兵家必爭:通訊標準的軍備競賽─4G篇

作者:Lynn   |   2016 / 12 / 22

文章來源:股感知識庫   |   圖片來源:Joseph Wang


前篇導讀:通訊知識專題(三):智慧型手機的爆發—3G普及關鍵

迎戰通訊新世代-5G篇-04

在3G時代,即使WCDMA系統的使用人數最多,由於CDMA核心專利仍然掌握在高通手上,讓歐洲與中國廠商恨得牙癢癢也只能乖乖繳授權金。在通訊業 (事實上是整個科技業),立於不敗之地的做法莫過於將技術申請專利、將專利寫進標準。而國際標準說穿了是一種政治操作的過程,背後涉及龐大的利益;若欲佔有一席之地,在技術開發的初期就必須參與很多國際標準組織,比如3GPP、3GPP2便是各國與廠商為求利益分羹而出現的組織。

然而技術發展的速度飛快,在通訊業尤其可怖,企業所賴以維生的專利可能眨眼間便天翻地覆。若一個通信標準想要長久維持,就必須持續在這項核心技術深耕、之後的通訊標準也得是該核心技術的延伸,比如WCDMA隨後演進出Release 99、3.5G的HSDPA、3.75G的HSUPA,基本上CDMA的技術框架沒有改變。 而高通CDMA後續演進出的1x EV-DO,於2001年被接受為3G技術標準之一。

兵家必爭:通訊標準的軍備競賽-4G-01

高通領軍人有出版通訊聖經《通訊工程原理》的Irwin Jacobs、與Viterbi演算法開發者Andrew Viterbi,創辦人身為通訊學術界巨擘、企業又握有大量的專利,本來照這樣發展下去CDMA或許有可能一路稱霸到4G,可惜事與願違。半途中有一號人物,殺進市場將一切計畫打亂,這個逆襲者叫Intel。

Intel的逆襲 – WiMax

還記得我們提過電信業者競標4G頻譜的情形嗎? 1980年代以前,美國所有的無線設備都得經過頻譜授權;後來美國通訊委員會(FCC)將標準放寬,僅限於發射功率較大、容易產生信號干擾的無線裝置需經過頻譜授權,其他低發發射功率的設備可以使用未授權頻譜。而FCC後來釋出的未授權頻譜中,就包括了現在最主要的Wi-Fi頻段:2.4GHz和5.8GHz,都是未用於通訊的頻段。

這些頻段早期無人重視、直到電機電子計算機協會(IEEE)開始進行短程無線傳輸的研究。WiFi設備在IEEE的規定下發射功率不能超過100 mW,實際的發射功率可能也就在60到70 mW。

為了能讓各家廠商能根據同一個標準製作出兼容的設備、讓通訊器材能有互通性,1999年,IEEE分別推出了「802.11b」與「802.11a」兩種WiFi標準、分別使用2.4GHz和5GHz的頻段,彼此規格不相容。

2003年,IEEE藉由無線通訊界的展頻技術──正交頻分復用(OFDM),推出了802.11b的改進版「802.11g」使傳輸速度從原先的11Mbps提升至54Mbps。現在我們使用的WiFi規格主要為「802.11n」, 與802.11a、802.11b、802.11g皆可相容,且藉由多重輸入多重輸出(MIMO)技術,使傳輸速度及距離都有所提升、速度甚至可達600Mbps。

這邊來介紹一下OFDM與MIMO這兩個不僅在電腦資訊業、隨後也在通訊業引起軒然大波的關鍵技術。

OFDM – 解決多重路徑干擾、頻譜效率更高、可結合MIMO

訊號從傳送端發射、經由傳輸通道到達接收端的傳送過程中,會遭遇到各種不同的阻隔物,使得電磁波產生穿透、反射、折射、散射以及繞射等作用;當訊號到達接收端時,原本一個訊號將變成多個不同路徑的入射訊號,每一個入射訊號到達時的時間、強度、角度等均不相同。訊號經過不同的路徑抵達接收端後,接收端收到的訊號通常已與原始訊號不同,這種現象稱之為多重路徑干擾。在都會區或住宅區因為高樓林立、有著許多物體妨礙,因此比起空況的郊區或公園,會受到較嚴重的多重路徑干擾。

為了避免多重路徑干擾,通訊專家們統計出一個頻寬範圍,確定訊號傳輸時只要在此頻寬範圍內,波形便不會失真;這個頻寬範圍稱為「同調頻寬」。當傳輸速率越高時、同調頻寬也會越小,意味著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小頻寬再分別傳輸,這樣就算同調頻寬變小也不會有影響。

還記得我們在通訊業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,再由電磁波轉回人聲的方法。OFDM 技術將無線通信傳輸信號分割成了多個子載波進行傳輸,每個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。

兵家必爭:通訊標準的軍備競賽-4G-02

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。「頻譜效率」指每單位頻寬具有多少數據傳輸率(bps),也就是說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。MIMO (Multiple-Input Multiple-Output)意思是多輸入多輸出,使用多組發射天線與多組接收天線的系統。藉由讓通道使用不同的訓練訊號,由於每組發射器所使用的訓練訊號都不一樣,可輕易辨認每個訊號的來源。

相對於SISO (Single-Input Single-Output, 單一輸入和單一輸出)只能使用一組發射天線和一組接收天線,MIMO能在不需要增加頻寬、或總發送功率耗損(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兩者技術的結合,WiFi取得了極大的成功;隨著版圖不斷擴大,IT業的巨頭開始覬覦起其他的無線通訊技術的市場大餅,比如行動通訊的3G與4G。

WiFi標準是IEEE 802.11,IT巨頭進軍通訊業的標準是802.16 ,稱作「WiMax」。2005年,Intel和Nokia、Motorola共同宣佈採用並發展802.16標準,進行行動裝置、網路設備的互通性測試。

有Intel領頭的WiMax來勢洶洶,通訊產業這邊卻是起家歡樂幾家愁。OFDM說起來也不是新技術,早在1960年代貝爾實驗室發明OFDM後,技術框架約在1980年代便已建立完成。然而當時能支援OFDM的硬體尚不發達、CDMA又由高通領軍一時紅火,便淘汰在3G標準之外。由於WiMax的關係,OFDM才又重新進入通訊產業和學術界的視野中。OFDM不但能有效消除多重路徑干擾,複雜度也比CDMA小了很多,相較於CDMA事實上更有優勢。

此時除了高通以外,眾家通訊巨頭都歡樂了起來:「終於不用再看高通面子、繳高額的高通稅了~」若能有效將4G傳輸速率提昇、又能跨過高通的CDMA專利陷阱那是大好不過了!3GPP組織立即轉向,在2008年時提出了長期演進技術 (Long Term Evolution, LTE)作為3.9G技術標準、又在2011年提出了長期演進技術升級版(LTE-Advanced)作為4G技術標準,準備把W-CDMA汰換掉、轉而採用OFDM。

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至於高通這邊當然也看到了OFDM的發展前景,為了不落人後,在2005年WiMax進軍行動通訊產業時、高通亦耗費了六億美元策略性收購專門研發OFDM技術的Flarion公司,並在2007年提出了超行動寬頻(Ultra-Mobile Broadband, UMB)計畫,把CDMA和OFDM、MIMO都整入UMB標準中,想繼續維持CDMA的優勢。

可惜各家廠商都怕了高通,以前讓你一人稱山大王四處為虐、現在看你有傾頹之勢還不牆倒眾人推。況且我們在前一篇文向大家提過全球覆蓋律最高的基地台正是W-CDMA,LTE-Advanced能向下相容於W-CDMA,原有的W-CDMA基地台只要經過升級就能使用LTE-Advanced。基於相容性和對於高通專利費的恐懼,各大電信商如美國的Verizon與Sprint、日本KDD等,無不紛紛決定採用LTE-Advanced當作第四代通訊技術標準。UMB因為沒人支持而迅速式微了下去,發表的隔年高通就把UMB停掉、宣佈加入3GPP的LTE陣營了。

解決了高通這個難纏的對手後,那WiMax呢?不用3GPP打WiMax,這個陣營就先自己出了亂腳。既然WiMax是由WiFi演進過來的技術,那麼WiMax到底是網際網路還是電信網路?WiMax論壇(WiMax Forum)的組成份子複雜、全都各懷鬼胎,在毫無共識的情況下產業發展整個亂了套。除此之外最關鍵的問題還是電信設備的相容性。如同高通敗在W-CDMA基地台的相容性上,LTE可向下支援現有的電信設備,WiMax基地台卻要從頭架設。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。

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此時此刻的高通已無法複製 3G 時代的榮景,Intel也在2010年宣佈放棄WiMax加入LTE陣營、硬生生打了始終跟進Intel腳步的台灣產官學界一巴掌。餘下3GPP歐洲中國廠商笑呵呵。

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