5G是什麼？和4G有什麼不同？速度與延遲的原理
5G是第五代行動通訊的標準。比起4G，它使用更寬的頻段，以及把電波集中射向對方的天線等技術。這提高了速度、降低了延遲，也增加了可同時連線的數量。不過，「最高20 Gbit/s」與「1毫秒」是國際機構訂的目標值。實際速度會因地點與頻段種類而有很大差異。
這篇文章可以了解
- 行動通訊的「世代」是什麼，由誰決定
- 5G的3個目標，以及實際速度遠低於目標的原因
- Sub-6與毫米波的差異，以及毫米波需要很多小型基地台的原因
- 「5G」圖示代表什麼（NSA與SA），以及電波安全的標準
先備知識：不需要。先讀「Wi-Fi是怎麼運作的？」，會更容易理解電波寬度與天線的部分。
生活中的例子
手機畫面上方會顯示「5G」或「4G」。在電信業者的廣告中，5G常被說成「高速、大容量」與「低延遲」。可是即使顯示5G，有時也覺得速度和4G差不多。
本文先看5G當初想達成什麼。接著依序說明，目標與實際的差距是從哪裡來的。
「世代」是大約每10年一次的重新設計
行動通訊大約每10年就會大幅重新設計一次。以日本為例，第1代在1979年以汽車電話的形式開始。1993年的第2代，開始把聲音換成數位的0與1來傳送。之後，第3代在2001年開始。日本的5G由NTT Docomo、au、軟銀（SoftBank）在2020年3月推出，樂天行動則在9月推出。
世代一變，把資料放上電波的方法，以及使用電波的規則都會改變。要使用新世代的電波，需要支援它的手機與基地台。基地台是設在大樓屋頂或鐵塔上，負責收發行動電話電波的設備。
決定各世代目標的，是聯合國的專門機構國際電信聯盟（ITU）。它用數字訂出要追求的性能。至於滿足目標的具體技術規則，則由另一個團體制定。
其中的核心是3GPP，由世界各地的電信業者與設備廠商組成。3GPP把規格整理成稱為「Release」的版本發布。5G的第一個版本是Release 15。搭配4G設備運作的形式在2017年12月核准，只用5G運作的形式則在2018年6月核准。
其實，2010年開始的LTE，在日本起初也被稱為「3.9代」。因為符合ITU所訂4G條件的，是它的進化版LTE-Advanced。現在把LTE也稱為「4G」已是常態。世代的名稱，也有作為宣傳用語的一面。
5G的3個目標
ITU在2015年，把5G要達成的用途歸納成3類。第1類是快速傳送影片等大量資料。這稱為「增強型行動寬頻」，英文縮寫為eMBB。
第2類是延遲極小、不容易中斷的通訊。設想的是從遠處操作工廠機器這類用途。這稱為「超可靠低延遲通訊」，寫作URLLC。
第3類是同時連接非常多的設備。設想的是電表、瓦斯表或感測器這類偶爾傳送少量資料的設備。這稱為「大規模機器型通訊」，寫作mMTC。
ITU在2017年，用數字訂出被認定為5G所需的最低性能。速度的單位Gbit/s，是每秒10億位元。位元是0或1的一位數。ms是毫秒，也就是千分之一秒。
| 項目 | ITU的目標 | 是什麼樣的值 |
|---|---|---|
| 最高速度（下行） | 20 Gbit/s | 1台設備獨占電波的最佳條件 |
| 體驗速度（下行） | 100 Mbit/s | 在擁擠的市區，95%的使用者能達到的速度 |
| 無線區間的延遲 | 4 ms（eMBB） 1 ms（URLLC） | 空閒時，手機與基地台之間（單程） |
| 可連接的設備數 | 每1 km²達100萬台 | mMTC的目標 |
這些是在既定條件下，用計算或測試來確認的目標。它們並不保證使用者實際能得到的速度。另外，Mbit/s是每秒100萬位元，下行是指手機接收的方向。
實際速度遠低於目標的原因
20 Gbit/s是1支手機能用掉基地台所有電波時的值。實際上，附近的人要共用1座基地台的電波。離基地台遠或躲到建築物後方時，電波會變弱。這時每次放上的資料會減少，以確保送達，所以會更慢。
電信業者能使用的電波寬度也有限。NTT Docomo在2020年3月推出5G時，最高為下載3.4 Gbit/s。這也是最佳條件下的值，測速App顯示的數字通常更低。
延遲的「1毫秒」，也只是手機與基地台之間無線區間的單程目標。再往後，還有電信業者的設備，以及網際網路上很長的路程。光在光纖中前進的速度約為每秒20萬公里。若對方在單程500 km外，光是往返就約需5毫秒。
從送出資料到回應返回的時間，稱為RTT（往返時間）。體感的慢，與其說取決於無線區間，不如說取決於整個RTT。真正想降低延遲的用途，還會搭配把負責處理的電腦（伺服器）放在使用者附近的做法。
電波的頻段：Sub-6與毫米波
行動電話的電波每秒振動數億到數百億次，這個次數稱為頻率。要變快，最直接的方法是擴大使用的頻率範圍，也就是電波的寬度。寬度變2倍，同一時間能傳送的量也大約變2倍。這和Wi-Fi頻道寬度的想法相同（「Wi-Fi是怎麼運作的？」）。不過，4G以前使用的較低頻率，幾乎已經沒有空間了。
因此5G開放了更高、能使用大寬度的頻率。以日本為例，2019年4月把5G用的電波分配給4家電信業者。GHz是每秒10億次，MHz是每秒100萬次。3.7 GHz頻段與4.5 GHz頻段每個區塊寬100 MHz，28 GHz頻段每個區塊寬400 MHz。其中低於6 GHz的頻段，稱為「Sub-6」。
像28 GHz頻段這樣的高頻段，稱為「毫米波」。因為從波峰到下一個波峰的長度（波長）很短，約1 cm。嚴格來說，毫米波是指30 GHz以上，28 GHz還差一點。但業界都把它們統稱為毫米波。
一般來說，頻率越高的電波，越難繞到物體後方，距離一遠也越容易減弱。毫米波連遇到牆壁、窗戶玻璃、人的身體或手都會減弱。Sub-6容易涵蓋大範圍，毫米波則適合在小範圍內大量傳送。這和Wi-Fi的2.4 GHz與5 GHz頻段的關係是相同的傾向。
發揮毫米波的優勢：小型基地台與集中電波的天線
1座基地台負責的範圍，稱為細胞（cell）。毫米波的細胞很小，要涵蓋大範圍就需要很多基地台。因此會在車站前或體育場這類人潮聚集的地方，集中設置小型的基地台。這種負責小細胞的基地台，稱為小型基地台（small cell）。
另一個方法，是把電波集中送往需要的方向。在基地台上排列數十到數百個小天線，讓各天線發出波的時間稍微錯開。這樣在某個方向上，波峰會對齊而互相增強，在其他方向則互相減弱。這稱為波束成形。
大幅增加天線數量，同時對好幾支手機分別射出波束的機制，稱為大規模多輸入多輸出（Massive MIMO）。它把同時傳送不同資料的多輸入多輸出（MIMO）想法，大幅擴展而來。Sub-6的基地台也會使用，例如有在3.5 GHz附近排列64組天線的設備。
毫米波的波長短，所以每個天線都能做得很小。因此，手掌大小的板子上也能排列很多天線。也就是用集中電波的方式，彌補毫米波不易傳遠的弱點。
「5G」圖示代表什麼：NSA與SA
電信業者內部有確認使用者身分、管理資料去向的中心設備，稱為核心網路。基地台則扮演入口的角色，連接手機與核心網路。
為了盡早推出5G，初期的5G大多是搭配4G設備建置的。手機同時連上4G與5G的基地台，連線的管理由4G負責。資料大多由5G的電波傳送，核心網路則使用4G用的。這種方式稱為非獨立組網（NSA）。
採用NSA，就能利用現有的4G設備，快速又便宜地開始。只用5G基地台與核心網路運作的方式，稱為獨立組網（SA）。5G的許多新功能，要在使用5G核心網路的SA上才能發揮。以日本為例，軟銀在2021年10月於日本國內率先推出SA的商用服務，各家業者也陸續擴大。
另外，也可以把原本4G用的頻率，改用5G的方式來使用。這稱為頻譜重耕（refarming）。它能讓大範圍很快變成5G，但電波寬度和4G一樣，所以速度也和4G差不多。NTT Docomo也說明，使用4G頻率的5G，速度「與4G相當」。
網路切片：把1套設備依用途切分
5G的3個目標，各自要求的東西都不一樣。影片要速度，機器的遠端操作要低延遲，電表要連得多。因此在使用5G核心網路的SA上，可以在同一套設備上，虛擬地建立好幾個性質不同的網路。這稱為網路切片。
例如，可以為某座工廠準備一個以低延遲為優先的切片。切片可以用軟體設定來建立，也能改變大小。這裡把說明簡化了。實際上能選什麼，取決於電信業者的服務與合約。
今後的5G與6G
3GPP持續改良5G的規格。從2024年完成的Release 18起，冠上了「5G-Advanced」的名稱。其中加入了降低基地台耗電的做法，也開始研究把AI用在電波的控制上。
至於下一代的6G，ITU在2023年整理出要追求的用途與性能的框架。3GPP計畫在Release 21制定6G的第一版規格。許多計畫以2030年左右實用化為目標，但時程與內容仍有尚未確定的部分。
常見的誤解
誤解：5G一定比4G或Wi-Fi快
實際上，5G的速度會因使用的頻段與擁擠程度而有很大差異。由4G頻率重耕而來的5G，速度和4G差不多。毫米波有時會非常快，但一進入建築物或改變方向，就會很快變弱。
在家裡，連接光纖網路的Wi-Fi往往更快也更穩定。哪個比較快，取決於地點與時間。
誤解：只要顯示「5G」，就能用到5G的所有功能
實際上，圖示只表示手機連上了5G的電波。如果是NSA，中心設備是4G用的，電波也可能是由4G頻率重耕而來。發揮低延遲的功能或網路切片，要在SA且有支援的服務下才能使用。圖示的顯示方式，也因機型與電信業者而不同。
誤解：5G的電波對身體有害
看不見的電波變多時，感到不安是很自然的事。實際上，電波對身體已經確認的影響，是強電波會讓身體發熱。這是電波的能量轉變為熱的現象，和微波爐加熱食物的原理相同。因此國際專家委員會ICNIRP在指引中訂出上限，遠低於會讓體溫上升的強度。2020年的修訂，重新檢討了5G使用的6 GHz以上電波的處理方式。
以日本為例，日本總務省參考這份指引，訂定了「電波防護指針」。對一般民眾的全身，基準是會出現體溫上升影響之強度的50分之1。法規規定，基地台在人會進入的地方不能超過基準。手機即使貼近身體使用，也不能超過基準。6 GHz以上的電波主要在身體表面被吸收，因此也加入了以表面吸收為依據的基準。
WHO在2020年說明，綜合許多研究的結果，目前並未確認無線技術對健康有不良影響。另一方面，WHO的專門機構IARC在2011年，把無線電波歸類為「可能致癌」（2B級）。這項分類主要依據調查手機使用與腦瘤關係的研究。它代表在人體上的證據仍有限，研究與重新檢討至今仍在進行。
從數字來看
| 項目 | 數字 | 比較 |
|---|---|---|
| 5G最高速度的目標 | 20 Gbit/s（ITU，2017年） | 4G研究目標（低速移動時1 Gbit/s）的20倍 |
| 無線區間延遲的目標 | 1 ms（URLLC，單程） | 經光纖與500 km外往返約5 ms |
| 電波的波長 | 28 GHz頻段約1 cm | 3.7 GHz頻段約8 cm |
| 日本的5G人口涵蓋率 | 98.6%（2025年度末，日本總務省） | 住在可使用5G地點的人口比例。前一年度末為98.4% |
進一步學習
- 上一篇文章：把資料放上電波的方法與MIMO的基礎，請看「Wi-Fi是怎麼運作的？」
- 手機中處理5G電波的數據機和濾波器，請看「手機裡有哪些半導體？」
- 用表格看差異：Wi-Fi、藍牙與LPWA的差異（用途接近mMTC的無線通訊）
- 用計算試試看：dBm換算工具（電波強度的單位）、資料傳輸時間計算工具
- 下一步的名詞：自由空間路徑損耗（電波隨距離與頻率減弱的程度）、低功耗廣域網路（LPWA）（把少量資料傳到遠處的無線通訊）