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全球5G市場發展趨勢

104-08-24

1. 前言

  2020 年後連網終端將大幅增加達到50億, 加上行動應用驅動頻寬需求, 例如超高畫質影像4K、8K、虛擬實境、3D立體影像顯示等,都將促使2020 年行動數據流量為2010 年的1,000倍。然為了因應5G網路所帶來的挑戰,中日韓歐等國家各自成立下世代行動通訊技術開發聯盟, 以便在國際標準尚未確立前, 搶先掌握開發關鍵技術,並透過建立自有的5G技術,保護該國或廠商在5G市場所帶來的商業利益。

  關於國際標準組織對於5G的規劃時程,ITU-R ( International Telecommunication UnitRadiocommunication Sector;國際電信聯盟無線通訊小組)下的「IMT for 2020 And Beyond」Working Party (WP)已在2015年進入5G需求檢討, 預計2017年起開始標準制訂工作,2019年起進行標準優化,並以2020年進入5G商用系統佈建為目標。

  3GPP( 3rd Generation Partnership Project)則計畫於2015年下半年進行5G範疇與需求設定討論, 2016年中到2018年中進行技術評估,2018年中後到2020年討論5G技術標準,以達2020年5G網路商用化的目標, 2022-2023年5G網路開始大量建置的需求。

2. 5G願景與應用情境

2.1 5G願景

  自2013年起,各組織角力5G行動通訊網路目標設定,為了達到5G的應用情境,5G必須提供高傳輸速率, 目前南韓5G Forum、日本ARIB、中國大陸IMT-2020、歐盟METIS等組織強調每個用戶的體驗傳輸速率可以達到1-10Gbps,以因應影像技術不斷演進的需求。

  為了讓使用者能夠有很好的服務體驗,則需要提供低延遲性, 強調5G需要在1ms以下,讓使用者在進行服務時不會有延遲的感受。為了延長和穩定5G服務,則強調能源效率必須持續提高, 其中METIS提出了能源使用量需比現在降低10%以上。另外, 各組織也強調連結密度和流量密度的重要性, 讓每個基地台和區域都可以確保一定數量的終端可以連接上行動通訊網路。

  2015年初,ITU-R已先提出一版5G願景,包括高峰傳輸速率達20Gbps、使用者體驗速率100-1,000Mbps、頻譜效率達2倍/3倍/5倍、移動性達每小時500公里、延遲性為1ms、連接密度為每平方公里達10萬個終端、網路能源效率增加100 倍、區域傳輸容量為每平方公尺10Mbps , 此八大指標都以增進IMT-Advanced為主。

表1 IMT-2020願景

表1 IMT-2020願景

2.2 5G應用情境

  5G願景雖然有八大指標需求,但可歸納為三大主要應用情境需求: 高傳輸量、大連結、超低延遲&超高可靠。


(1) 超高傳輸量

  • 超高畫質影像、超即時性應用,需要更高的傳輸速度,至少需要12Mbps才會順暢
  • 3D需要大於12Mbps 的傳輸速率、UHD(Ultra High Definition)需要大於32Mbps 、虛擬實境( Virtual Reality)需要大於80Mbps、立體影像(Hologram)需要120Mbps

(2) 大連結
  • 物聯網需處理大量數據資料,並講求穩定性
  • 災害救援為物聯網的重點應用之一, 其強調網路隨時準備好、高穩定性, 並降低感測器成本和提供普及型基礎建設
(3) 超低延遲&超高可靠
  • 車聯網因為移動性的需求, 將為5G應用情境中最早實現的一個服務,並朝向無人駕駛發展
  • 車聯網必須整合連接網路、滿足高移動性、降低延遲性、超低價的感測器、建構基礎建設, 並確保車子與車子、車子與終端、車子與基礎建設間的連結, 朝安全、節能駕駛發展

2.3 5G應用服務

  5G潛在應用服務發展方向上,強調即時、大量、同地點、多人的資料傳輸,目前5G鎖定的應用服務包括智慧聯網汽車、智慧醫療、智慧教育、緊急疏散服務、遊戲服務、智慧家庭/居家安全, 其中智慧聯網汽車、智慧醫療、智慧教育、緊急疏散皆需要建構基礎建設、普及低價的終端,此與社會福利有極大的相關性,推估政府將在5G應用服務下扮演重要的主導角色,也代表著5G為先進國家未來社會發展與產業競爭的核心。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。例如透過在救護車上的相關檢測及影像傳輸系統的布建,在繁忙的車陣中, 可以透過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,例如透過虛擬實境、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, 彷彿身處在現場一樣;或是老師以遠距離教學時,結合立體影像讓學生感覺老師就在現場教學一樣,對話、互動都和真實的環境一樣。在緊急救援方面,將確保每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。

3. 領導營運商5G技術需求重點

3.1 SK Telecom

  南韓將於2018年平昌冬季奧運上展示5G實驗網路,促使該國業者積極布局5G網路,其中SK Telecom目標成為全球第一個提供5G商用網路的營運商。

  SK Telecom目前5G開發重點放在下世代Small cells、超寬頻(Ultra wideband)、低延遲(小於1ms的數據傳輸)、FDD/TDD整合、以Gigabyte速度傳輸數據等,此皆為演進至5G網路的必要關鍵。

  SK Telecom提出了super cell概念,主要是利用大型基地台的資源、small cell、新的頻段來組成,分別從Smart(藉由控制和數據分割來強化移動性/容量)、Unified(異質網路結合雲端架構)、Performance Optimized( 動態的干擾協調和管理)、Energy Efficient( 綠色架構、節省能源)、Reconfigurable(結合SON來改變網路操作模式)六大要素來進行,以達到100倍的容量和10倍的成本降低。

  在RAN(Radio Access Network)架構的演進上,SKT將從傳統的架構演進到SCAN(Smart Cloud Access Network),透過分離DU/RU(基頻/設頻),然後將DU集中化處理, 並藉由即時的雲端操作讓基地台虛擬化, 這樣就可以讓資源管理更有效率、且網路更加的彈性;接著再進一步演進到Service-Aware RAN,結合通訊和資訊技術, 此將可以應用在區域廣告、虛擬實境、遊戲、預先傳送內容等服務上。

3.2 NTT DoCoMo

  NTT DoCoMo計畫於2020年東京奧運上展示5G網路,故正積極與各家設備業者合作。目前NTT DoCoMo提出了幾個5G技術重點,包括Phantom cell、Flexible duplex、Massive MIMO、NOMA(Non-Orthogonal Multiple Access)等。在Phantom Cell 技術開發上, 強調MacroCell以低頻訊號高覆蓋範圍, 傳送控制訊號於Small Cell之間, 而Small Cell則以高頻訊號傳送使用者訊號, 現階段高頻訊號的頻率範圍仍在探討中,包括採用10GHz 以上的高頻段也在考慮範圍中。

  在Massive MIMO的開發上,NTT DoCoMo設計Small Cell可搭載10x10的天線,相當於100個天線元件, 利用高精準度的beamforming 及beam scanning技術,將訊號傳遞給使用者,除了提高覆蓋範圍之外,更可改善頻譜使用效率。NTT DoCoMo提出了結合Phantom Cell和Massive MIMO在一起,其認為Small cell在高頻段上,Massive MIMO是非常必要的,因為這樣才可以提高Small cell的覆蓋率,並提供密集地區較高的傳輸速率。

3.3 中國移動

  中國移動的5G網路必須符合高效、高速、智慧三大特點, 以滿足未來十年高速成長的數據流量、用戶對於光纖速度的需求、零延遲的使用經驗、千億台設備的連線。在時間點規畫上, 中國移動將在2015年前研究5G網路的需求、系統架構、關鍵技術,2016-2018年投入標準制定,2018年後投入實驗網路建置。中國移動5G技術開發重點放在Green 和Soft兩大概念上,其中Green強調降低耗能(如在北京周邊建置第一個新型綠色環保基地台,支援3G/4G雙模。該基地台擺脫過去對傳統電力的依賴,將風、光能源與氫燃料電池相結合,實現自然能源自循環、零排放) 、提高網路效率( 從基礎理論出發, 結合實際網路, 建立統一架構的網路)。

  Soft則是以C-RAN為主, 結合集中化的基頻處理、高速的光傳輸網絡和分布式的遠端無線模組, 形成綠色、集中化處理、協作化無線電、雲計算化的無線接入網構架。透過C-RAN,網路將可支援10~1,000 cells、多個cell可同時排序與處理、整合處理資源到雲端,且與3G網路建置成本相比, 可節省15%的CAPEX和50%的OPE,佈建時間也可以節省1/3,與傳統的RAN System相比可節省71%的能源耗用。

4. 5G市場規模

4.1 5G市場潛在用戶

  2015年全球行動電話用戶為72.5億, 其中行動寬頻用戶約為28.6億(約占39%),市場滲透度仍有非常大的成長空間。另外, 觀察2011-2020 年的行動電話和行動寬頻用戶差距, 兩者之間平均每年約有40億的差距,顯示行動寬頻用戶市場具龐大成長潛力, 預估2020年全球行動寬頻用戶將可達到58 億戶,2011-2020年複合成長率高達17%。在行動寬頻用戶中涵蓋3G、4G,其中又以4G用戶為最快轉換到5G網路的潛在族群。

圖1 全球行動寬頻用戶數變化

圖1 全球行動寬頻用戶數變化

4.2 5G潛在設備市場規模

  在5G時代下,智慧型手機、平板電腦、感測器、通訊模組、大小型基地台皆為主要產品,分別扮演著資料傳輸與接收的角色。由於智慧行動裝置的普及, 未來用戶在使用服務時,推估仍會以智慧型手機和平板電腦為主要載具,以目前市場對於智慧行動裝置的需求進行預估,2020年第一波5G智慧行動裝置將來自於4G的轉換, 智慧型手機的市場規模約為113億美元,平板電腦則為8.6億美元。在基地台部分,目前4G網路架構下,巨型基地台(Macro Cell) 仍為主要基地台建置類型,以強調提高行動數據網路速度為主;在5G網路架構下, 由於巨型基地台都已建置得差不多, 此時強調的是提供每位用戶、終端都可以有高速且穩定的網路連結,以國際重要業者的布局規畫, 小型基地台將廣泛應用在各個場域中,成為5G時代下的重點潛在產品。

  在3GPP 標準制定中, 小型基地台自Release 8開始納入標準討論,其中主要以cell( 基地台)之間的干擾問題為討論議題重點;Release 9強調各區域(local area)、家用的網路布建如何導入新基地台;Release 10討論Macro cells 與小型基地台之間HetNet(Heterogeneous Network) 網路干擾問題,以有效進行巨型基地台Macro cells、小型基地台之間的訊號配置;Release 12的討論重點則在小型基地台的最佳化、訊號強化,以及密集地區如何建置小型基地台,由於各時程皆有針對小型基地台進行標準制訂定,顯現出小型基地台為5G行動通訊產業中重點產品,預估2020年5GSmall Cell將達到12億美元,2030年成長至63億美元。

  以物聯網的需求來看,目前以車聯網發展相對較快, 其中美國兩大營運商VerizonWireless 和AT&T自2014年起開始切入車聯網市場,從一開始鎖定車商如GM、BMW、Honda、Toyota、Audi、Volvo等合作,到後來延伸到車用後裝市場, 打破了先前要購買新車才能享有車聯網服務的模式,而此也直接擴大了車聯網的市場規模。

  由於車聯網服務是藉由行動通訊接取模組來提供, 然在車聯網市場從前裝市場擴大到後裝市場下, 此將有助於提升整體行動通訊接取模組的出貨量, 預估2020年市場規模可達22億美元,2030年達370億美元。

圖2 5G設備市場規模預估

圖2 5G設備市場規模預估

5. 結論

  行動通訊網路要滿足5G的應用情境將有三大發展重點, 分別為網路覆蓋率的提升、更高的傳輸速率、容量的增加,而為了滿足此三大目標,5G技術以朝向大頻寬、大連結、高傳輸、高容量、低延遲、低功耗等六大需求目標發展。

  為了提高5G傳輸速度、容量、覆蓋率等,天線技術成為各大業者達成5G目標的必備要素,目前NTT DoCoMo、SK Telecom都著重在多天線技術的開發,並應用在small cell,或是應用在高頻段下的訊號傳輸範圍提升上。另外,5G網路架構將轉為基頻集中化處理,以降低建置成本,同時結合雲端處理技術,讓網路架構做有效的配置,包括控制各個small cell,且帶有網路虛擬化的概念。

  在5G市場規模上,第一波主要5G用戶將由4G用戶轉換而來,分布國家將集中在美國、日本、南韓、歐洲先進國家。而在5G設備市場上,智慧型手機仍將為最具規模的產品,但以複合成長率來看,車聯網中的通訊模組最具成長力道。

參考文獻

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  2. IMT Vision towards 2020 and Beyonds[online].64 ICTAvailable:http://www.itu.int/dms_pub/itu-r/oth/0a/06/R0A0600005D0001PDFE.pdf
  3. Mobile and wireless communications Enablers for the 2020 Information Society[online].Available:https://www.metis2020.com/wp-content/uploads/deliverables/METIS_project_presentation_public.pdf
  4. The LTE, LTE-Advanced & 5G Ecosystem:2014-2020, SNS Research, 2014
  5. Views on IMT beyond 2020 [online].Available:http://www.itu.int/dms_pub/itu-r/oth/0a/06/R0A0600005E0001PDFE.pdf

作者簡介

陳梅鈴

現任工研院產業經濟與趨勢研究中心(IEK) 通訊系統研究部產業分析師。具有通訊產業分析六年以上之經驗。在工研院IEK任職期間,曾經負責寬頻接取設備上下游產業、無線寬頻產品與行動通訊服務、總體通訊產業趨勢等研究,目前研究重心放在B4G、5G、small cell領域。