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5G不再來自於幻想,pCell幫你達成!

當台灣的人民還在痴痴的等待4G什麼時候才可以上路,當中國已經開始要混合4G LTE-TDD/LTE-FDD組成網域的時候,當南韓信誓旦旦說要砸下440億架構5G網路的時候,來自舊金山的創業團隊(Artemis Networks)卻已宣稱,藉由該公司的產品「pCell」,就可以實現5G網路所要求的速度與可靠度,最棒的是,只需利用可執行的4GLTE手機就可以達成,一秒載完一部電影不再是夢想,也不再來自於幻想!

根據《5G 網路技術最新發展現況白皮書》指出(註一),目前5G的發展必須考量一個無法改變的事實:無線頻譜是有限的,也就是著名的沈農理論(Shannon’s Law),但曾帶領蘋果開發QuickTime、創立被微軟收購的WebTV的Steve Perlman表示:「pCell可以不再被頻譜限制!」

圖片來源:IEEE spectrum

 

現行網路的通訊技術

 

現行的無線傳輸技術的速度,決定於同一個無線網路點(Wi-Fi access point)同時有多少個人使用:假設同一個網路點有兩個人使用,數據量(Data rate)就會變成50%,同時三個人使用就會變成原本一個人的33%。

2013224pCell-2圖片來源:註四

另外,由於相同的頻率會互相干擾的關係,不同的無線網路點必須使用互不干擾的頻率,也就是說,當我們的終端使用者從一個網路點到另一個網路點的時候,數據會跳到不同的頻率來傳輸,而這個限制會造成下述的問題:隨著建築物與遮蔽物越多,我們必須設立越多無線網路點,而越多的無線網路點,就會造成頻寬的限制,進而造成下載速度變慢,最直接的影響就是影片無法順暢播放。

現行有一些技術可以解決上述的問題,如多輸入多輸出(MIMO;Multi-input Multi-output)和波束賦形(Beamforming)。多輸入多輸出指的是利用增加接收端和輸出端的天線數量,可以不用增加頻寬即可增加資料的吞吐量(throughput)(註二);而波束賦形則指的是用干涉的方式,讓不同時間的訊號同時進入接收端,並且濾除掉不需要的雜訊(註三)

這兩個方法看似可以解決現行無線通訊技術的問題,但現實上卻卻並不如理想上可靠,尤其在透過網路觀看影片和玩線上遊戲時。

 

pCell的通訊技術

 

Steve提出的pCell,是personal-Cell的簡稱,除了我們看到的的pCell本身外,事實上這是一套整體的設備與服務,不僅把原本惱人的干擾問題變成增強信號的工具,並且只要靠一個小於1mm附加在手機的裝置,每個人都可以享受整個頻譜(Spectrum)。

2013224pCell-3

圖片來源:註四

一般來說,當要連到一個網站時,首先要先連到一網路,再來網路會找到我們想要去的網站,並且把內容,傳送到我們的電腦,而在pCell系統中,一個網站的資料並不會直接傳到使用者,而會先送到一個雲端的數據處理中心,而編譯後的無線電信號(radio signal)會直接傳到每個人的手機附加裝置上,就好像你的手機附加裝置就是整個網路資料庫,故每個人都享有自己的頻道(Channel)

注意到我這邊說的是頻道(Channel)而非頻譜(Spectrum),現行的通訊技術都使用相同的頻道傳輸資料,所以造成不同的頻道就需要使用到頻譜上不同的波段。而pCell這整個系統則藉由複雜但精確的數學方法,讓每個使用者都可以使用自己的頻道,而這個自己的頻道,因為沒有人共享,因此可以擁有整個頻寬(1 MHz to 1 GHz)(註四)

這樣講或許有點抽象,但我們想像一下,假設上文所敘述的數據處理中心就是十個包含天線的發射地點,而且在包圍的範圍裡有十個使用者,物理上來說,就可以製造出十種互不所屬(independent)的波信號,每個取用點可以根據自己的本身的數據取得只屬於自己的波信號。這個特性可以讓,數據的計算量並不會隨著使用者增加而呈現指數的成長,而是線性的增長,相對在數學上好控制得很多,較不必擔心處理量暴增的問題。

綜合以上,pCell索架構出的5G系統,可比4G的速度快上100到1000倍。Steve自豪的說:「這絕對是無線通訊技術上的一個巨大改變及革命。」

 

對於未來的想像

 

同時,考慮到現實的市場,Steve自己也說:由於4G技術的起步,基礎建設的使用年限還有很久,許多電信業者為了利益的關係,pCell這一整套系統要真正的在生活中實現,或許還需要一段時間。Steve也建議,pCell可以在網路使用量大的地方(如機場,火車站)先行實驗,並視其成效推廣。

但回到一個同時也是無可避免且必須被提出的問題,當我們擁有一秒下載一部影片的網路速度時,我們要利用這個工具來處理什麼樣的問題?我們的硬碟儲存容量能夠跟得上嗎?

假設我們先忽略硬碟容量的問題,在筆者的想像裡,或許會有一種新的技術與服務出現,稱作非常及時的使用者介面,這一秒內感測到的及時使用者資訊,會立刻傳送到後端處理,並且計算出下一秒使用者最喜歡的介面,而上一秒的資料將會被立刻刪除,並且一直重複這個過程。或許在未來的世界裡,只要建構好夠大量的資料庫,並搭配上機器學習(Machine Learning),看病只需要被電腦感測身體的數據,可以很大量,可能甚至包含眨眼睛的次數,就可以立刻找出在資料庫裡最符合自己的數據,並且對應到相關的治療方法,就連開刀機器手臂也能根據各個可能測量到的數據,自己學習到如何決定下秒下刀的方向和力道;此外,及時的3D甚至是4D的虛擬交談也可以仰賴這個技術;更甚者,可以建立出一個完全一樣的自己,在睡覺休息時幫自己不間斷的處理工作事務。

而在各種不負責任的幻想之餘,還是來讓我們看看,Steve是如何介紹自己劃時代的創新產品吧!



註一:http://www.home.agilent.com/agilent/editorial.jspx?ckey=2366375&id=2366375&nid=-11143.0.00&lc=cht&cc=TW
註二:http://en.wikipedia.org/wiki/MIMO
註三:http://en.wikipedia.org/wiki/Beamforming
註四:http://www.rearden.com/DIDO/DIDO_White_Paper_110727.pdf

本文內容及圖片多處參考註四的文章以及IEEE spectrum對pCell的介紹:http://spectrum.ieee.org/tech-talk/telecom/wireless/5g-service-on-your-4g-phone,若讀者有興趣可以參閱,若有與原文不盡偏頗之處歡迎留言指教。

About Allen Shang

塵世中的一個迷糊小書僮。現就讀台大電機系,希望透過文字來瞭解這個太過複雜的世界,也希望這個世界透過文字認識這個太過渺小的自己。曾任台大不一樣思考社社長,相信學而不思則罔,思而不學則殆。Email: [email protected]
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