兵家必爭:通訊標準的軍備競賽-1G 與 2G 篇

作者:Lynn   |   2016 / 12 / 19

文章來源:股感知識庫   |   圖片來源:Olivia


迎戰通訊新世代-5G篇-04

一句流傳在科技業的格言,精闢地描述了產業中的贏家與輸家:「一流企業定標準、二流企業做品牌、三流企業做產品。」 一旦成為標準制定者、全球企業通用該標準時,即能坐收專利授權費、不受激烈化的市場競爭所影響 (坐吃祖產享用不盡);因此專利的多寡、即是企業營運重要的一環。

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通訊基地台、通訊設備製造商、行動裝置製造商(手機、智慧型裝置),從上游到下游的通訊產業都必須繳納高額的專利費,最後淪至紅海競爭、除了微薄的利潤以外,其餘全被通訊標準制定商拿去。因此自古以來通訊標準乃企業兵家必爭之地。誰能讓大多數國家與地區採用該標準、誰就能形成自然壟斷,成為最終勝者。

今天,就讓我們來談談行動通訊產業的技術發展與競合。

通訊名詞解析──什麼是類比訊號?數位訊號?

自然界的一切訊號,包括聲音電磁波、光、逐漸變化的氣溫高低、閃電、熱能、影像…都是連續的訊號。這種連續訊號稱為類比訊號 (Analog Signal)。而頻率(Frequency)則是指訊號一秒鐘振動的次數,單位為「赫茲」(Hz)。

類比訊號中,人類聲音的頻率為300~3400 Hz,屬於低頻率的訊號,在傳輸時易受到干擾、損耗也大,傳遞距離短;而電磁波,如FM收音機的頻率約為54~108 MHz(兆赫),屬於高頻率的訊號、可傳遞數百公里遠。

因此若能使用高頻率的電磁波「載著」低頻率的人聲,就能成功將訊號傳遞得更遠──通訊設備會先將人聲轉成高頻率的電磁波、等傳遞到遠方另一支通訊設備時,再由電磁波轉回人聲。

如此一來不但能成功將訊號傳遞得更遠,由於電磁波頻率高到人耳聽不見、亦不會干擾到人類日常生活。此技術稱之為高頻載波技術,從人聲轉換至電磁波的過程稱為「調變」、由電磁波再轉回來的過程則為「解調」。

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調變的方式包括了轉換聲波振幅(又稱AM調幅)、或轉換聲波頻率(又稱FM調頻),一般採用干擾度較低的FM調頻。第一代通訊(1G)即為FM調頻技術。

另一方面,人聲與電磁波都是自然界中的訊號、僅有著頻率高低之差,故皆為「類比訊號」。若將連續的類比訊號再加工、轉變為「0」與「1」不連續的電腦運算訊號 (0代表電壓關, 1代表電壓開),該訊號稱為「數位訊號」。

將類比訊號轉換為數位訊號(0或1)的過程稱為「數位訊號調變」。由於數位訊號較原先類比訊號更易進行編碼、儲存、修改、加密、壓縮等動作,故從第二代通訊(2G)開始,到後續的3G、4G甚至是5G,皆採用數位通訊技術。

為什麼當我們與朋友通話時,旁人的手機不會聽到我們的聲音呢?事實上,通訊設備不會認得人聲,而是認得一個「頻率範圍」,這個頻率範圍稱為「頻寬」(bandwidth)。將所有不同頻率範圍的頻寬組合起來,即為「頻譜」(Spectrum)。

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假設A與B的手機只能接通900~900.1 MHz(兆赫)的頻寬、而C與D的手機只能接通900.1~900.2 MHz(兆赫)的頻寬,就能有效防止彼此手機接收到對方的訊號。若彼此頻寬重疊,通訊設備就會接收到他人的聲音。

由於頻寬有限,故相同頻率範圍的電磁波只能使用一次,如頻寬100 M~ 1 MHz(兆赫)的電磁波通常應用在行動通訊(GSM)、無線收音機、無線電視等;海底電纜、電報或衛星通訊則採用其他頻寬。在有限的頻譜資源下,各國的通訊委員會通常會以競標的方式讓電信業者取得特定頻段的使用執照、價高者得,比如去年底國內熱門的4G頻譜競標戰。

2015年10月時,國內的4G行動通訊用戶數已超過一千萬戶,平均用量約10至14 GB,因此各家業者均需要新的4G頻段來滿足用戶成長數、就算砸大錢也不惜一搏。 最後,由於D3及D4區塊頻譜相對乾淨,而D1、D2、D5及D6較容易會有日本衛星電視頻率干擾問題,國家通訊傳播委員會(NCC)最後公布6張執照底價分別為:D1為35億元,D2、D3各37億元、D4為19億元、D5為9億元、D6為7億元。

介紹完技術名詞,讓我們來看看產業中的各家領導廠商。

第一代通訊(1G)開創者: 摩托羅拉

講到雙向無線通訊,就不能不提第一代領導先鋒摩托羅拉公司(Motorola)。如果說美國電話公司AT&T是有線通訊之王,摩托羅拉就是行動通訊產業的霸主與開創者。

無線通訊技術最開始時主要應用於國家級的航太與國防工業,無論是後來的高通CMDA技術、與帶有解放軍色彩的華為,皆仰賴軍方扶持起家。摩托羅拉的發展亦是如此。摩托羅拉創辦於1928年,二戰時與美國陸軍部簽訂了合約、協助其研發無線通訊工具。1941年,摩托羅拉研發出了第一款跨時代產品SCR-300,至今仍是電影中美國通訊大兵最經典的形象。

雖然SCR-300重達16公斤,甚至需要一個專們背負的通信兵、或安裝在車輛和飛機上,然而由於SCR-300使用了FM調頻技術,使通話距離達到了前所未有的12.9公里,足以讓炮兵觀察員聯繫到炮兵陣地,也能讓地面部隊跟陸軍航空兵通訊。

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無論是二戰期間的通訊設備,之後第一款彩色類比電視機、半導體晶片、DSP通訊手機晶片,和1980年發明「蜂窩式行動電話」(大哥大,黑金剛)、建立了AMPS (Advanced Mobile Phone System)電話系統,摩托羅拉作為類比通訊技術的佼佼者,在行動通訊及電腦處理器領域中都是市場先鋒,更在1989年被選為世界上最具前瞻力的公司之一。

可惜的是,一代巨頭終究未能隨市場趨勢轉型、最終轟然倒下。

第二代(2G)通訊競合組織: GSMCDMA

由於1G類比通訊的通話品質差、訊號不穩定、保密性更是低落,人們開始著手研發新型行動通訊技術。80年代後期,隨著大規模機體電路、微處理器與數位訊號的應用更加成熟,當時的行動電信業者逐漸轉向了數位通訊技術,行動通訊進入了2G時代。

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我們已於本文一開始提及,各國通訊產業的發展方向,多為軍方投注資源研發技術、並扶持本國企業,故通訊產業意即國家戰略產業,通訊標準之爭則等同於國與國之間的戰力角逐,一旦輸了的一方則須持續向敵方聯盟繳納高額專利費、更容易被對方掌握軍事技術核心。摩托羅拉壟斷了第一代行動通訊市場,也意味著第一代通訊標準把持在美國人手裡。

在數位通訊剛起步時,歐洲各國意識到:單打獨鬥在技術上將難以和美國抗衡。二十年來,歐盟始終不甘落於美國之後,若各自搞出一個不同的標準、很難在世界上占主導優勢 (標準這東西就是人多, 說話大聲拳頭硬的就贏了, 總不能全世界只你一個人跟別人用不一樣的)。它們吸取了各自為政的失敗教訓、加強內部聯盟,終於在2G通訊時代超越了美國。

1982年起歐洲郵電管理委員會成立的一系列「行動專家組」負責通訊標準的研究。GSM的名字即是行動專家組(法語: Groupe Spécial Mobile)的縮寫,後來這一縮寫的含義被改為「全球行動通訊系統」(Global System for Mobile communications),以方便GSM向全世界推廣。

GSM 的技術核心是分時多工(TDMA)。如前述所言,有限的訊號頻率是通訊技術一大限制,多數關於通訊技術的突破都是在於如何更有效的利用訊息通道。GSM的特點是將一條訊息通道平均分給八個通話者,一次只能一個人講話、每個人輪流用1/8的通道時間。

GSM的缺陷是容量有限,當用戶超載時,就必須建立更多的基地台;然而GSM技術建置容易,更採用全新的數位訊號編碼取代舊有的類比訊號。在其它方面GSM的性能也相當優異,不但開放國際漫遊(各國電信業者的規矩都統一了, 當然能打電話)、提供了SIM卡(Subscriber Identity Module)方便用戶在更換手機時仍能儲存個人資料,GSM手機還能傳送160字長度的文字簡訊。通訊技術與應用在2G時期有了驚人的進展。

1991 年,Ericsson和Nokia率先在歐洲大陸上架設了第一個GSM通訊網路。短短十年內, 全世界有162個國家建立GSM通訊網路,使用人數超過1億、市佔率高達75%。

在歐洲人野心勃勃地想要超越美國稱霸世界時,美國人同時間卻搞出了三套通訊系統。其中兩種同樣是基於TDMA技術上做發展、第三種則是高通成功設計出的分碼多工技術(CDMA)

TDMA的通道一次僅供一個人使用、八個用戶得輪流著講,容量有限;然而CDMA使用資料加密技術、讓所有人同時講話也不會被其他人聽到 (好比編號1只能與編號1通話、編號2只能與編號2通話,互不干擾),容量大幅提升。從技術上來看,CDMA系統用戶的乘載量是GSM的10倍以上。

從1950年代起,CDMA就是美軍軍方的通訊技術之一。在創辦人艾爾文.雅各比(Irwin Jacobs)和安德魯.維特比(Andrew Viterbi)領軍下,高通在1989年成功將CDMA應用在行動通訊上。

然而高通沒有實際的手機製造經驗,歐洲的運營商們也對它的知識產權不感興趣。即使是在美國也只有極少數的運營商願意使用該系統。早期有關CDMA的報導都是相當消極的,基地台設施不能達到預期目標,CDMA手機也無處可買。總體而言CDMA就是雷聲大,雨點小。

在2G時代,CDMA是個失敗者。當歐洲大力投注資源在GSM上,短短數年建立了國際漫遊標準、在全球廣布基地台時,CDMA起步較GSM晚了一步、美國國內資源又被分散的結果,失去的就是大半江山。(人家基地台都建好建滿了, 總不能打掉說換我這個的吧)

另一方面,美國在通訊標準之爭上的失敗,間接也影響了摩托羅拉手機的競爭力。當數位行動電話漸漸取代類比行動電話時,摩托羅拉仍在類比行動電話市場有四成以上佔有率;數位行動電話卻不到二成。 對於數位通訊的威脅,摩托羅拉錯估了類比手機的通訊週期,當時的高階主管表示:「四千三百萬個類比電話機用戶,錯不了的!」

當然,如同有線電話公司AT&T當初不願砸錢在無線電話部門上頭一般,摩托羅拉當中最賺錢、說話也最大聲的類比手機部門更不可能會讓資源流到數位手機部門裡。同樣的故事亦可見於而後的Nokia與智慧型手機之爭。企業巨頭的倒下很少是單一外在因素,多在於現有企業內資源處處受把持、導致技術進程緩慢。

摩托羅拉終於在全球行動電話市佔率中,從1997年的50%、暴跌至1999年的17%,並逐漸下滑。二十年來的第一大手機大廠被1992年才推出第一支數位手機(先前還是間製紙公司)的Nokia所擊沉。

故事就這麼完結了嗎?還早得很呢,讓我們來看看3G時代美國電信商與高通的翻盤與反撲。

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Lynn
金融人轉科技人之路,專注於使用淺顯易懂的文字講述艱澀的產業知識。臉書粉絲專頁《寫點科普,請給指教
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