從用戶體驗而言，5G 能為我們帶來：

	10 倍峰值資料速率（20 Gbps）
	10 倍延遲降低（1ms）
	給定區域內擁有 100 倍的連接設備

從具體實施上來講，5G 意味著：

	網路能耗降低 90%
	物聯網設備電池壽命為 10 年
	覆蓋率達 100%，可靠性達 99.999%
	給定區域的 1000 倍可用頻寬

在此說明的是，像 5G 這樣全新的一代之所以誕生，只有一個原因——針對無線電領域真正有限的資源無線電頻譜，使用更強大的矽片使其更有效地加以利用。5G 也不例外，其使用可控波束和更複雜的編碼方案，能達到每字元 16 bits。

5G 的全新架構

5G 包含兩種特徵截然不同的網路技術。事實上有三種波段 : 低頻、中頻和毫米波。但是低頻和中頻通常被分為一組，即 sub6GHz 或 <6GHz。低頻包括從 4G 和 3G 到 5G 的舊頻譜，當產生演進時，這些頻譜得以重新利用。中頻是新頻譜，頻率最高是 6GHz。事實上，頻率越低而價值越高；因為傳輸距離更長，傳輸效果更好。但整個頻率範圍都需要相同的基本無線電技術。和 4G 一樣，sub6GHz 可透過對塔架和建築重複利用來進行處理，只是需要新的電子設備。

毫米波頻率並非僅僅稍高一點，其頻率甚至超過 24GHz。然而毫米波頻率極高既有優點，也有缺點。優點在於毫米波有很大的頻寬。例如，4G 資料的頻寬是從 1.7 到 2.1GHz，所以頻寬是 0.4GHz；而 5G 毫米波的頻寬是 24.5GHz 到 28.35GHz，所以頻寬接近 4GHz，容量是 4G 的 10 倍。

但缺點在於，毫米波實在太容易受到影響而產生衰減。對毫米波產生影響的事物很多，其中尤以建築物和人手為甚——即毫米波無法在建築物外給建築物內部提供服務。在設計手機時，因為手持方式，還要耗去不少天線。不僅如此，空氣（實際上是氧氣）對毫米波產生的衰減作用也非常大，以至於毫米波的傳播範圍受限於 200-300 米（約 700-1000ft）。

所以，每隔 200m 左右就需要修建基站小型基地台。在鄉村裡，根本不會有毫米波供應。在城市裡，每盞路燈或每棟建築上都需要有小型基地台。顯然，在每個無線電頭底部安裝基帶的 4G 架構是行不通的。因此，要實現技術，只能透過 C-RAN，即 Cloud Radio Access Network （基於雲計算的無線接入網構架）。C-RAN 的基本思想在於，在接入口盡可能少進行處理(因為接入口過多)，而在共用基帶單元中盡可能多進行處理，這樣就不需要在每個路燈頂部重複處理。上述操作與常規計算雲資料中心的理念非常相似。每個小型基地台都通過光纖連接到基帶。基帶在許多小型基地台共用，提供極低的延遲和一定程度的邊緣計算（或稱之為霧（fog），因為它既非邊緣也非雲端）。它連接到互聯網骨幹的方式和 4G 相同，不過更加現代化，與光纖更為相似。

「固定無線」可以用來取代到達家庭用戶的最後 1.6 公里銅纜，只要將一處小型基地台放在一組建築物附近就能實現這一點，相當於在建築物外面放一部手機（因為毫米波無法穿透建築物）。實際上，上述技術比手機還簡單，因為它不移動，也不需要在基站之間切換。

在大型建築比如辦公室或會議中心裡，網路服務提供商預計會使用大量小型基站（femtocell），這些小型基地台的體積甚至更小（可以自行配置，因此安裝並不複雜——可能將在燈具中安裝）。

5G 和 4G 之間另一個很大的區別（特別是在毫米波頻段）在於，手機和基站都需要控制波束，將所有的無線電能量導向正確的方向，而不是將這些能量簡單地向各個方向擴散，也不是將大部分能量浪費在與所需方向相反的方向。上述操作超出了 4G 多個天線的需求，即多出多入技術（MIMO），轉向可控相位陣列天線。具體而言，波束成形技術（Beamforming）比想像中更為複雜，因其也想利用反射，所以甚至手機也可能跟蹤多個波束。當然，小型基地台基站(在燈杆上)可能同時跟蹤數百個用戶，每個用戶都有多條無線電路徑。

由此可見，幾代人都在利用大量的電腦能力來對功率和頻寬進行更有效的利用。

綜上所述， 5G 網路將如下圖所示：

	現有的天線提供 4G 和 5G 服務（隨著手機市場的轉型，逐漸從 4G+5G 服務向 5G 服務發展）
	建築物內將需要許多新的小型基站接入（毫米波不會穿透牆壁，而 <6GHz 容量不足）
	無線電能量必須集中成波束。
	波束是透過由小天線組成的大陣列實現的。
	新型毫米波接入口更深嵌入城市環境中（每隔 200m 嵌入，每根燈杆也是相隔 200m）
	下載速度高達 20Gbps，上傳速度可能會慢一些。
	採用基帶和無線接入端之間延遲較低的光學前端。
	C-RAN 在許多無線接入端上共用基帶來提高性能。
	邊緣計算可實現大規模人工智慧（AI），延遲比直達雲計算資料中心更低。

5G 面臨的挑戰

雖然網路供應商希望建築物配備大量小型基站。但是，我們最後一次在家、辦公室或在商場使用手機資料是什麼時候？大部分時間我們都在使用無線網路（Wi-Fi）。據估計，70% 的下載是透過無線網路而不是透過高速資料網路實現的。當然，有些設備目前仍然採用有線連接。例如，電視機上盒是透過連接線連接到路由器的。

因此可能在建築內部發生衝突。網路提供商希望我們使用他們的網路，以此從中牟利。另一方面我們會更傾向於連接使用無線網路，至少肯定在自己家中和工作的地方會有無限網路。如果我在自己的客廳裡安裝一處小型基站，還向電信公司繳納使用費，這實在是無法想像。會議中心的問題可能更大，因為他們並不提供免費的無線網路。即使對於與會者來說無線網路似乎是免費的，但通常，一家參加會議的大公司會「贊助」無線網路（即支付其開銷）。

另一個潛在的衝突在於建築物的有線接入網。5G 可以用於固定無線網路，不需挖掘地面就能提供最後 1.6 公里的互聯網服務（其實是最後 300m，毫米波傳輸不到一公里）。但是即使地面已經挖好了，有線接入網還是有可能被超越。現存電視電纜有可能淪為價值有限的閒置資產，就像許多固定電話被手機超越一樣。一旦新住宅開發專案不再在施工期間安裝固定電話，這個時代就將終結。

談及電視電纜，可能讓人想起有線電視首次安裝時的爭鬥，當時，擁有有線電視，就擁有使用電線杆發電或使用固定電話的權利。任何市政當局都不想再安裝一套電線杆。在現存電線杆和路燈燈杆上安裝 5G 也可能發生類似的情況。重要問題在於，各網路運營商是否在每個燈杆上都需要安裝公司的無線接入端？無線接入端是否會共用？無論結果如何，都有可能導致毫米波的安裝速度降低。

近兩年市場上出現很多關於 5G 的炒作，但是炒作和現實之間存在巨大差距，毫米波的諸多優點將被視作 5G 的優勢，但炒作不會提及毫米波無法穿牆而過、剛開始也無法廣泛安裝等缺點，所以大部分優點都無關緊要。在行銷宣傳中承諾的顯眼資料，相比使用手機時實際得到的效果而言，會有天壤之別。

在全球行動通訊系統（GSM）推出時，我也曾見識可信度出現類似鴻溝。全球行動通訊系統在宣傳上並非說明更好地利用頻譜來降低價格，而是說明其具有「數位品質」，就像從黑膠唱片（LP）到雷射光碟（CD）的轉變一樣。人們發現黑膠唱片的品質與雷射光碟相比相差甚遠，並且經常會毫無預警地退出，這個問題在早期尤其嚴重，令人們相當不滿意。

結論

	5G 是技術領域所見過的最引人注目的技術之一
	全球各國政府、各個城市都將 5G 視為取得未來數位經濟成功的必要基礎設施
	4G 頻寬不足：長期來看，除了毫米波，別無選擇
	毫米波與前幾代不同，它是一種全新的電信架構，將需要更多的時間來構建
	5G 和用戶不能僅僅依靠毫米波，標準覆蓋多個頻率，從而既能實現覆蓋，又能具備性能
	人工智慧（AI）可能會及時問世，從而克服毫米波的局限性
	透過高速 5G 基礎設施，大規模人工智慧的使用隨時都有可能實現
	5G 速度更快，更容易支援更輕便的用戶端
	在西方國家，毫米波在後勤保障和技術方面都受到阻礙
	室內連接方面 5G 將面對 Wi-Fi 6 的挑戰

延伸閱讀

	5G 系統的 PCB 材料和設計要求
	射頻電路：PCB 設計要點指南
	實用筆記 ｜ 高速 PCB Layout 設計指南
	實用筆記 ｜ 如何保持多板 PCB 系統的連通性

原文出處

	What Is 5G? (本文節選、改編自 Cadence Breakfast Bytes 專欄作家 Paul McLellan文章)