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《TEEN講座》演講紀錄:4G 吃不飽,那你有5G/6G 嗎!?

清華電機系友會《TEEN 講座》

4G 吃不飽,那你有5G/6G !?

主講人:卓偉漢先生/

美國高通 主任工程師 (清華電機08級)

演講日期:2019/06/05

撰文:電機系學士班/呂依凡

講者經歷:

  卓偉漢學長在 2008 年畢業於清大電機,在 2010 取得電子工研究所的碩士學位。

就讀清大期間參與多項學生活動,曾任電系學會長、電機營總籌及學生議會電資院代

。在 2016 取得UCLA 電機工程博士學位,目前在高通公司擔任主任工程師,主要

工作內容為高速射頻收發器和系統晶片開發。

 

演講內容:

 

前言

 於通訊產業而言,雖然 6G 尚未誕生,但今年仍然是一個重要的里程碑。美國、英國、

韓國和中國都在今年開辦 5G 通訊, QCOM 也在今年發行 Wi-Fi 6。

 

=>NTHU->UCLA->QCOM->?

 就讀大學的期間,擔任過系學會活動股股長、系學會會長、電資院代表、迎新宿營活動

股股長、北電盃副籌、電機營活動股股長和電機營總籌,但因為參加的活動太多,曾一度瀕

臨被當掉的邊緣。升上研究所後,碩班的指導教授是徐碩鴻教授,在碩班期間是做高頻電路

無線通訊和光通訊有關,也發表了一篇關於 24GHz 的射頻電路,也是 5G 通訊裡重要的

頻段,這也鼓勵同學可以不用對於自己目前的研究領域感到氣餒,未來職涯生活中所需要接

觸的東西可能就在自己碩班的研究範圍內。在 UCLA 攻讀 PHD 的期間,指導教授是現任交

大校長張懋中教,很幸運地博班只讀了四年就畢業了,後來就在 QCOM 上班,主要在做射

頻前端電路的設計。

 

=>Cellular/Wi-Fi 無線通訊的過去、現在與未來

 

Review of old G’s

 一開始發行 3G 時,有兩套標準,一套是 3GPP,另一套是由高通所發行的 3GPP2,標準

定義組織互相爭執正3G 的地位, 最後由聯合國統一定義。聯合國在 1998 年推出的IMT

-2000 中,若通訊器的移動速度如同高鐵時,傳輸速度仍超過 144kbps,或相當於汽車的移

動速度時,傳輸速度可以 384kbps,或靜止不動時,傳輸速度可達2Mbps2008 年時,聯合

國又再度提出 IMT-Advanced,定義 4G 必須在靜止的狀態下達到 1Gbps 的傳輸速度,

直到 2014 年時, 美國某些地方的通訊速度才開始達到聯合國定義的 4G 速度,臺灣到了20

16 年時,中華電信才開始達到這個速度。到 2018 年時, 聯合國又提出 IMT-2020,規定 5G

必須達到 20Gbps。AT&T 4G 時代率先提出以達成 4G 的通訊速度,但是事實並非如此,

今年四月時,AT&T 又提出已經達到 5G,但是仍然沒有做到任何 5G 規範。

 

Inrtroduction to G’s

 

1G:1980~1990

 1979 年時,日本的 NTT(現在的NTT DOCOMO)號稱達成第一個行動通訊,當時推出的

行動通訊是裝配在汽車上。一直到 1987年時,才有第一個手機版本的行動通訊。1981年

的北歐的丹麥、挪威達成第二個行動通訊,也就是對講機,當時行動通訊都是根據 1947

年美國的 Bell labs提出的 Cellular System。Cellular System 在一開始提出的時候,

不受到重視,因為當時的技術無法實現Celllar System,一直到 1968 年,在AM 和FM

基礎上,才重啟Cellular System 的計畫,Bell labs負責發展基幹網路,而當時還

公司的 Motorola 則是負責發展這個基幹網路的手機,這個計畫在 1973年的時候,Mo

torola 終於做出了他的第一支原型機,之後日本和北歐的國家就抄襲了當時的技術,

展出了自己的行動通訊,在 1984 年也開賣了第一支手機,價值大約是 4000 美金。

2G:1990~2000

 出現了現在廣為人知的 GSM 系統,因為此系統是由北歐國家所推行的,所以定義的組織

歐洲電信標準協會ETSI,第一個部署地點是芬蘭,用的頻段是 9001800MHz,也是

第一個使用數位通訊方法去傳輸的手機,也因為是數位,所以可以開始傳簡訊,所以也是

世界第一個可以傳簡訊的手機是在 1992 年才開始發行。在  2005 年的時候, GSM 在全世

界土地的覆蓋率達 75服務了 15 億的人口。1995 年的時候 QCOM 提出了 CDMA,CDMA

是比之前的技術要好得多的技術,雖然想和許多公司一起推行,但當時 GSM如日中天,所以

QCOM 只好靠自己的力量獨自發展 CDMA, QCOM能在有限的資源下在 1988~1995 正式部署

CDMA,其中一個有參與部署的公司是 BellLabs的子公司,後來成為美國最大電信商Verizon

,後來也推出CDMA2000,亞太電信也在 2001 年參與部屬。

3G:2000~2010

 1998 年,AT&T 第一次號招全世界的電信商參加 3GPP 組織,目的是建立一個 IP-base

動網路,平常在網路上用的通訊協定在 3G 時代都可以無縫接軌,可以開始傳簡訊、音樂

網,後來ETSI 也將GSM 併入 3GPP,之後,GSM 所有的活動都在 3GPP 內,之後在 2000

W-CDMA,本W-CDMA NTT DOCOMO 2002 年時根據 QCOM CDMA 所發展出來的

東西,GSM 也在 2007 年改名為HSPA+,AT&T 也在同年宣稱自己的 HSPA+已經達到 4G也讓

大家可以同時在網路上打電話和傳 e-mail,因為多媒體的訊息可以藉由網路傳到手機,

所以促使黑莓機等手機的發行。1998 年,QCOM 也號招3GPP2 組織,但是只有中國、日本和

國的電信業者參加,所以在世界的影響力甚微,後來也陸續出了多優於 GSM 的更新版本,

但是影響力仍無法提升。

3.5G:2005~2010

 WiMAX 2001 年時,由 IEEE 所推行的標準,而 Wi-Fi 則是1997年開始推行。WiMAX

開始的理念就是將Wi-Fi 傳輸距離加長以取代手機成為行動網路,Wi-Fi 很受消費者

們的歡迎,所以發展也相對迅速,今年由 QCOM 發行的Wi-Fi 6 的預期傳輸速度將達到10.5

GbpsWi-Fi 發展得非常成功的同時,WiMAX 發展得非常失敗,WiMAX 2005 年提出的

準只能達到 37Mbps ,部署的範圍也相對侷限許多,僅在韓國、台灣、美國、日本等地

中日本的部署是由日本政府補助部署,做為免費的網路給大眾使用,但因為傳輸距離太短

而不符使用關係,2011 年起,WiMAX 逐漸被關掉。 2007 年起,QCOM 開始研究 OFDMA

其中 WiMAX 就是OFDMA 發展而來,但在 2008 年時,QCOM 就宣布終止研究,並加入 LTE

陣營,而 3GPP 就是制定LTE 的組織。

4G:2010~2020

 2004 年時 NTT DOCOMO3GPP中提出要使用OFDMA,但 OFDMA的限制除了傳輸距離過短之

外,他還有Peak-to-Average PowerRatio太大的問題,導致功率放大器的效率非常差,在

2006時,發現經過特殊數位處理後,可以讓訊號集中在較小的頻率範圍,讓 Peak-to-Ave

rage Power Ratio 縮小,達成省功耗的目標,2007 年時,NTT DOCOMO Encsson 通過

144Mbps 和 200Mbps的測試,於是就在 2008 年正式提出標準,並於2009年開始部署LTE,於

是許多公司開始發行相對應的手機。一直到了 2011 年時,3GPP 終於推出LTE-A,理論傳輸

速度達到接近 3Gbps4G 的時代才真正來臨,但是受限於手機的天線數目,所以一般民眾

的手機通訊速度仍無法達成 3Gbps。

5G:2019~?

 今年,也就是 2019 年,5G 的時代終於來臨。2008 年,3GPP 發行了第 15 個草案

,草案定義了 5G NR雖然目前 5G 的技術和 4G 差不多,但是因為運用在新的頻段上

面,所以可以成更好的傳輸效率。在今年的4/3 韓國時間晚間 11 點,韓國宣稱部署了

5G sub 6,新的頻是在 6GHz 以下,在4/11 時,Verizon 正式提出 5G mmWave,但是只

能在芝加哥和明尼蘇達使用,5/30 時,英國也推出了 5G。

 

 

Motivation for new G’s

 現在的手機使用上,當聽音樂、看影片等等的功能時,不需要將它們都載下來,這

樣的便捷是倚靠著雲端運算的服務。電信商預期在 2024 年時,網路用量會比 2013

的網路用量成長 60倍,而到 2024 年時,全世界每月的網路會到達 136B Gigabytes

=>世界將因 5G/6G 更美好

 5G 最重要的並不是網路速度,而是它的應用,例如可以錄一4K 高畫質的影片,下一

秒就上傳到 facebook給別人看;電腦可以非常的輕薄,因為可以直接利用 5G 的網路將雲

端的運算結果回傳;VR 的相關應用;自動駕駛系統,因為自動駕駛需要順暢快速的網路將

運算結果回傳;智慧手表傳輸健康資訊到雲端給醫院或保險公司等等。

 智能家居也需要 5G 網路的服務,許多智慧家電連到手機的Wi-Fi 時,訊號會互相干

擾,傳輸效率也變差。另外在密集的都會區中,Wi-Fi 也會互相干擾,導致訊號傳輸的效

率變差,Wi-Fi 6 提供了更大的容量以容納更多人或更多智慧家電的連線,傳輸的頻段大

概是 2.4GHz 5GHz。

 不同的 Wi-Fi 具備不同的優勢,60GHz Wi-Fi 的功用是快速地傳 4K 高畫質影片,

專門用在電視上,11ac則是提供穩定且可以一次支援許多用戶,MU-MIMO OFDMA 是實現

11ax 的關鍵技術, MU-MIMO 增加同時連到的天線,使天線可以有多倍的傳輸速度或同時

支援多個用戶,OFDMA 則是可以增加訊號傳輸的效率,一次支援許多用戶, 11ax 可以同時

支援 2000 多個 devices,也router 上有更多的控制權,達到更大的資訊傳輸量,也

讓手機的耗電量降低,11ax 可以達到的運輸量至少是 11ac 倍。預計在 2020 年開始

使用 6GHz 的頻段,此頻段的好處是更大、更寬的頻段以支援更多用戶、更大的資訊傳輸量

,在 2021 年將推Wi-Fi 6 搭載 6GHz 的服務,也預計在 2023 年推出新的協定,11be

EHT,便可以達到 5G 的規範。

 5G 的應用除了網路的速度更快,也提供了更多的用戶和更多像是醫療、無人機、智慧

電表、智慧水表等等的應用,網路的延遲也低於 3 毫秒。部署 5G 基地台時也需要考慮到

不同頻段的優勢,在不同的應用面也需要更精準的分配,今年年底到明年也都會提出使 5G

更加完善的通訊協定。QCOM 5G 的主要推動者, 從很早就開始研究 5G,第一台 5G

機、工程機都是由 QCOM 完成。

 

 

Q&A

Q1:整個通訊技術有包含數學、軟體及物理上各種面向,請問是哪一個帶動哪一個發展?

A1: WiMAX 失敗的其中一個原因就是硬體跟不上數學,WiMAX 第一個用 OFDMA,但是問

題是當時的數位電路做不出數學需要的規格,後來同樣根據 OFDMA 發展的 LTE 可以如

此成功是因為晶片愈來愈小,導致功耗愈來愈低。數學模型都很早就被架構出來,但是硬

體、軟體、物理上要實現還需要一段努力。

Q2: 學長為什麼會想要念到博士?

A2: 雖然到美國讀書之後發現最賺錢的規劃是讀碩士接著成為軟體工程師,但是就像先

前提到過的──錢不是最重要的,技術才是最重要的,能夠參與最新產品的研發是最開

心的,在辛苦研發且大家都沒有關注的過程裡,也曾一度懷疑是不是入錯行了,但是到

最近公司研發的東西開始發光發熱後,覺得很值得、很感謝自己當初選擇讀了博士。

 

 

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