回顧：從1G到5G 看通訊產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展與競合

　　OFDM –解決多重路徑干擾、頻譜效率更高、可結合MIMO

　　訊號從傳送端發(fā)射、經(jīng)由傳輸通道到達接收端的傳送過(guò)程中，會(huì )遭遇到各種不同的阻隔物，使得電磁波產(chǎn)生穿透、反射、折射、散射以及繞射等作用;當訊號到達接收端時(shí)，原本一個(gè)訊號將變成多個(gè)不同路徑的入射訊號，每一個(gè)入射訊號到達時(shí)的時(shí)間、強度、角度等均不相同。訊號經(jīng)過(guò)不同的路徑抵達接收端后，接收端收到的訊號通常已與原始訊號不同，這種現象稱(chēng)之為 多重路徑干擾。在都會(huì )區或住宅區因為高樓林立、有著(zhù)許多物體妨礙，因此比起空況的郊區或公園，會(huì )受到較嚴重的多重路徑干擾。

　　為了避免多重路徑干擾，通訊專(zhuān)家們統計出一個(gè)頻寬范圍，確定訊號傳輸時(shí)只要在此頻寬范圍內，波形便不會(huì )失真;這個(gè)頻寬范圍稱(chēng)為“同調頻寬”。當傳輸速率越高時(shí)、同調頻寬也會(huì )越小，意味著(zhù)越容易受到多重路徑干擾。如何在維持高速率傳輸(同調頻寬小)的條件下、對抗多重路徑干擾的問(wèn)題呢?

　　OFDM的方法相當聰明，它將原本的一段大頻寬的信號切割成多個(gè)小頻寬再分別傳輸，這樣就算同調頻寬變小也不會(huì )有影響。

　　還記得我們在通訊業(yè)的基本名詞介紹中提到，所謂的“載波”意指把人聲等低頻訊號轉成高頻率的電磁波，等傳遞到遠方另一支通訊設備時(shí)，再由電磁波轉回人聲的方法。OFDM 技術(shù)將無(wú)線(xiàn)通信傳輸信號分割成了多個(gè)子載波進(jìn)行傳輸，每個(gè)子載波僅僅攜帶了很小一部分的資料負載，有效解決了多重路徑干擾。

　　不僅能將一段頻寬切割成小頻寬再傳輸出去，OFDM所需的總頻寬也較小?！邦l譜效率”指每單位頻寬具有多少數據傳輸率(bps)，也就是說(shuō)如何讓每單位頻寬的電磁波能傳送更多的0 和1 數位訊號。OFDM允許各個(gè)子載波部分交疊，使頻譜的利用效率更高、讓資料傳輸量更大。

　　除此之外，OFDM更能支援MIMO技術(shù)。MIMO (Multiple-Input Multiple-Output)意思是多輸入多輸出，使用多組發(fā)射天線(xiàn)與多組接收天線(xiàn)的系統。藉由讓通道使用不同的訓練訊號，由于每組發(fā)射器所使用的訓練訊號都不一樣，可輕易辨認每個(gè)訊號的來(lái)源。

　　相對于SISO (Single-Input Single-Output， 單一輸入和單一輸出)只能使用一組發(fā)射天線(xiàn)和一組接收天線(xiàn)，MIMO能在不需要增加頻寬、或總發(fā)送功率耗損(transmit power expenditure)的情況下，大幅地增加系統的資料吞吐量及傳送距離。

　　有了MIMO-OFDM兩者技術(shù)的結合，WiFi取得了極大的成功;隨著(zhù)版圖不斷擴大，IT業(yè)的巨頭開(kāi)始覬覦起其他的無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)的市場(chǎng)大餅，比如行動(dòng)通訊的3G與4G。

　　WiFi標準是IEEE 802.11，IT巨頭進(jìn)軍通訊業(yè)的標準是802.16 ，稱(chēng)作“WiMax”。2005年，Intel和Nokia、Motorola共同宣布采用并發(fā)展802.16標準，進(jìn)行行動(dòng)裝置、網(wǎng)路設備的互通性測試。

　　有Intel領(lǐng)頭的WiMax來(lái)勢洶洶，通訊產(chǎn)業(yè)這邊卻是起家歡樂(lè )幾家愁。OFDM說(shuō)起來(lái)也不是新技術(shù)，早在1960年代貝爾實(shí)驗室發(fā)明OFDM后，技術(shù)框架約在1980年代便已建立完成。然而當時(shí)能支援OFDM的硬件尚不發(fā)達、CDMA又由高通領(lǐng)軍一時(shí)紅火，便淘汰在3G標準之外。由于WiMax的關(guān)系，OFDM才又重新進(jìn)入通訊產(chǎn)業(yè)和學(xué)術(shù)界的視野中。OFDM不但能有效消除多重路徑干擾，復雜度也比CDMA小了很多，相較于CDMA事實(shí)上更有優(yōu)勢。

　　此時(shí)除了高通以外，眾家通訊巨頭都歡樂(lè )了起來(lái)：“終于不用再看高通面子、繳高額的高通稅了～”若能有效將4G傳輸速率提升、又能跨過(guò)高通的CDMA專(zhuān)利陷阱那是大好不過(guò)了!3GPP組織立即轉向，在2008年時(shí)提出了 長(cháng)期演進(jìn)技術(shù)(Long Term Evolution， LTE)作為3.9G技術(shù)標準、又在2011年提出了 長(cháng)期演進(jìn)技術(shù)升級版(LTE-Advanced)作為4G技術(shù)標準，準備把W-CDMA汰換掉、轉而采用OFDM。

　　至于高通這邊當然也看到了OFDM的發(fā)展前景，為了不落人后，在2005年WiMax進(jìn)軍行動(dòng)通訊產(chǎn)業(yè)時(shí)、高通亦耗費了六億美元策略性收購專(zhuān)門(mén)研發(fā)OFDM技術(shù)的Flarion公司，并在2007年提出了 超行動(dòng)寬頻(Ultra-Mobile Broadband， UMB)計劃，把CDMA和OFDM、MIMO都整入UMB標準中，想繼續維持CDMA的優(yōu)勢。

　　可惜各家廠(chǎng)商都怕了高通，以前讓你一人稱(chēng)山大王四處為虐、現在看你有傾頹之勢還不墻倒眾人推。況且我們在前一篇文向大家提過(guò)全球覆蓋律最高的基地臺正是W-CDMA，LTE-Advanced能向下相容于W-CDMA，原有的W-CDMA基地臺只要經(jīng)過(guò)升級就能使用LTE-Advanced?；谙嗳菪院蛯τ诟咄▽?zhuān)利費的恐懼，各大電信商如美國的Verizon與Sprint、日本KDD等，無(wú)不紛紛決定采用LTE-Advanced當作第四代通訊技術(shù)標準。UMB因為沒(méi)人支持而迅速式微了下去，發(fā)表的隔年高通就把UMB停掉、宣布加入3GPP的LTE陣營(yíng)了。

　　解決了高通這個(gè)難纏的對手后，那WiMax呢?不用3GPP打WiMax，這個(gè)陣營(yíng)就先自己出了亂腳。既然WiMax是由WiFi演進(jìn)過(guò)來(lái)的技術(shù)，那么WiMax到底是網(wǎng)際網(wǎng)路還是電信網(wǎng)路?WiMax論壇(WiMax Forum)的組成份子復雜、全都各懷鬼胎，在毫無(wú)共識的情況下產(chǎn)業(yè)發(fā)展整個(gè)亂了套。除此之外最關(guān)鍵的問(wèn)題還是電信設備的相容性。如同高通敗在W-CDMA基地臺的相容性上，LTE可向下支援現有的電信設備，WiMax基地臺卻要從頭架設。更何況LTE從頭到尾就是電信商主導的通訊標準，輪不到讓Intel這種IT巨頭分這塊餅。

　　此時(shí)此刻的高通已無(wú)法復制3G 時(shí)代的榮景，Intel也在2010年宣布放棄WiMax加入LTE陣營(yíng)、硬生生打了始終跟進(jìn)Intel腳步的臺灣產(chǎn)官學(xué)界一巴掌。余下3GPP歐洲中國廠(chǎng)商笑呵呵。

　　5G：迎接通信的新時(shí)代

　　讓我們回顧一下先前文章。從1G到4G的演進(jìn)、幾乎每十年就會(huì )推出一代新的標準，各家廠(chǎng)商在通訊標準之爭上宛如軍備競賽一般的緊張刺激。

　　1970-1980年代的1G，摩托羅拉壟斷市場(chǎng)、作為類(lèi)比通訊之王。1991年開(kāi)始，2G數位通訊的崛起，讓Nokia與Sony Ericsson等新手機廠(chǎng)商取而代之、并延伸出GSM系統的TDMA技術(shù)與高通的CDMA技術(shù)之爭。

　　3G時(shí)讓高通以CDMA扳回一城、坐收他國專(zhuān)利費;且2001年當時(shí)3G標準便已被提出，可惜使用人數不多、還導致了一場(chǎng)歐陸電信商以過(guò)高價(jià)格競標3G執照、后來(lái)無(wú)法回收成本的大泡沫，直到2005年時(shí)智能手機的普及，方使3G網(wǎng)路使用人數遽增。

　　最后4G時(shí)代，3GPP組織以OFDM-MIMO技術(shù)為基礎作為3.9G LTE標準、以L(fǎng)TE-Advanced作為4G標準，成功將Intel等IT界大廠(chǎng)組成的WiMax聯(lián)盟和高通主導的UMB組織通通擠到一邊。

　　你可以想像3G和4G在做什么，那5G呢?

　　5G標準目前尚未確定，根據國際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布的聲明，5G標準制定將于2020年完成，并從2016年初開(kāi)始逐步定義5G的技術(shù)與性能要求、2017年開(kāi)始5G國際標準征集。

　　5G愿景承載著(zhù)海量、實(shí)時(shí)(In-Time)且高速的通訊需求。速度上從4G的100 Mbps為單位、5G可高達10 Gps、比4G快達100倍，輕松串流3D影片或4K高畫(huà)素影片;容量與耗能上，為了物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、智能家庭等應用，5G網(wǎng)路將能容納更多裝置連結、同時(shí)維持低功耗的續航力;再來(lái)是低延遲，工業(yè)4.0智能工廠(chǎng)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)車(chē)等遠端遙控設備，都必須即時(shí)傳輸資訊。

　　簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是2020年5G系統商用之時(shí)，必須達成資料傳輸更快、更大量、更不耗電的目標?，F階段的4G網(wǎng)路已無(wú)法滿(mǎn)足這些需求，故人們對于5G標準的呼聲越來(lái)越高;在筆電、手機等終端裝置的技術(shù)與市場(chǎng)皆已高度成熟、再難以看到成長(cháng)的情況下，大廠(chǎng)們無(wú)一不期盼5G網(wǎng)路能帶來(lái)更多新型態(tài)的服務(wù)和應用，一如當年3G網(wǎng)路與智能手機的相輔相成?？梢哉f(shuō)5G的出現，將對于半導體產(chǎn)業(yè)和終端應用產(chǎn)品造成革命性的波瀾。

　　為此通訊商們摩拳霍霍、紛紛搶進(jìn)開(kāi)發(fā)5G技術(shù)，今(2016)年11月華為在標準制定會(huì )議上成功將自己的Polar Code專(zhuān)利推為5G短碼標準，并將持續在接下來(lái)的標準制定上與高通、Ericsson等通訊大廠(chǎng)角力。除此之外，因應云端時(shí)代對于流量與彈性化的控制需求，網(wǎng)路架構的創(chuàng )新也是電信商在5G的布局。

　　這邊我們必須了解電信網(wǎng)路的兩大關(guān)鍵技術(shù)──軟件定義網(wǎng)路(Software-Defined Networking， SDN)與網(wǎng)路功能虛擬化(Network Function Virtualization， NFV)。