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5G通讯根本连规格都还没定案!漫谈报导中的迷思与技术发展史


2020-06-05


5G通讯根本连规格都还没定案!漫谈报导中的迷思与技术发展史
A visitors walks past a 5G sign during Mobile World Congress in Barcelona, Spain, February 28, 2017. REUTERS/Eric Gaillard - RC1FED28BDE0
谣言农场里说的 5G 到底是啥?

网路「谣言农场」充满故作耸动的新闻,有些单纯是为了赚稿费, 有些则是有经济甚至政治目的。 例如有一篇文章说:某强国的 5G 技术已经在测试中,技术领先世界。这些说法也许正确,但很可笑,可笑程度如同某国说要领先载人登陆火星一样。

因为 5G 并不是一个规格或一种协议。 而是泛指任何传送速度比 4G 快 10 倍的技术。任何人做研究或提建议都是可以的。但是要等确定规格后做出 IC,然后才能做成手机。所以正在测试中与已经商业化,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 的速度是有史以来最扑朔迷离的,因为它具有可以无限扩展的特性。它的最高速尚未确定。

4G 用 OFDMA 调制法,每 1MHz 频宽约可以毛传送 9Mbps,净传送 7.2Mbps ,如果採用载波融合 CA 技术的话,只要凑满 25MHz 频宽,下载速度就可以达 180Mbps 。 所以如果给它 50MHz 频宽,就可以传 360Mbps。但是如果给它无限频宽,由于 CAT.8 技术的限制,极限速度是下载 1200 Mbps 上载 600Mbps,但是实务上旗舰机使用的晶片 iPhone 6 是 CAT.6 300Mbit/s, iPhone 7 是 CAT.12 600Mbit/s,iPhone 8 及 iPhone X 如果用 Qualcomm 晶片的话,则已经到 CAT.16 1000Mbit/s。而且据读友 ChunHao Hua 提供, Qualcomm 公司也已经在做下一代 CAT.20 晶片备用了。

既然 4G 已达 1Gbit/s,那未来的 5G 理论上它的下载速度应该至少要达 10,000Mbps 以上。也就是 10Gbps,才能号称有 10 倍快。天啊,Gbps 都出来了!而且 4G 还越来越快。将来如果 CAT.20 晶片量产成功,4G 速度会升至比 2Gbps 或更高吗?那 5G 岂不是要达 20Gbps 才能算是 10 倍快,也就是约 3 秒就可以可以传一张 HD 电影了。

好笑的是,当年研发 4G 即第 4 代 LTE 的那群人很自大, 自称 LTE 是终极技术。 因为 LTE 是 Long term Evolution 的缩写。 意思是「子孙万代代香火永流传」因为它是积木式结构, 速度及功能可以永远叠加发展下去。

单位正确很重要

要讲清楚 5G 是啥前,先来谈谈「物理单位」的重要性。

我与另一位诺贝尔奖得主都主张, 学生考试时只要答案的「单位」对, 就给 90% 分数, 至于数字是否算对只佔 10% 分数。数字在同一个数量级内都是算对, 例如如果精确答案是 47.3 的话,那些答 31、35、50 都一样是对的。 这是高加索白种人的普世见解, 但是蒙古族亚洲人则相反, 很重视小数字的正确却忽略单位是否正确。

其实单位才是物理世界的一切。因为能答出单位是 公里、 公尺、公吨、公斤、牛顿、安培、伏特、安培、焦耳、高斯, 比数字是 107 10.7 还是 0.107 重要多了。

如果「国中」时老师有灌输正确「单位」观念,电视播报员就不会再说:「那高压电高达 10,000 安培」这类可笑错误。文科的电视播报员也常常喜欢说:

90% 的黑手级公司老闆或官员常常会信口说:

行动电话技术进入 2018 时,对文科记者及立法委员及诸多麻瓜们,将是一种严重虐待。因为我很确定「5 年」内一定会有一个行动电话机型,它是採用「5G」世代的通讯协定,内装 5GB DRAM 动态记忆体,以及 5GB Flash 不挥发记忆体,它会使用 5GHz 微波频率来通讯,它的资料传输速度是 5Gbps,它的重量是 150g。

这真是惊人的世纪巧合啊!

1. 第五代通讯协议 5th G

2. 五十亿个字元 5GB

3. 五十亿个位元 5Gb

4. 五十亿次 / 秒 5GHz

5. 150 公克重 150g

注: 以下都是纯数字, 没有单位。

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怎幺来?

要讲 5G 就要从 1G 谈起,1G 其实是谥号, 因为当时不知道未来还有 2、3、4、5G, 所以是卒以后才封谥的。

1G:资料速度:无,只有语音,语音流量约当 9.6-64Kbps 的资料

行动电话刚发明时是使用类比技术 AMPS,卒谥第一代, 它的技术与 AM 调幅、FM 调频广播及古代无线电对讲机一样, 都是类比调制技术。一个基地台只能供 8 个人同时使用。频率资源很不经济。

2G:资料速度:GSM 各代速度不同,为 9.6-384Kbps

世界上有 3 种 2G 技术, 欧洲的 GSM、美国的 CDMA、日本的 NTT。

欧洲人发展出令人骄傲, 认为可以永远使用的 GSM 技术。将美国的 CDMA 技术完全打倒,日本 NTT 的数位技术虽然很好, 但因怕技术被日本人垄断所以没有其他国家採用,

第二代 GSM 技术使 Motorola 众多专利一夜间变成一文不值。GSM 除了将语音数位化外,同时导入跳频与分时技术。分时可以让同一频宽被 8 或 16 个人分享,跳频则可以克服複路径传输问题,解决讯噪比间歇劣化的问题。也因而使一个基地台可以同时服务 64/128 台手机。效率比 AMPS 高 8/16 倍,成本低收入高,使全世界营运商因而大赚钱。

3G:资料速度:各代速度不同 64Kbps-21Mbps

使用的是美国 Qualcomm 公司的 WCDMA「宽频带散谱」技术,它不但具有所有 GSM 的优点, 还可以用 GSM 的 10 倍速度传送资料,彻底打倒欧洲人自以为傲, 认为可以使用千秋万世的 GSM 技术。高速资料流,使手机传送照片成为主流。也引出 WhatsApp 、LINE 、SKYPE 等新世代通讯软体。

第一种 3G 全世界各国都使用,是美国 Qualcomm 公司的 FD-WCDMA 调制方式。同一个基地台可以处理 256 个手机通话, 实务上视环境约为理论的 70 -- 80%, 比 2G 高 2-3 倍,所以营运成本更低,营运商利润更高。语音品质规格数学上虽然与 GSM 一样, 但实际上可靠度稍差,通话常常会卡卡的。所以 3 大公司都会将语音降级至旧的 2G ,新的 3G 只做资料流传送。而有一家新来的, 它只有 3G 没有 2G 可降,实务上就很惨。

第二种 3G 是中国厂商「大唐」谎称自行研发成功,其实那是德国西门子公司 Siemens 在竞比技术时落败的 TDS-CDMA 技术。这种技术全世界只有中国被骗使用。

其实这两种技术的资料传送速度都比 2G 的 GSM 快 10 倍,都可自称为第三代技术。它们都是利用「宽带散谱」技术, 只是一个靠「FD 分频」做双工通话,一个靠「TD 分时」做双工通话, 数学上採用 FD 或 TD 传输量是完全一样的。实务上经过 1 年在真实环境测试后发现 FD 比较稳定,所以中选。中国是 FD、TD 两种都各发一张执照,被指定发展 TD 的那一家就很惨, 因为市面上没有那种 IC ,当然就没有那种手机, 如果样样都要客製化, 会很累。上次分到 GSM 而赚爆的钱都要吐出来。反过来上次分到 CDMA 而很惨的那家,后来因分到 FD-WCDMA 而大赚 3 年。

4G:资料速度:10-1200Mbps

基本上 4G 是使用 LTE 的「CA 载波融合」技术而影响可传送频宽,视不同的「CAT. 等级」下载 / 上传速度可以由 10/5Mbps 逐步升高到 1200/600Mbps。LTE 技术, 上传时採用 WCDMA 宽频散谱法, 下载时採用 OFDMA 正交调制法,也就是夭折的 WiMAX 使用的那种技术,它可使资料传送速度比 3G 快 10 倍,使电影片传输蓬勃发展。使人类进入手机分享短片的时代。但是如果想传送 HDTV 甚至 4K 影片,它的速度就会显得太慢, 于是人类又开始期待速度更高的 5G 新科技。

任何比 3G 快 10 倍的通讯协定都可以自称为第四代, LTE 因为不适合语音通讯,而 VoLTE 技术又一直不能顺畅运转,所以现在营运商都是让客户用 4G 收发高速资料, 通话时则降级至 3G 甚至 2G。 所以台湾有一家新来的公司,只标到 4G 频率,却没有 3G、2G 频率,只好要找有 3G 、2G 的公司合作。却被拒绝,只好与那家只有 3G 的公司合併,可惜原来的 3G 覆盖就不佳,又没有 2G 可退, 所以经经营很累。

幸好近几年 WhatsApp、LINE、SKYPE、Messenger 等通话软体技术发达。 用 4G 通话已不是问题, 只是电讯商原有的语音、简讯都已赚不到钱。只能每月收大约 600 元的吃到饱费率。这个金额使其 ARPU 接近营运成本, 获利可能渐渐减少。所以我预测,在一场 3 年的恶性竞争后 600 元吃到饱一定会被取消。600 元顶多一个月给 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:资料速度:1000-12000Mbps

任何资料传送速度比 4G 快 10 倍的通讯技术都可以自称第五代。由于行动电话的专利都被 Motorola、Nokia、Qualcomm、Broadcomm、Samsung、Faxconn 等公司所垄断。新进者很痛苦, 研发时发现到处都是地雷, 所以有很多公司都希望趁 4G 碰到瓶颈时, 找出新的调制及通讯协定来避开现有的专利网,找出新的高速通讯方式,就如同当年 GSM 完胜 AMPS,WCDMA 大败 GSM, LTE 打败 WCDMA 一样。希望 5G 也能大败 LTE。

5G 发展状况

5G 技术发展海阔天空, 瞬息万变,每月都有新发展,所以现在 欧洲、美国、中国、日本、韩国、台湾或任何国家都自称正在研发或测试 5G 通讯中,大家也真的都很努力在做研究, 甚至野外测试中, 但是没有人知道 5G 的确实技术规格是甚幺。 Release 15 文件其实还不够全,可能还要开 100 次会议来确认。所以目前为止虽然方向是一致的, 但还不是可以製作手机的规格。

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 现在市面上的手机极速是 CAT.16 的 1000Mbps 左右,也就是 1Gbps,所以 5G 理论上应该是约 10Gbps 以上。但是 4G 的理论极限是 1.2Gbps 所以 5G 速度应该是 12Gbps,开会时甚至有人认为 5G 应该至少达 20Gbps。

网友 YU-HAN YANG 告诉我,现在各大厂都积极参与 5G 标準会议,有很多细节正在决定中,有哪些可能方案都已经在檯面上讨论,应该很快会有草稿出来了,有些技术基本面, 例如编码方式大家都已同意。所以不完全是混沌状态。就他所知,Qualcomm、MTK 都已经在设计晶片了,技术细节开奖后只会有小改动,如果将会有大改动,现在设计製造就太不合成本效益。据说 Qualcomm 的做法是, 前两名入选的方案都同时实作,最后开奖时,不论哪种胜出,都可以马上上市。

我看到一个杂誌上,有人为此写文章大胆猜测,5G 的基本规格应该至少包含如下内容:

  1. 延迟:1ms 即 1 毫秒 上传 10Gbps
  2. 用户密度:100 万台 / 平方公里
  3. 使用频宽 :100MHZ
  4. 移动速度 :0-500KM/h
  5. 耗电 :10ms ?? 每秒发射 10ms 即 1/100 工作週期。
  6. 时差 :4ms latency
  7. 频谱效率 :上传 30bit/Hz 下传 15bit/Hz

看官觉得如何?

名词解释

CAT. 16 Catagory 16

第 16 代 CA 技术,下载速度 1Gbps。

CA Carrier Aggregation 载波融合

就是可以将相同或不同频段的频宽合併使用。例如 900MHz 有标到 10MHz ,与飞地 5MHz 两块,1800MHz 有标到 10MHz 一块,就可以将 3 个合併为 25MHz 使用,传送 180Mbps。但前提是基地台与手机都要有足够 CAT. 等级的 CA 功能,例如都是 CAT.16, CAT.16 是 2017 年 iPhone 8 、IPhone X 及各厂牌旗舰机的主流,理论下载速度可达 1Gbps。

bit

是位元 ,就是电脑二进位资料是 0 或 1 的最基本状态。

bps bit per second 每秒传送位元数

就是每秒传输几个 bit , 例如 128K bps 就是一秒传送 128,000 个位元。也就是 128Kbit/S。

Byte内含 8 个位元,如果有除错码时,每字元内含 9 个位元如果有更强大 CRC、LCC 则可能达每 Byte 9-10bit。

BPS Byte per second 每秒传送文数字数

就是每秒可以传送多少 Byte 文数字。 一般来说 128K bps 约当 16K BPS,因为 128K bps/8 =16K BPS。

ARPU Average Revenue Per User 平均每人贡献值

营运上算出来的每人贡献数, 约等于每人每月缴费数。这数字应大于营运成本 / 总有效用户数,才能永续经营。

OFDMA

Orthogonal Frequency Division Multiple Access 正交频分多址调制技术。详如附 URL。

以上文字,观念也许正确,但是数字是经粗略计算及凭记忆顺手捻来,可能不尽正确,看官引用时请自行查证。

网上高手如有发现错误请 私下告诉我 ,公开指责碍于面子恕不接受 。



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