聯發科總經理黃合淇:從5G到B5G,想像6G世界的關鍵議題

2020 年為 5G 元年,下一世代通訊技術趨勢 B5G (beyond 5G) 到 6G 也開始引起廣泛討論,究竟 5G 的下一步是什麼?還有什麼可能性?聯發科技通信系統設計事業部總經理黃合淇根據長期觀察,提出 6G 發展的輪廓,也從5G到B5G的技術演進軌跡,分享 6G 未來的研究議題。

現在談 6G 是否太早?可從生態系統面與技術面來思考

5G 才剛開始,2021 年就開始探討 6G 會不會太早?可以從兩個面向來思考這個議題,首先從生態系統面來看,6G 的發展確實比 5G 更加積極。回顧歷史,2014 年到 2015 年開始有明顯的 5G 研究投入與成果展示,2018 年到 2019 年第一版 3GPP 5G NR 標準制定完成,而現在美國、歐洲、中國及其它區域紛紛成立 6G 研究組織,探討未來運用場景及需求,試圖找出 6G 關鍵技術,以滿足未來的世界。

從技術面來看,當需求愈高,技術難度隨之提升,研發所需的時間也更長。例如能提供 Tbps (Terabytes per second, 兆位元組/每秒)速度的終端裝置,需要全新數據機及射頻系統的設計,或者未來是否可以結合通訊技術與計算技術,讓網路架構轉型,更具智慧能力更貼近使用者的感受?

5G 尚未看到殺手級的應用

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手機,但是 uRLLC 應用場景少價格高,mMTC 利潤低多樣化,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. 截至今日尚未看到殺手級的應用,目前 eMBB 主要用於資料傳輸速度,真正的沉浸式 eMBB 應用還沒有發生。
  2. mmW(毫米波)不能完全滿足移動通訊的需求,有覆蓋不足、性能不穩定等缺點。
  3. 用於固定無線接入的 Massive MIMO(大規模多輸入多輸出) 不夠理想,根據分析,八倍數量的天線僅僅帶來約兩倍的容量增加。
  4. 終端裝置功耗過高,一些公開資料顯示,電信商建議儘量使用 4G 網路來節省 5G 手機上的用量。

因此,可以預見從 5G 到 B5G 甚至到 6G,還有很長的路要走。

從通信技術演進推敲 6G 新輪廓

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。可能的應用如超高精細的 XR(延展實境),或是充分結合 AI 技術帶來更好的使用者體驗,甚或結合衛星與蜂巢式網路的覆蓋服務。以上對 6G 的想像,值得學術界與業界一起來探討。

從 5G 到 B5G

要滿足上述應用,需要哪些 6G 技術?可以先從 5G 到 B5G 的技術來探討,四點說明:持續提升XR性能,例如較好的移動能力、較短的遲延,提升容量滿足更多XR服務,即從應用層到通訊層的跨層優化。

  1. 透過多傳送與接收點,也就是 Muliti-TRP 技術,優化毫米波的網路性能。
  2. 異質性大規模 MIMO 技術的導入,透過分散式 Massive MIMO 可以實現 Cell-Free 的網路架構,透過終端裝置的協助,裝置之間互聯形成一個小網路,傳播無遠弗屆。
  3. 端到端的功耗優化,5G 通訊系統耗電增加無可避免,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,會是3GPP release -18的一個重要項目。

6G 技術的三個特性:簡單性、融合、新型態

基於 5G 到 B5G 的技術演進,發現 6G 技術有三個特性:

  1. 簡單性 – 較高的規格如資料輸出率,就會預期有較高的複雜度,但是在最大負荷(Most Load)的物理限制下,導致積體電路實現遇到瓶頸,因此簡化不必要的複雜度,在通訊系統設計上就顯得格外重要。
  2. 融合 – 不同通訊系統,如下一世代 Wifi 與 6G,是否可以在某些地方融合?或者通訊與計算技術,能否相輔相成?
  3. 新型態 – 新的服務及應用出現,大眾終端裝置是否隨之改變形態?網路形態從傳統的蜂巢式架構,是否走向天、地、空一體的網路架構,達到全覆蓋?

技術通訊 + AI  降低功耗同時提升服務品質

整合以上三個特性,並將 AI 與通訊結合,有兩個方向值得研究。利用 AI 輔助通訊系統及智慧網路,根據大量數據分析抽離出重要的特徵,或建立一個模型,例如透過 AI 演算法分析通道的特性,得到較佳預測,可以用較少的資料回傳給網路端。或者可以利用演算法,結合電磁波感測人體的移動情況,預測移動的速度與方位,達到省電的功效。

在智慧網路的部分有幾個特點,AI 計算是分散在網路的各個節點,節點之間的 AI 模型與資訊是流通的,如此一來我們可以預期,透過 AI 的協同合作,隨環境動態變化,網路會選用較佳的編解碼器,達到穩健的通訊服務品質,也就是能夠提供良好的使用者體驗。

5G 強調大頻寬高速率的特性,終端裝置與基地台的功耗也會隨之增加,聯發科提出Bandwidth part 功能,網路可以聰明地根據業務的需求,動態調整通道的頻寬,使得終端裝置可以用剛好的處理能力進行接收與傳送,達到省電的目的。未來我們預期,唯有系統值的優化,考慮如何降低終端裝置與網路端的功耗,同時滿足使用者體驗,降低電信業者的營運成本,才能讓 B5G 及 6G 技術成長。

5G 技術讓乘客在高鐵上也能順暢使用智慧型裝置

列車在高速行駛的狀態下,杜普勒效應會變得嚴重,終端裝置必須即時且頻繁地在基地台之間切換,造成通訊品質不佳,甚至斷話。對此,可以在鐵軌沿線佈建若干個無線寬頻頭端設備(Remote Radio Head, RRH),搭配經過設計的波速管理,同時優化切換的流程,提供乘客順暢的聯網品質。聯發科在中國大陸的高鐵上,利用這樣的技術組合,可以達到 550Mbps 的平均傳輸率。可以預期的是,為因應頻寬的需求,未來將會往較高頻率的頻段,尋找可以運用於無線通訊的操作頻率。

關於網路服務覆蓋,當今行動網路覆蓋範圍可以滿足全球60%以上的人口,但是只涵蓋40%的陸地返還,表示行動網路在某些地區無法提供寬頻服務。為了填補目前行動通訊網路的不足之處,結合衛星通訊與蜂巢式網路,才能形成一個無所不在的網路,同時開放式標準,而非封閉系統,使系統彼此之間互通,形成足夠的經濟規模,促成合作。

*更多精彩報導詳見:人工智慧與新世代通訊論壇 精彩分享 (整理:AIF 陳梓元)

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