兵家必爭:迎戰通訊新世代-5G篇

作者:Lynn   |   2016 / 12 / 23

文章來源:股感知識庫   |   圖片來源:Jayroz


前篇導讀:通訊知識專題(四):兵家必爭:通訊標準的軍備競賽—4G篇

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讓我們回顧一下先前文章。從1G到4G的演進、幾乎每十年就會推出一代新的標準,各家廠商在通訊標準之爭上宛如軍備競賽一般的緊張刺激。

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1970-1980年代的1G,摩托羅拉壟斷市場、作為類比通訊之王。1991年開始,2G數位通訊的崛起,讓Nokia與Sony Ericsson等新手機廠商取而代之、並延伸出GSM系統的TDMA技術與高通的CDMA技術之爭。

3G時讓高通以CDMA扳回一城、坐收他國專利費;且2001年當時3G標準便已被提出,可惜使用人數不多、還導致了一場歐陸電信商以過高價格競標3G執照、後來無法回收成本的大泡沫。直到2005年,智慧型手機的普及,方使3G網路使用人數遽增。

最後4G時代,3GPP組織以OFDM-MIMO技術為基礎作為3.9G LTE標準、以LTE-Advanced作為4G標準,成功將Intel等IT界大廠組成的WiMax聯盟和高通主導的UMB組織通通擠到一邊。

你可以想像3G和4G在做什麼,那5G呢?

5G標準目前尚未確定,根據國際電信聯盟(ITU)發布的聲明,5G標準制定將於2020年完成,並從2016年初開始逐步定義5G的技術與性能要求、2017年開始5G國際標準徵集。

5G願景承載著海量、實時(In-Time)且高速的通訊需求。速度上從4G的100 Mbps為單位、5G可高達10 Gps、比4G快達100倍,輕鬆串流3D影片或4K高畫素影片;容量與耗能上,為了物聯網(IoT)、智慧家庭等應用,5G網路將能容納更多裝置連結、同時維持低功耗的續航力;再來是低延遲,工業4.0智慧工廠、車聯網自動車等遠端遙控設備,都必須即時傳輸資訊。

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簡單來說,就是2020年5G系統商用之時,必須達成資料傳輸更快、更大量、更不耗電的目標。現階段的4G網路已無法滿足這些需求,故人們對於5G標準的呼聲越來越高;在筆電、手機等終端裝置的技術與市場皆已高度成熟、再難以看到成長的情況下,大廠們無一不期盼5G網路能帶來更多新型態的服務和應用,一如當年3G網路與智慧型手機的相輔相成。可以說5G的出現,將對於半導體產業和終端應用產品造成革命性的波瀾。

為此,通訊商們摩拳霍霍、紛紛搶進開發5G技術,今(2016)年11月華為在標準制定會議上,成功將自己的Polar Code專利推為5G短碼標準,並將持續在接下來的標準制定上與高通、Ericsson等通訊大廠角力。除此之外,因應雲端時代對於流量與彈性化的控制需求,網路架構的創新也是電信商在5G的布局。

這邊我們必須瞭解電信網路的兩大關鍵技術──軟體定義網路(Software-Defined Networking, SDN)與網路功能虛擬化(Network Function Virtualization, NFV)。

什麼是SDN(軟體定義網路)?

隨著資料量與日俱增,傳統的大型資料中心和企業網路一同面臨了幾個問題。

首先是難以處理變化性高的網路流量、尤其是非預期中的資料量,比如社群網站得因應使用者在同志遊行炒得沸沸揚揚時大量換頭貼的舉動;或是突然爆紅的Pokemon Go,剛開始時還能在卡比獸和快龍出現時衝上流量巔峰,一段時間過後玩家越來越少。若是為了一時的高流量需求購買硬體設備來擴充,就會面臨隨後使用率降低、建置成本浪費的問題。然而,若不解決流量需求,也會造成差勁的使用者體驗、或是沒辦法在風口正旺時撈一筆收益。簡言之就是缺乏佈署彈性、難以即時調度運算資源。

再來是網路架構越來越複雜,一個大型網路中包含了Routing、VLAN、QoS等功能,須由網管人員針對每臺交換器逐一調整設定,不但耗費人力和時間,出錯風險也高;另一方面,過度複雜的架構也讓網路在傳送資料變得相當緩慢。

如何自動處理流量高峰期、分配硬體資源以即時滿足需求? 如何在越趨複雜的網路架構下,同時降低網管人員的設定難度?

SDN(軟體定義網路)將傳統網路區分成三層,分別為應用程式層(Application Layer)、控制層(Control Layer)和基礎架構層(Infrastructure Layer, 又稱資料層);底層的部分就是交換器(Switch)、路由器(Router)等設備。

控制層向上透過北橋API (Northbound API)與應用程式溝通、向下透過南橋API (Southbound API)與底層硬體溝通。目前北橋API尚未有共通的標準存在,南僑API則是採用開放式網路基金會(Open Networking Foundation, ONF) 所制訂的OpenFlow協定。

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SDN將個別設備的控制層抽離出來,集中到中央控制器對整體網路作控制,設備則單純依據控制器下達的命令派送封包。這使得網管人員能在不更動硬體裝置的情形下,以中央控制方式、用程式重新規劃網路,更迅速地調整網路以因應服務及應用的需求。

談完SDN後,讓我們來看看另一個與SDN相輔相成的技術為──NFV。

什麼是NFV(網路功能虛擬化)?

相較於SDN將控制層從基礎架構層抽取出來、以簡化網路運作,NFV則是使用IT虛擬化技術,將原有網路功能各自需要的專門硬體 (如: 防火牆、DPI、CDN、WAN等功能都須有一個專門硬體),改成以軟體實作、再佈署在通用規格的硬體上。

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NFV最早是由電信商所提出來的概念。現階段的軟體服務掛勾在硬體設備上,彈性很低;目前的4G網路無法針對不同應用提供不同的伺服器,比如你不能跟你Pokemon Go的皮卡丘產生即時互動──網路不能根據不同應用、提供不同的伺服器,像是4G網路沒辦法對低延遲(Low Latency)需求較高的應用程式提供客製化需求。

若想針對應用需求客製化,其成本相當高。首先電信商跟網路設備商溝通:「我想布特殊需求的IoT網路設備」,必須由網路設備大廠瞭解電信商需求後再行硬體設計、生產、測試,過一兩年後再把設備賣給電信商。待買完設備之後再租地區布建設備,從頭到尾的過程對電信商吃力又耗時。

再加上軟體速度革新很快,好不容易佈署好的IoT網路,幾年後剛建置完成、市場卻已經換了一套新的產品,使這套服務到最後只能殺價競爭。產品汰換快速、頻寬變動高,使電信商落得高建置成本、低收入的回報。問題在於網路設備僅由Cisco、Ericsson、Nokia等少數幾家廠商壟斷,若終端產品裝置的革新速度很快、網路架構卻進展緩慢,最吃虧的莫過於採購網路設備、提供網路服務的電信商。在這個狀況下,說什麼IoT、智慧家庭或自動車等應用都是浮雲。

此情此景彷若1960年代的電腦工業──該時僅有IBM一間公司壟斷整個電腦生態,產品著重於高性能且服務於政府、軍方和大型企業的大型硬體,需要專門的作業系統、專門的應用程式,讓當時的電腦產業呈現垂直封閉的狀況,電腦產業革新速度緩慢。

直到後來IBM推出了個人電腦的濫觴IBM-PC,IBM-PC的主要組件如處理器晶片、磁碟機、顯示器和鍵盤本來就都是第三家公司提供的,微處理器(Micro Processor)的出現更讓無論是微軟、Linux還是Mac的作業系統都可以在微處理器上運行 (尤其當年微軟為了拚市佔率、對其作業系統DOS的價格壓得低到不能再低),IBM-PC相容機如雨後春筍一般地冒了出來,才讓個人電腦產業快速發展成一支龐大的產業。

硬體的革新速度比不上軟體,而可相容軟體的標準化硬體是讓產業蓬勃的關鍵;電信網路這邊想做的事情也一樣。現行的電信網路服務依賴廠家私有硬體的現況,無論是路由器,或是行動網路的PDN Gateway,都得仰賴特殊的控制層(Control Plane)和特殊的硬體。如何讓網路從垂直整合、封閉且進展緩慢的「硬體導向」,逐漸走到開放、快速創新的「軟體導向」,關鍵就在SDN和NFV技術,兩者技術毫無關係、相輔相成,將硬體功能虛擬化後,轉型成至開放硬體、或是可自行訂製化的硬體平台。

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這對電信商的大好處,除了硬體架構都有開放標準,設備直接根據成熟的開放標準製造硬體、大幅降低硬體購買和建置成本,也讓整個網路更加開放、創新速度以軟體的速度加快,甩脫傳統硬體技術革新緩慢的問題。

進一步來說,網路軟體化有著這樣的演進──傳統上是國際大型設備通訊商,如Cisco、Lucent、 Ericsson發包智邦、欣興、華宇、英業達等臺灣代工廠、再將製作完成的設備賣給電信商,獲利集中在電信商和設備商,整個產業是封閉的。若未來因為有開放介面(Open Interface)的硬體、上面直接搭載開源(Open Source)軟體,而傳統的OEM代工廠商則轉型成賣白牌的硬體商,電信商利用白牌設備來布大大小小的資料中心、跑在資料中心中的可以是各式各樣的新型態應用程式。

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2016年的SDN/NFV已經進入商用佈署的關鍵期。根據權威調研公司Infonetics最新報告指出,到2018年,全球電信商的SDN/NFV市場規模將達到110億美元。美國電信商AT&T 對外宣稱其2016年資料中心的硬體虛擬化部分高達30%,2020年目標為75% 。AT&T表示:「我們將通過網路的軟體化,實現公司成為軟體公司的轉型。」

另一方面,設備商對於軟體化趨勢的洶湧浪潮也感受到了極大的壓力。今(2016)年8月, Cisco宣布全球裁員5,500名員工,震撼科技圈。Cisco調整人力的舉動,正顯示著SDN/NFV對於其本業的高度風險,正積極調整公司方向。 IBM、HP亦對NFV有著深遠的布局,就怕慢了一步被排除在這一輪的遊戲玩家之外。

從1G到4G,我們一直在述說:幾個巨頭訂好標準、各家廠商根據標準生產產品、電信商再來佈建的過程,也就是「一群人持續在標準組織裡依據各國拳頭大小吵架」的故事。然而,整個網路通訊朝向硬體標準成熟演進時,5G將可能首當其衝。5G不只是在通訊的速度容量做革新,而是網路虛擬化/軟體化趨勢。

其實也反映出電信產業不再僅提提供通訊設備、而成了網路服務提供者。如今Ericsson有超過2/3的電信業務,都是來自軟體或服務,如雲端、IP網路、OSS/BSS等,全球更有將近2萬5千名的R&D人員,都從事軟體產品的開發,而非硬體。

由於智慧型手機和行動網路的發達,電信產業與IT產業的分界已漸漸糢糊,越來越多的電信商將重心移往雲端技術和IoT商機。然而改變之路尚任重而道遠。傳統電信商仍須經過一段期間的驗證,包括服務項目、後續維運、收費計價等系統,皆需要隨之改變。在2017年即將來臨的此刻,讓我們拭目以待吧。

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金融人轉科技人之路,專注於使用淺顯易懂的文字講述艱澀的產業知識。臉書粉絲專頁《寫點科普,請給指教
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