5G 發展,停、看、聽(上)

作者:呂奐模   |   2019 / 05 / 07

文章來源:台灣經濟新報(TEJ)   |   圖片來源:Yeah


世界對「萬物智能連網」充滿無限想像,而美好的未來全被構築在 5G 的運行之上。在過去 2 年間,5G 的世界被高談闊論著——生病時不用再徬徨無助,貼身個人助理會幫你掛號;自動駕駛將生病的你安全送到家,或者讓不會開車的人也能擁有一台汽車;放假到陌生城市旅行不用再拿著手機導航,路線會直接投影在你的前方——這些如科幻電影中的場景被討論得天花亂墜,讓人彷彿身處在 5G 的平行時空。

在各界極力追捧下,5G 儼然被塑造成未來世界的普羅米修斯,各界無不引頸盼望其加速到來。究竟 5G 的神力是什麼?它和過去的 4G、3G 有何不同?為何這些未來夢非要依賴 5G 才得已實現?5G 發展過程中,產業將出現何種轉變?

本文將分成上下兩篇。上篇首先簡述 5G,再比較 5G 和過去行動世代最大的不同在於應用情境變廣、變多,並提及 5G 發展將遇到的困難——商業模式不明、投資報酬不確定性高;下篇則從營運商的角度觀察,並探討整體產業伴隨 5G 發展下,數位化浪潮的影響將加速,各產業都將遭逢破壞性新競爭者的挑戰,廠商數位轉型成功與否將攸關未來生存。

5G 和過去世代最大差異 — 應用情境變廣

5G 是指第五代行動通訊技術,從 1980 年至今演變到現在的第五代,約每 10 年一個世代。行動通訊技術是先由國際電信聯盟(以下簡稱 ITU)定義出世代行動通訊願景、標準及評估指標,再由第三代合作夥伴計劃組織(以下簡稱 3GPP)根據 ITU 提出的標準,提交完整行動通訊技術方案和自我評估結果。

這次 ITU 針對 5G 定義了三個使用情境範疇,包含「增強型行動寬頻(Enhanced Mobile Broadband, eMBB)」、「大規模機器型通訊(Massive Machine Type Communications, mMTC)」及「超可靠度和低延遲通訊(Ultra-reliable and Low Latency Communications, uRLLC)」,並訂出 8 種關鍵評估指標(見表一)。

表一

  • 5G 神力

ITU 設定之 5G 傳輸效能,與 4G 相比呈大幅躍進,諸如 5G 最高數據傳輸速度將是 4G 的 20 倍,用戶平均感受的傳輸速度加快 10 倍,這速度差異好比現在用 4G 看 youtube 等影音串流還是要等待個幾秒讀取,若是 HD 高畫質可能又要等上更久時間,但在 5G 下連 4K/8K 高畫質或任意拖拉影片時間軸都無需等待。

另外,5G 在區域傳輸流量部分較 4G 增加 100 倍,用戶端/設備連線數增加 10 倍,這將改變過往 101 跨年煙火時,因為太多裝置互搶頻寬、基地台超載、用戶連上 FB、上傳照片打卡都會卡住的不佳體驗,在 5G 下變成就算用視訊和遠端的親友即時連線,都不卡屏。

  • 個人行動用戶市場以外的新應用

目前根據 3GPP 規劃,將先發展 eMBB,用以實現如 4K/8K 影像通訊等超高速行動寬頻體驗,作為 mMTC 及 uRLLC 的發展基石;接著 mMTC 將拓展至大規模物聯傳輸網路(Massive Internt of Things, MIoT),如智慧家庭場域及智慧城市等;以及要求高可靠、低延遲(uRLLC)的特定任務型態(Mission-Critical Controls , MCC)領域,如自動駕駛、智慧工廠、遠程醫療手術、智慧電網及智能交通運輸系統(ITS)等應用情境。

未來隨著應用情境增加,將使連網裝置數量大增,產生巨量數據,要求更快的資料分析處理速度及更大的資料儲存空間。

  • 機器溝通的時代

5G 和以往 2G、3G 及 4G 最大不同點在於應用情境變廣。在過去不同世代升級皆是聚焦在提升手機資料傳輸速度和品質——從 2G 的語音文字,到 3G 影像上網,再到 4G 的 HD 多媒體及個人化應用程式——資料傳輸速度大幅提升,延遲大幅縮短及應用功能變多。然而,5G 所「定義」的提升,不再只是聚焦在個人行動裝置的傳輸速度體驗,更強調大量的機器間主動溝通(Machine to Machine, M2M)。

圖二

然而,由於應用情境變多,ITU 針對不同的 5G 應用情境及連網裝置,所訂立的傳輸環境標準及需求不同(見上圖二),例如針對行動用戶觀看 8K 影片時,對於資料傳輸的容錯和延遲比交通管理系統的要求寬鬆。

再者,無線電傳輸可運用的最大訊號頻寬約是頻率的 5%,以目前 4GLTE 使用的頻率在 2GHz(千兆赫茲)左右,可用頻寬只有 100MHz(百萬赫茲),完全不足以應付 5G 定義的高速、低延遲、低容錯、高胃納量的標準,因此必須藉由 30~100GHz 高頻傳輸(毫米波傳輸)提高頻寬來突破瓶頸。

但在過去世代傳輸所用的頻譜都在 8GHz 以下,如今大躍進到毫米波頻段,將面臨哪些挑戰?這些挑戰對 5G 發展將產生什麼影響?

5G 發展的最大障礙 — 投資報酬不確定性高

5G 發展面臨諸多挑戰——頻譜尚未統一、毫米波傳輸限制、SDN 及 NFV 轉換期漫長、基礎建設共享程度尚低等,上述挑戰將使 5G 投資報酬不確定性大增。

  • 挑戰一:頻譜分配尚未定案,規模經濟化難度高

由於不同頻譜區塊的物理特性不同,商用類型和裝置亦有所不同,按照 ITU 規劃的三大範疇,分別定出 1GHz 以下、1GHz 到 6GHz 及 24GHz 以上三個頻譜區塊。愈接近 mMTC 及 uRLLC 兩類範疇者,使用區塊的頻率愈低(6GHz以下);愈接近 eMBB 範疇者,使用區塊的頻率愈高(6GHz 以上,尤以 24GHz 以上為主)。

然而,為了加速 5G 發展速度,ITU 並未先針對 5G 的頻譜區塊進行整合分配,而僅是訂出大方向,並將頻譜分配留到 2019 年底 WRC-19(World Radio Conference 2019)決定,導致領頭羊國家和廠商首先切入或規劃的頻譜區塊互不相同,特別是在毫米波區塊差異最大(見下表三)。

加上諸多規劃為 5G 的毫米波區塊,現行仍有部分應用於其他傳輸領域,Sub-6GHz 以下區塊又面臨諸多國家仍應用於 2G 及 3G 服務,短時間內難以釋出。縱使頻譜分配明確,終端裝置生產仍必須支援跨區域多頻段要求,開發成本及風險勢必提高,恐使廠商提前投入產品開發的意願降低,導致規模經濟化時程拉長。

表三

  • 挑戰二:毫米波傳輸限制,基地台需大規模佈建

毫米波因為本身物理特性,產生傳輸距離短、訊號易損耗出錯、城市及室內收訊不佳等問題。為了解決上述問題,目前業界趨向採用廣佈小型基地台(Small Cell)方式,以提高網路覆蓋密度,再透過毫米波或光纖寬頻連上骨幹網路。

然而,為達到原先以一個傳統區域基地台(Macro Cell)有效覆蓋的範圍,必須安裝至少 10 個以上(多至 30~50 個)的小型基地台,另外過去世代基地台佈建在戶外為主,在 5G 下的室內基地台佈建比重將提高(Nokia(NOK-US)估計約達 80%)。

因此,大規模佈建小型基地台將面臨三個主要障礙:基地台設置點取得及支出、骨幹網路佈建、主管機關政策及法規訂立。三大障礙將大幅提高 5G 建置成本及拖慢佈建速度。

  • 挑戰三:5G 網路切片核心技術 SDN 及 NFV 的轉換期漫長

軟體定義網路(SDN)及網路功能虛擬化(NFV)是新型網路架構技術,已被 Amazon(AMZN-US)、Microsoft(MSFT-US)、Google(GOOGL-US)及 Facebook(FB-US)等雲端服務商廣泛運用在超大型資料中心管理,藉由該技術可集中所有可運用的硬體設備資源,由中央統籌規劃和調度,提高設備容量使用效率及運用彈性。

目前行動通訊傳輸仍停留在傳統蜂巢式網路基礎架構——亦即每一個基地台為一個蜂巢,獨立處理該區域所有傳輸工作——然而,此架構將無法應付 5G 多樣化的應用情境。

因此,目前國際通訊組織、電信營運商及設備商推廣導入 SDN 及 NFV 技術,將各獨立蜂巢整合成單一實體虛擬網路,再依照不同應用需求規劃,切分為多重虛擬網路區域,進而有機會大幅降低 5G 佈建資本支出。然而,此轉換渉及層面浩大,包括設備、營運流程、新技術人才等,會是一個耗時艱難的工程,短期內莫冀望藉其降低 5G 佈建資本支出。

  • 挑戰四:基礎建設共享程度尚低

基礎建設共享可概分為基站設施(Site/Mate Sharing)、無線接入網設備(RAN Sharing)及頻譜(Roaming Sharing)三種共享類型。基礎建設共享能有效降低整體建置資本支出,然而涉及安全、技術採用差異、法規、執照及各營運商競合等因素,若無政府或組織集合取得共識,並建立標準和規範,共享程度成長有限。

  • 投資報酬高度不確定性

過去每一個世代轉換,新世代資本支出都較前一世代增加。從 5G 需大規模佈建小型基地台以及相對應配合的光纖網路建置來看,營運商將投入的資本支出恐怕也會超越 4G。

從下圖四整理數家研究機構對全球 10 年期的每年 5G 資本支出預估,取最大值、中位數及最小值,再和 4G 歷史資料進行比較,其中長條圖表示第 n 年資本支出預估中位數,上下影線分別代表第 n 年資本支出最大及最小預估值(實際值)。從圖中可發現三個特點:

(1)5G 投資支出各年預估差距極大
(2)5G 投資速度緩慢,投資期拉長
(3)投資期第 7 年,4G 已達高峰,然 5G 才剛起步

從上述特點可知,業界目前對 5G 建置成本究竟是否會遠超過 4G 仍是處於兩派說法,但筆者認為考量 SDN/NFV 的轉換期漫長,以及基礎建設共享程度尚低且成長有限下,5G 建置成本仍將超過 4G。

圖四

圖五

另外,再將 10 年資本支出加總比較(見上圖五),5G 總資本支出中位數落於 1,582 億美元,而 4G 則是 1,303 億美元;5G 預估資本支出最高與最低相差 890 億美元,落差極大,且最低資本支出 1,212 億,略低於 4G 的中位數。

接著我們亦針對 5G 用戶數預估與 4G 進行比較,見下圖六。僅管各研究機構估計差距極大,但 5G 用戶數成長明顯不若 4G 快速,在第 10 年 5G 用戶規模僅是 4G 的 1/5。綜合上述分析,筆者認為在資本支出及新商業模式仍充滿未知數下,5G 投資報酬的高度不確定性將使各產業對切入 5G 投資的態度趨於保守謹慎,並列舉以下 3 點推測:

(1)5G 佈建速度緩慢,料將超過 10 年,網通設備商難爆發性成長
(2)4G 勢必將同時並行,生命周期延長
(3)5G 已使各產業出現轉變,但短期內趨動成長動力不大

圖六

上篇帶大家了解 5G 應用場景的變化,及發展可能遇到的阻礙,對於各產業廠商間的影響就留待下篇討論。

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