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產業技術評析

美中科技戰從5G蔓延至6G,次世代通訊潛在關鍵技術將成為一級戰區
發表日期:2022-05-11
作者:陳俊儒(工研院)
摘要:
從1980年到2010年,觀察第一代行動通訊開始到4G發展的30年間,行動通訊技術偏重在「人與人的溝通」,讓民眾可恣意地通話、發布照片與上傳視訊內容,形塑一個超國度的全球大型社群網路。

全文:

一、6G將成為美中科技新戰場
 

從1980年到2010年,觀察第一代行動通訊開始到4G發展的30年間,行動通訊技術偏重在「人與人的溝通」,讓民眾可恣意地通話、發布照片與上傳視訊內容,形塑一個超國度的全球大型社群網路。

然而從5G時代開始,行動通訊技術的發展重點轉向「人與物的溝通」,偏重在垂直行業的商業應用,如智慧工廠、遠距醫療、自動駕駛等實現模擬人類真實反應的關鍵任務,藉由5G帶動產業應用升級。第六代行動通訊系統(The 6th Generation Wireless Systems),簡稱6G,為現今5G的延伸,預期6G技術會有很大的程度優化並改善5G技術,按照過往行動通訊技術約每十年的演進歷程,預估2030年6G將可實現商用化。

過去中國大陸華為在5G快速進展,成為全球5G霸主的企圖心明顯,此舉威脅到美國在世界經濟、科技的領導地位,甚至威脅到美國的國防安全,故繼美中貿易戰之後,在5G戰場吹響了美中科技戰的號角。美國鑒於在5G開發競賽落後中國大陸,為避免6G的發展重蹈覆轍,美國電信產業標準聯盟(Alliance for Telecommunications Industry Solutions, ATIS)於2020年10月集結北美主要電信業者、國際系統設備大廠成立『Next G聯盟』,成員亦有歐、日、韓、臺等國的研究機構,以及基礎設施、半導體供應商等。聯盟目標在於塑造6G技術研發與標準化、網路架構,系統設備及其最終部署等。

此外,美國總統拜登和日本首相菅義偉於2021年4月達成共識,聯合投資45億美元用於研究、開發、測試和部署安全網絡以及次世代通訊技術,並在制定全球標準方面與中國大陸競爭。緊接著美韓兩國總統於2021年5月聯合聲明,共同投資35億美元,承諾將靈活運用Open-RAN技術,合作開發透明、高效、開放的5G和6G網路架構。

美國期望能在6G的發展上重返以往通訊領導地位之榮耀,積極與盟友合作,其去中化立場鮮明,制約中國大陸通訊發展的意味濃厚。然而中國大陸勢必會延續其5G的優勢,進而奮力突圍,預期6G將成為美中科技新戰場。
 

二、6G潛在關鍵技術
 

近年來各國紛紛發布6G發展願景包含美國、歐盟、中國大陸、日本、韓國等,並根據願景下之未來需求,例如超高速、超覆蓋、超節能、超低延遲、超信賴、超連結等,提出6G相關的潛在關鍵技術。6G潛在關鍵技術可分兩大類,一類是在原有5G基礎上進一步演化的技術,另一類是過去較被少關注的新興技術。
 

圖一 6G願景未來需求下,次世代通訊潛在關鍵技術

資料來源:工研院產科國際所 ITIS研究團隊(2022/05
圖一 6G願景未來需求下,次世代通訊潛在關鍵技術
 

(一)原有5G基礎上進一步演化的技術

1. 毫米波頻譜資源持續擴展

目前5G已規劃使用低於50 GHz的毫米波(mmWave),與中低頻段相比,毫米波可用頻寬要大的多,對於6G來說是非常寶貴的頻譜資源,故預計6G將會需要使用更多的毫米波頻段(高於50 GHz)。因為毫米波技術為回傳(Backhaul)、前傳(Fronthaul)和接入網路提供解決方案,可支持高速資料傳輸,適用於自動駕駛、智慧工廠等場景。

2. 超大規模MIMO提供靈活且具效率的無線傳輸

超大規模多輸入多輸出(Ultra-Massive Multiple-Input-Multiple-Output, UM-MIMO)簡稱為超大規模MIMO,而超大規模MIMO技術是大規模MIMO技術的進一步演進升級,具備在三維空間進行波束調整的能力,主要是透過天線和晶片系統整合度的不斷提升,將推動天線陣列規模持續增大,並導入新材料與人工智慧等技術,可實現更廣的網路覆蓋、更佳的頻譜與能源效率。

3. 高精度網絡提升互動式服務體驗品質

高精度網絡(High-Precision Network, HPN)整合各種支持大規模連接的無線電連接協議(Radio Link Protocol)以及其它協議,例如IETF確定性網絡(Deterministic Networking, DetNet)、IEEE時間敏感網絡(Time-Sensitive Networking, TSN)等,達到最大限度地減少端對端的延遲,降低抖動至微秒等級,以確保互動式服務的高體驗品質(Quality of Experience, QoE)。

4. 人工智慧與6G深度融合實現網絡自治

未來6G網絡設計之初將深度融合人工智慧技術,不再被視為外加的優化工具。人工智慧將原生於6G通訊系統,稱為人工智慧原生(AI-Native),使6G網絡具備充分利用網絡節點的通訊、計算和感知能力,通過透過人工智慧處理虛擬化網絡功能部署、服務品質(Quality of Service, QoS)、頻譜共享等任務,實現自治和自動化的6G網絡。

5. 區塊鏈即服務加強資訊安全

區塊鏈無線接取網絡(Blockchain Radio Access Network, B-RAN)在無任何第三方或中心代理的情況下,可建構多個網絡中及網絡間的協作信任,以進行管理網絡接取、身份驗證、授權和記帳等操作。B-RAN作為區塊鏈即服務(Blockchain as a Service, BaaS)平台,具有增強安全屬性,可為未來6G網絡用戶提供數據交換、隱私保護、跟蹤即監管等多項資安關鍵功能。

6. 邊緣運算擴展至無所不在的運算

5G網路邊緣的線上設備數量迅速增加,例如智慧工廠和智慧城市的IoT設備,產生大量數據資料並消耗大量資料頻寬,難以單單透過中央資料中心,這種傳統的雲端運算架構來處理。邊緣運算(Edge Computing)能將計算和儲存能力帶到網路邊緣,在實體或地理位置上盡可能接近終端設備,減少網路頻寬使用和延遲,縮短回應時間,故近年來邊緣運算獲得相當大的發展動能。未來6G電信架構會朝向分散式微服務架構(Distributed Micro Service-Based Architecture)發展,加上超低延遲的需求,邊緣運算將會更加重要,甚至擴展至無所不在的運算(Ubiquitous Computing)。

(二)過去較少被關注的新興技術

1. 太赫茲滿足超高速傳輸需求

太赫茲(Terahertz或稱為兆赫波)頻段早在1974年就被發表,已有近50年歷史,然而因不易透過傳統電子或光學方式產生發射源,使得太赫茲相關應用難以普及,被稱為太赫茲缺口(Terahertz Gap) 。正因為如此,太赫茲頻段較少被人使用,故其頻譜資源極為豐富,可大幅提升網路容量及速度,重點滿足Tbps等級大容量、超高傳輸速度的系統需求。太赫茲頻率範圍0.1到10 THz的電磁波,頻段位於毫米波和紅外線之間,許多6G相關組織將太赫茲列為未來6G發展的關鍵頻段。

2. 光無線通訊與6G互補

光無線通訊(Optical Wireless Communication, OWC),包含可見光與近紅外光,兼具光纖通訊和行動通訊的優勢,可實現高寬頻傳輸,且具有抗電磁干擾、無需頻率授權等優點。光無線通訊的主要缺點,就是光源一旦被遮蔽就無法通訊,但同時也造就其具備保密性的特點。光無線通訊潛在應用市場廣泛,除可做為室內無線AP用於居家、辦公室、機場、會議廳等室內場合,也可應用於視訊會議系統和潛水通訊等。光無線通訊如何與行動通訊網絡的進行接合,將會成為6G發展之重要課題。

3. 可重構智慧表面增強高頻覆蓋

可重構智慧表面技術(Reconfigurable Intelligent Surface, RIS)是由許多波長反射元件所組成的陣列模組,每個反射元件皆可獨立控制,透過主動智慧調控,讓訊號波束在特定方向上增強並反射,甚至可以抑制或消除干擾訊號。以解決6G所採用的太赫茲因繞射性差,導致基地台訊號容易被牆壁等障礙物所阻擋的問題。可以應用於高頻覆蓋增強、綠色通訊、輔助電磁波環境感知和高精度定位等場景。

4. 軌道角動量提升頻譜效率

軌道角動量(Orbital Angular Momentum, OAM)是電磁波固有的物理量,作為無線通訊傳輸的一種新物理維度,利用OAM模態之間的正交性,能夠有效提升無線通訊系統的頻譜效率、傳輸容量和抗干擾能力。具有OAM的電磁波又稱為漩渦電磁波(Vortex Electromagnetic Wave, VEMW),其相位面呈現螺旋狀,非傳統平面相位電磁波,是由天線發射經典電磁波波束,然後經由迴旋電子直接激發的電磁波量子態。OAM可視為一種新型MIMO波束成形方式,在點對點直接傳輸時,與傳統MIMO波束相比可大幅降低波束成形和數位訊號處理複雜度。

5. 非地面網絡實現高空通訊應用

3GPP預計在5G標準Release 17版本中,將非地面網絡(Non-Terrestrial Network, NTN)通訊納入,列為6G的關鍵技術,提到非地面通訊與地面通訊的緊密配合,運用太赫茲、光通訊等新頻譜;智慧非地面網絡(Smart NTN)的飛行節點(Flying Nodes)成為6G網絡的智慧邊緣節點(Smart Edge Nodes),實現在空中的運算和存儲等研究方向。

6. 觸覺互聯網實現遠程精密控制應用

觸覺互聯網(Tactile Internet, TI)是指通過對觸覺控制資訊的傳輸和回饋,來進行精密的動作控制,可與實際或虛擬的物體進行遠程即時的交互作用,包括人對機器、機器對機器的互動,以實現社會和工商業等領域即時協作系統與創新應用。觸覺互聯網作為6G的關鍵技術,已引起學術界和產業界的關注,國際電信聯盟(ITU)和電機電子工程師學會(IEEE)等國際標準組織已經開始觸覺互聯網相關領域的標準制定。

7. 水下無線通訊拓展水下物聯網應用

世界貿易約有90%是由國際海運產業承運,雖然5G在深海養殖有創新的應用案例,但海洋機器類型通訊(Machine Type Communication, MTC)在5G網絡仍處於發展的早期階段。隨著水下物聯網(Internet of Underwater Things, IoUT)開始受到重視,除了商業上的應用,國家安全議題亦有所討論,例如水下環境監測、海洋災害預測等,故有專家提及水下無線通訊(Underwater Wireless Communication, UWC)可能成為6G通訊網絡的關鍵技術之一。
 

三、結論
 

6G願景的發布可視為次世代通訊標準化前哨戰的開啟,各個通訊發展先進國,例如美國、歐盟、中國大陸、日本、韓國等,其6G發展相關的產官學研機構在近年來積極發布6G願景,其用意在於搶占6G關鍵技術標準化的話語權高地,為取得後續標準制定權,以掌握6G核心專利,期望在未來6G科技競賽中搶占先機。雖然美國積極與印太地區國家聯合投資6G的發展,但中國大陸在6G的實力不容小覷,根據日經亞洲評論與日本調研機構於2021年9月的報告指出,中國大陸6G專利申請占40.3%,位居全球首位,預期今後美中科技戰在6G戰場的將更為激烈。6G在國際局勢分切兩大陣營的趨勢下,6G亦有可能發展成兩套互不相容的系統,美國為首的一套,中國大陸為首的一套,對於應用端的產品與服務將出現分歧。

美國成立Next G聯盟,試圖創建新的通訊產業生態體系,並積極拉攏歐日韓臺廠商結盟,去中化立場明顯,預估將對未來6G產業版圖產生相當程度的影響。臺灣業界過去長期遵循國際3GPP標準組織運作,除了延續參與既有3GPP的6G工作小組,更應積極鏈結潛力通訊產業聯盟,例如Next G、IOWN (Innovative Optical and Wireless Network)、Open RAN等,將有助於參與6G標準制定並推動產業生態發展。

關於6G相關的潛在關鍵技術,一類技術是在原有5G基礎上進一步的演化,例如毫米波(高於50 GHz)、超大規模MIMO、高精度網絡、人工智慧原生、區塊鏈無線接取網絡、無所不在的運算(邊緣運算的演進)等,各通訊發展先進國將會持續推動5G的技術發展和應用,以作為未來6G發展的基礎。另一類技術是過去較少被關注的新興技術,例如太赫茲、光無線通訊、可重構智慧表面、電磁波軌道角動量、非地面網絡通訊、觸覺互聯網、水下無線通訊等,目前這些新興技術發展路徑以及應用場景尚不明確,還須持續關注各通訊發展先進國在6G的技術發展方向。
 

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2020-04-08

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