第五代移动通信系统

**第五代行動通訊技術**（英語：5th generation mobile networks 或 5th generation wireless systems，簡稱 **5G**）是最新一代行動通訊技術，為 4G（LTE-A、WiMAX-A、LTE）系統後的演進。5G 的效能目標是高資料速率、減少延遲、節省能源、降低成本、提高系統容量和大規模裝置連接。5G 第一個演進標準 3GPP Release 16 於 2020 年 7 月 3 日完成，主要新增了超級上行技術、補充超高可靠低延遲通訊和大規模機器類互聯兩大應用場景，並進一步提升能效和使用者體驗。，2021 年 12 月高通與聯發科技發布支援 Release16 的基頻產品。GSM 協會預計到 2025 年全球 5G 網路將會覆蓋超過 17 億人。

3GPP 預計 2025 年左右商用 3GPP Release 18（5G - Advanced）標準，預計實現提供 20Gbps 的下行速率與 10Gbps 的上行速率。

跟前幾代技術類似，5G 網路屬於蜂窩網，它將服務地區根據地理位置分成一個個更小的蜂窩。蜂窩裡的 5G 無線裝置使用無線電波通過蜂窩裡的本地天線來連接網際網路和電話網。新一代通訊技術的主要優點在於，在增強型移動寬頻 (eMBB) 的場景下通過更大的頻寬支援更快的下載速度（最終可支援 20Gbps）。除了速度變快之外，得益於 5G 更大的頻寬，在人員密集區域支撐更多的裝置，進而提高網路服務品質。但是單純 4G 手機並不能使用新的網路。

目前，提供 5G 解決方案給電信業者的公司有：諾基亞、愛立信、三星、高通、思科、華為、中興、大唐電信。

## 概述

與早期的 2G、3G 和 4G 行動網路一樣，5G 網路是數位訊號蜂巢式網路，在這種網路中，營運商覆蓋的服務區域被劃分為許多被稱為**蜂窩**（小區）的小地理區域。5G 無線裝置通過射頻與蜂窩基地台的天線陣列和自動收發器（發射機和接收機）進行通訊。收發器使用電信業者分配的頻段進行通訊，這些頻段在地理上分離的其他蜂窩中可以重複使用。基地台通過高頻寬光纖或無線回程連接與電話網路和網際網路連接。與現有的手機一樣，當使用者從一個蜂窩移動到另一個蜂窩時，他們的行動裝置將自動無縫切換到新的蜂窩中。

### 應用領域

在 ITU-R 已經定義了 5G 的增強功能三個主要的應用領域。它們是增強型移動寬頻 (eMBB)、超高可靠低延遲通訊 (uRLLC) 和大規模機器類互聯 (mMTC)。在 3GPP Release 15 時代僅部署了 eMBB。

**增強型移動寬頻 (eMBB)** 作為 4G LTE 移動寬頻服務的演進技術，具有更快的連接、更高的吞吐量和更大的容量。也是 5G 的主要應用場景。

**超高可靠低延遲通訊 (uRLLC)** 是指將網路應用在需要不間斷和穩定資料鏈結的關鍵任務場景，滿足場景對於無線通訊網路的超高可靠性和低延遲的要求，提供低於 1 毫秒空口延遲的可靠無線通訊連接。

**大規模機器類互聯 (mMTC)** 將用於大量裝置的互聯通訊。5G 技術將為 500 億個聯網物聯網裝置中的一部分提供服務。通過 4G 或 5G 控制的無人機對於災難恢復工作能提供很大的幫助，為緊急救援人員提供即時資料。大多數汽車將有許多服務通過 4G 或 5G 蜂窩連接。自動駕駛汽車不需要 5G，因為它們必須能夠在沒有網路連接的地方執行。然而，大多數自動駕駛汽車還具有用於完成任務的遠端操作功能，而這些都極大地受益於 5G 技術。雖然已經有遠端手術通過 5G 進行，但大多數遠端手術在具有光纖連接的設施中進行，有線連接通常比任何無線連接更快、更可靠。

5G 技術使用毫米波等更高頻率的無線電波和載波聚合來實現更高的資料速率，而以前的蜂巢式網路使用 700 MHz 和 3 GHz 之間的微波頻帶中的頻率。一些 5G 供應商將使用微波頻段中的第二個低頻範圍，低於 6 GHz，雖然帶來了速度提升與體驗的改進，但是速度提升不會像新使用的頻段帶來那麼客觀的改進。由於毫米波頻段的頻寬更為豐富，5G 網路中將使用更寬的頻道與無線裝置進行通訊，在應用載波聚合的情況下頻寬最高可達 1000 MHz，使用 Sub-6GHz 也可以達到 300Mhz，而 4G LTE 在應用 5 路載波聚合的情況下頻寬，為 100Mhz，差距甚遠。與 4G LTE 一樣，使用了 OFDM 調變技術，利用多個載波在頻率頻道中進行傳輸，從而同時並列地傳輸多個位元的資訊。

大氣中的氣體會吸收毫米波，且毫米波比微波輻射的範圍小，因此每個分割區可達範圍會有所限制；例如以前的蜂巢式網路的分割區可能橫跨數公里，但 5G 分割區大約只有一個街區的大小。電磁波也很難穿過建築物的牆壁，需要多個天線來覆蓋一個蜂窩。毫米波天線比以前的蜂巢式網路中使用的大型天線要小，只有幾英寸長，所以 5G 蜂窩將被安裝在電話杆和建築物上的許多天線覆蓋，而不是一個基地台塔或基地台。另一種用來提高資料傳輸速率的技術是大規模 MIMO 技術。每個蜂窩將有多個天線與無線裝置進行通訊，每個天線通過一個獨立的頻道，由裝置中的多個天線接收，這樣多個資料流將同時並列傳輸。在一種稱為波束賦形的技術中，基地台電腦將不斷計算無線電波到達每個無線裝置的最佳路徑，並將組織多個天線以相控陣 (亦稱「相位陣列」) 的形式協同工作，產生到達裝置的毫米波束。更小、更多的蜂窩使得 5G 網路基礎設施比以前的蜂巢式網路每平方千米覆蓋更昂貴。部署目前僅限於都市地區，那裡每個手機都有足夠的使用者來提供足夠的投資回報，而且人們對這項技術是否能夠到達偏鄉區域存在疑問。

5G 的高資料傳輸速率和低延遲被認為在不久的將來會有新的用途。 一種應用是實際的虛擬實境和擴增實境；另一種應用是物聯網中快速的機器對機器的互動。例如，道路上車輛中的電腦可以通過 5G 連續不斷地相互通訊，也可以連續不斷地與道路通訊。

## 規格

下一代行動網路聯盟（Next Generation Mobile Networks Alliance）定義了 5G 網路的以下要求：

* 每平方公里最多可支援 100 萬台裝置；
* 以 1Gbps 的數據傳輸速率同時提供給在同一樓辦公的許多人員；
* 支援數十萬的並發連接以用於支援大規模傳感器網路的部署；
* 頻譜效率應當相比 4G 被顯著增強；
* 覆蓋率比 4G 有所提高；
* 信令效率應得到加強；
* 延遲應顯著低於 LTE。

## 基地台及覆蓋範圍

## 技術創新

5G 與 4G 相比的技術創新如下：

* 支援 512-QAM 或 1024-QAM 更高的資料壓縮密度調變 / 解調變器，目前 4G 使用 256-QAM 或 64-QAM 的調變以壓縮傳輸資料，因此頻譜效率每 Mbps/100MHz 的利用效率更高。
* 新增 24-52GHz 的毫米波頻段進行通訊，比如目前 4G 使用 700MHz、900MHz、1800Mhz、2600Mhz 等低頻段，雖然電波繞射能力比較高但是在低頻上頻譜資源就卻相當有限，在高頻的毫米波大多是軍用戰鬥機雷達或測速照相等少數裝置，頻譜寬度更高，而且更容易找到連續頻譜，使空白頻譜非常容易取得。
* 多輸入多輸出（Multi-input Multi-output；MIMO）MIMO 多輸入多輸出利用電磁波的空間多工和路徑不同多天線系統提高傳輸速率，類似在軍用領域的技術將延伸出的商用技術版本。
* 波束自適應和波束成形，能夠提高特定方向的波瓣優化傳輸距離。
* 載波聚合（Carrier Aggregation）FR1 定義的最大頻道寬度為 100Mhz，FR2 定義的最大頻道寬度為 400Mhz，通過雙載波聚合可以分別拓展到 200Mhz 和 800Mhz。
* 新材料將使用 GaN 氮化鎵或是 GaAs 砷化鎵材料的 RF 射頻天線和功率放大器，此材料的 RF 射頻天線能在更高的頻段有更高的能源效率，裝置會比較省電。
* 為了適應工業物聯網、無人駕駛汽車、商用無人機等新技術的應用，網路延遲時間將降低到 1 毫秒。

## 部署

由於 5G 技術使用的毫米波（FR2）頻段是屬於極高頻（EHF），比一般電信業現行使用的頻譜（如 2.6GHz）高出許多。雖然毫米波能提供極快的傳輸速度，能達到 4G 網路的 100 倍，而且時延很低，但訊號的繞射能力（即繞過障礙物的能力）十分有限，且傳送距離很短，這需要增建更多基地台以增加覆蓋或者使用 FR1 頻段進行部署。

華為在 2013 年 11 月 6 日宣布將在 2018 年前投資 6 億美元對 5G 的技術進行研發與創新，並預告在 2020 年使用者會享受到 20Gbps 的商用 5G 行動網路。2014 年 5 月 8 日，日本電信營運商 NTT DoCoMo 正式宣布將與 Ericsson、Nokia、三星等六間廠商共同合作，開始測試凌駕現有 4G 網路 1000 倍網路承載能力的高速 5G 網路，傳輸速度可望提升至 10Gbps。預計在 2015 年展開戶外測試，並期望於 2020 年開始運作。

2013 年 5 月 13 日，韓國三星電子宣佈，已成功開發出第 5 代行動通訊（5G）的核心晶片，這一技術預計將於 2020 年開始推向商業化。該晶片技術可在 28GHz 超高頻段以每秒 1Gb 以上的速度傳送資料，且最長傳送距離可達 2 公里。與韓國目前 4G 技術的傳送速度相比，5G 技術要快數百倍。透過這一技術，下載一部 1GB 的高畫質（HD）電影只需十秒鐘。2015 年諾基亞與加拿大 Wind Mobile 通訊營運商成功測試 5G。在 2018 年冬季奧運期間，韓國推出了 5G 試驗網路，計劃於 2020 年實行大規模商用。2016 年 8 月 3 日，澳洲電信宣布將於 2018 年在黃金海岸進行 5G 試驗。

華為 2016 年 4 月份宣布率先完成中國 IMT-2020（**5G**）推進組第一階段的空口關鍵技術驗證測試，在 5G 頻道編碼領域全部使用極化碼，2016 年 11 月 17 日國際無線標準化機構 3GPP 第 87 次會議在美國拉斯維加斯召開，中國華為主推 Polar Code（極化碼）方案，美國高通主推 LDPC 方案，法國主推 Turbo2.0 方案，最終 eMBB 場景的控制頻道方案由極化碼勝出，eMBB 場景的資料頻道方案由 LDPC 勝出。

2016 年高通公司發表全球首個 5G 基頻晶片 X50，驍龍 X50 5G 數據機使用 28GHz 毫米波通訊，下行速率達到 5Gbps 為目前最快的量產形晶片 X16 使用在 S835 處理器的 1Gbps 的 5 倍之多，X50 基頻可能在 2018 年初量產。高通進一步的解釋是，利用毫米波波長短的特點，形成狹窄的定向波束，發送和接收更多能量，從而克服傳播 / 路徑損耗的問題並在空間中重複使用。此外，在視距路徑受阻時，非視距（NLOS）路徑（如附近建築的反射）能有大量能量以提供替代路徑。按照高通的規劃，驍龍 X50 5G 平台將包括數據機、SDR051 毫米波收發器和支援性的 PMX50 電源管理晶片。

2019 年手機晶片廠商聯發科在世界行動通訊大會 (MWC 2019)，展示該公司第一款 5G 數據機晶片 M70 的傳輸速度，目前正與客戶緊密合作，預期 2020 年市場上將推出搭載聯發科技晶片的 5G 終端裝置。

2019 年 4 月 3 日，韓國於當地時間（UTC+9）23 時啟動 5G 網路服務並成為第一個 5G 國家。三家韓國電信公司（SK Telecom，KT 和 LG Uplus）在發布當天表示使用 5G 網路的使用者已超過 40,000。

2020 年 4 月 30 日，全球海拔最高，位於珠穆朗瑪峰海拔 6500 米的前進營地的 5G 基地台投入使用。

2020 年 7 月 28 日，德國電信證實，其 5G 服務目前已覆蓋德國全國 3000 個城鎮和直轄市，已有近 3 萬個 5G 天線投入使用。

## 部分已商用的國家或地區

以下列表按時間排序

* 南韓（2018 年 12 月 1 日面向企業使用者，首批運營商為 SK 電訊、KT、LG U+，2019 年 4 月 3 日面向個人消費者）
* 美國（2019 年 4 月 3 日，首個運營商為 Verizon)
* 瑞士（2019 年 4 月 17 日，首個運營商為瑞士電信 Swisscom AG）
* 英國（2019 年 5 月 30 日，首個運營商為 EE）
* 阿聯（2019 年 5 月 30 日，首個運營商為阿聯電信）
* 義大利（2019 年 6 月 5 日，首個運營商為沃達豐 Vodafone)
* 西班牙（2019 年 6 月 15 日，首個運營商為沃達豐 Vodafone）
* 科威特（2019 年 6 月 15 日，首批運營商為 VIVA、ZAIN、Ooredoo）
* 摩納哥（2019 年 7 月 9 日，首個運營商為摩納哥電信，亦為全球首個 5G 全覆蓋的國家）
* 德國（2019 年 7 月 14 日，首批運營商為德國電信）
* 中國大陸（2019 年 10 月 1 日，中國移動、中國電信、中國聯通、2022 年 6 月 27 日，中國廣電。2022 年 7 月，中華人民共和國工業和信息化部表示中國累計建成開通 5G 基地台 196.8 萬個，5G 移動電話使用者達到 4.75 億戶，已建成全球規模最大的 5G 網路。）
* 日本（2020 年 3 月 25 日 NTTDoCoMo、2020 年 3 月 26 日 au (KDDI)、2020 年 3 月 27 日 Softbank、2020 年 9 月 30 日樂天行動）
* 香港（2020 年 4 月 1 日，3 香港、CSL、中國移動香港、1010、2020 年 5 月 26 日 SmarTone）
* 臺灣（2020 年 6 月 30 日中華電信、2020 年 7 月 1 日台灣大哥大、2020 年 7 月 3 日遠傳電信、2020 年 8 月 4 日臺灣之星、2020 年 10 月 22 日亞太電信）
* 新加坡（2020 年 8 月 17 日星和電信、2020 年 9 月 1 日新加坡電信）
* 澳門（2022 年 11 月 14 日澳門電訊、2022 年 12 月 23 日中國電信）

## 爭議

### 健康問題

自 2019 年以來，一些團體以「健康問題」為由，反對部署 5G。最終未有證據說服監管機構或專業協會（如：美國國家癌症研究所）證明 5G 對人體有害。

### 間諜活動

美國聲稱「海外間諜可能利用中國的裝置而從事間諜活動」，要求其盟國禁止使用由中國提供的 5G 裝置。這個原因說服部分國家或地區停止採購，澳洲、日本、台灣等國家及地區已禁止其運營商在 5G 網路建設中採購中方裝置，例如華為，英國亦僅允許華為有限度參與該國 5G 建設。有專家指出，西方國家在全世界建造電話網路的時候就曾加入過後門存取管道，很難相信中國不會做同樣的事。

繼英國決定禁止華為參與 5G 建設之後，法國政府規定拒絕購買華為 5G 裝置的電信公司續簽許可證，由此華為將在 2028 年前徹底登出法國電信網路。跟英國直接宣布禁用華為不同，法國採取了陸陸續續非正式通知的方法，讓希望使用華為的電信公司知難而退。法國網路安全機構 ANSSI 負責人波帕爾（Guillaume Poupard）向《回聲報》記者證實，華為將視具體情況被拒絕，諾基亞和愛立信並不存在這個問題。

2020 年 7 月，英國文化大臣奧利弗・道登（Oliver Dowden）宣佈，英國政府已經決定停止在 5G 網路建設中繼續使用華為裝置。道登表示，英國政府將從 2020 年 12 月 31 日起停止購買新的華為裝置，而英國 5G 網路中現有華為裝置須在 2027 年前拆除。

### 實際需求

華為創始人任正非在 2018 年 4 月接受新華社採訪時表示：「科學技術的超前研究不代表社會需求已經產生，5G 就是媒體炒作過熱了，我不認為現在 5G 有這麼大的市場空間，因為需求沒有完全產生。如果說無人駕駛需要 5G，現在能有幾台車在無人駕駛？其實輪船、飛機等已經實現了無人駕駛，但是如果飛行員不上飛機，乘客敢上飛機嗎？就是這個道理。系統工程不是有一個喇叭口就能解決的問題。」

網易創始人丁磊在 2019 年兩會期間表示：「我不認為 5G 的高速會對目前的媒體平台有重大的改變，全世界都一樣…… 它只是個速度的增加而已，其實你現在手機速度也夠快了，不管是 WIFI、4G，都差不多夠快了。我覺得（日常使用）基本上完全可以滿足。」

### 干擾

由於 5G 和部分衛星通訊同樣會使用 C 波段，加上地面上的 5G 訊號強度要明顯高於衛星訊號，可能導致 5G 訊號干擾衛星訊號的情況。針對這一情況，市面上已有面向衛星使用者的濾波器，可減少 5G 訊號帶來的干擾。

2020 年底，美國航空無線電技術委員會（RTCA）發佈報告，指美國聯邦通訊委員會將開放給 5G 的 3.7~3.98 GHz C 波段，與飛機上降落時測量離地距離的無線電高度計所使用之 4.2~4.4 GHz 頻率可能會發生干擾，同時也可能會干擾航空所使用的相關電子裝置，造成飛航安全問題。2022 年 1 月，因新開放的波段影響，多個航空公司取消飛美國的一些航班。美國兩大行動電信公司 AT&T 與威訊表示會暫緩啟用機場周邊 5G 的新波段，並設立緩衝區；其他國家因開放的頻段與 4.2~4.4 GHz 相隔較大，尚無造成飛航影響。

### 傳訊距離

3G 和 4G 傳訊距離皆比 5G 能來的更遠，由於 5G 使用的頻率較高的關係，讓訊號繞過障礙物的能力不如 3G 和 4G，但如果更密集式的架設 5G 基地台，可以減緩這傳送範圍小的問題，原本 3G 和 4G 網路可以相距較遠地架設基地台，但由於 5G 網路傳送範圍小，則需要更密集地架設基地台。
5G 在相比 4G 使用更高密度調變（高達 1024QAM）以及更高頻率（特別是毫米波波段）的情況下，繞射與抗干擾能力下降導致傳輸距離不如 4G，需要更大密度的架設基地台來彌補服務品質。

## 參見

* 5G NR
* 5G NR 頻段

## 參考資料