500萬、南韓有1,300萬,而台灣截至2022年1月,電信三雄的 5G 用戶,合計已正式跨越400萬門檻,加計台灣之星及亞太電信估已超過460萬, 5G 用戶成長率將超過15%。在商用的終端方面,仍以 5G 手機為最大宗終端裝置,5G 終端產品超過700款,其中一半為智慧型手機,其他還包含無人機、相機、機器人、電視、相機、工業路由器等終端裝置。

雖然 5G 已經開始商業運轉跟實際應用,但是 5G 技術真的如同之前規劃一樣符合具備高傳輸速度、低延遲、高密度使用者同時連線等特性嗎?截至目前為止大部分 5G 產品都只支援到 3GPP Rel. 15規格,許多如Rel.16/17低延遲、高密度使用者等強化技術並未應用到實際商業運作上,因此 5G 要完整支援到低延遲、高密度使用者等功能及商業運轉還需要時間去實現及普及。

 

更多 5G 應用待開發

 

5G 的初衷是針對 eMBB(增強型行動寬頻)、uRLLC(超可靠低延遲通信)和 mMTC(巨量多機器型態通訊)等三大服務與應用所開發,目前eMBB已實現並應用於大眾消費性市場如 5G 手機,但是相關 uRLLC、 mMTC應用場景並未如預期大量商業普及化,如何創造商業價值,都還在摸索階段。同時 5G 有幾個潛在問題:

1. 現階段 5G 網路主要提供 eMBB(增強型行動寬頻),主要用於資料傳輸速度,但是其他如 uRLLC、 mMTC應用場景流量並未真正普及。

2. 截至今日尚未看到殺手級的應用,真正的沉浸式 eMBB 應用如(VR)並未大量普及商業化,關鍵在於,好用實用的終端如智慧眼鏡,和有趣的沉浸式內容待拓增。

3. 5G 終端裝置功率消耗過高,一些公開資料顯示,單純使用 5G 核心網協同工作的獨立組網(standalone,簡稱SA)耗電量將倍數成長,如以 5G 獨立組網(SA)為主要架構,可能需要增建電廠來因應5G耗電量需求,因此現今許多國際電信商建議儘量使用非獨立組網模式(NSA)或是 4G 網路來節省 5G 網路用電量。

因此除了殺手級應用出現,功率消耗問題也需要解決,這才有辦法讓 5G 可以快速且大量普及。

 


圖2 MWC-2022 5G 應用展示,綠框為沉浸式 VR 應用(資料來源:MWC-2022,2022年3月)

6G 國際標準待布局

 

制定 6G 技術標準等的國際性舉措尚未啟動,據估計將從2024年前後正式開始。
從技術背景角度來看,6G 容量將是 5G 的100倍,每平方公里將能夠支持1,000萬台設備;信號將在地表上方延伸一萬米,實現 3D 覆蓋範圍從天空、太空和水下,而且將允許智慧感測、定位、邊緣計算和高清成像等應用。在頻譜上, 6G 使用更高的頻率以最大限度提高容量增益,而頻段上可分為1THz和sub-THz兩類別。

 


圖3 未來10年6G技術推展預估(資料來源:3GPP,2019年11月)

 

從 6G 國際標準技術布局來看,可以分為四大關鍵技術,分別是太赫茲技術、陸海空一體化 3D 聯網、確定性網路和基於 AI 的無線接取技術等四大關鍵技術專利。統計近20年全球 6G 通信技術領域專利申請總量為3.8萬餘項,特別在2011年之後,6G 通信技術相關專利年申請量大幅增加。其中,中國專利申請占比35%(1.3萬餘項)位居全球首位,尤其從2009年之後,專利申請量開始迅速增加,明顯超過美國、歐洲、日本和韓國等國家和地區。而美國、歐洲、日本的專利申請保持平穩。

 

表1 全球 6G 通信技術領域專利布局(資料來源:Spencer Sevil1a)


6G 應用與需求

 

6G 在 5G 基礎上,將從 eMBB(增強型行動寬頻)、 uRLLC(超可靠低延遲通信)和 mMTC(巨量多機器型態通訊)等三大服務與應用,進一步拓展到支撐高效能、高密度、廣域覆蓋之無線網路,目標是實現高智慧萬物聯網美好願景。

未來 6G 應用將呈現出沉浸化、智慧化、廣域覆蓋等新發展趨勢,形成的元宇宙應用、感官互聯、人工智慧、數位雙生、全域覆蓋等應用服務為我們描繪了未來豐富多彩的社會生活場景。

其中,元宇宙的感官互聯等沉浸化服務應用不僅可以為用戶帶來更加身臨其境的極致體驗,滿足人類多重感官、情感和意識層面的交互需求,還可以廣泛應用於娛樂生活、醫療健康、工業生產等領域,助長及加各行各業數位化。

人工智慧、數位雙生等智慧化服務應用借助感知、人工智慧等能力,在進一步提升 6G 通信系統性能的同時,還將助力完成物理世界的數字化,推動人類進入虛擬化的數位雙生世界。

全域覆蓋業務借助 6G 所構建的全球無縫覆蓋的空天地一體化網路,將提供更加普遍及廣域的服務能力,將有效幫助人類除了地面通訊方便性,同時也可拓展至以往欠缺天空、海洋等沒有通訊覆蓋的地區。 觀察 6G 應用及需求,我們可以列出 6G 潛在關鍵技術方向,包括具備人工智慧無線擷取網路和新型網路架構,多維度無線傳輸技術等新型無線技術,分散式網路架構、人工智慧網路、地空海三維度融合組網等新型網路技術。要如何實現還需要集合更多專家學者研究及時間,最好演進可基於 6G 應用需求及過往通訊技術基礎來發展。

 

從通信技術演進推敲 6G 技術新需求

 

3G 常見的裝置是手機,提供電子郵件及瀏覽網頁的功能, 4G 最多的裝置也還是手機,透過 MIMO 技術、載波聚合及利用 Unlicensed Spectrum(未授權頻譜)大幅提升資料傳輸率,滿足行動影音的應用與服務, 5G 目前最多的應用也是手機,導入更高階的 MIMO 技術及拓展到毫米波頻段,但是未來的應用與服務仍是未知數。

尋著這樣的路徑,可以猜測6G的終端裝置除了手機以外,或許有新的形態產生,它的資料傳輸率平均值可達1Gbps,峰值1Tbps,頻段可能往sub THz發展,總頻寬可達100GHz以上。可能的應用如元宇宙,或是充分結合人工智慧技術帶來更好的使用者體驗,甚或結合衛星通訊與蜂巢式網路的廣域覆蓋服務。同時 6G 有幾個潛在問題是需要探討。

1. 微秒級低遲延(Micro-Second Level Latency):速度確實是 5G 較「有感」的優點。現在的 4G LTE網路提供平均10-20 Mb/s的連線速度,同樣下載一部兩小時左右的電影, 4G在理想狀態下得花六分鐘時間, 5G 僅需3.6秒就能完成任務。雖然5G理論速度能比 4G 快上100倍,但相較之下,電信業者看法仍略顯保守。如中國移動表示, 5G 網路速度約是4G的11.2倍,但是延遲速度取決於運算能力與速度,未來 6G 如果需要大幅降低延遲,運算能力及速度就必須大幅提升,因此是否需要新型態網路處理器架構或是新型態運算處理架構,將值得我們探討。

2. 異質性大規模網路的導入: 6G 服務應用非常多元,各種應用服務依其通訊時間、地點、移動速率、品質與傳輸速率需求也不同,需思考要如何提供使用者最符合經濟效益、無所不在、無處不連的寬頻無線多媒體網際網路服務。建構此無線接取技術的做法是設計全能、具高頻譜效率且在各種傳播環境皆能有效運作的接取系統(含微、小、大、巨細胞及低、高移動速率傳播環境)。使用者只要依其所需的傳輸速率、品質與希望價格提出要求,此全能、高頻譜效率接取系統將可依其要求,利用最有效的無線資源管理方式提供最平價的所需服務

3. 端到端的功耗優化,先前提到 5G 終端裝置功率消耗過高,單純使用 5G 核心網協同工作的獨立組網(standalone,簡稱SA)耗電量將倍數成長,終端裝置的功耗優化已在 3GPP 廣泛討論,若干技術標準也已制定,終端裝置與網路端的共同功耗優化將會是 6G 急需克服之重要議題。

 

Always-on always-connected 的 6G

 

未來 6G 將朝高智慧萬物聯網的情境發展,元宇宙、工業自動化、自駕車等應用,皆需要一個幾乎無死角的全覆蓋網路,終端和基礎建設都將保持隨時啟用、隨時保持連線(always-on,always-connected)的狀態。因此如何利用低中高全頻譜資源將是 6G 發展的戰略性資源, 6G 將基於 5G技術延伸與衛星結合,未來的 6G 網路仍將以地面蜂窩網路為基礎,衛星、無人機、空中平台等多種非地面通信在實現空天地一體化無縫覆蓋方面發揮重要作用。