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臺灣於今年5月正式邁入4G時代，可望帶動行動影音、雲端、電子商務等新應用商業模式發展。全球也以2020年為目標，紛紛啟動5G研究計畫。

 

 

 

 

❐從1G到3G

行動電話技術自1980年代問世以來，發展迄今已成為現代人不可或缺的生活必需品。根據國際電信聯盟（international telecommunication union, ITU）統計，2014年底全球行動電話用戶數預計可達70億，滲透率達95％（平均100人中95人擁有行動電話），與其他資通信技術，如網際網路或有線電話相比，行動電話已成為歷史上發展最快、接受度最高的資通信科技，至今用戶數仍持續成長，並對人們的生活方式產生重大影響。

 

 

 

 

另根據國家通訊傳播委員會（NCC）的統計，2014年第二季臺灣行動電話用戶數共約有3000萬，其中使用第三代行動通信系統（3G）的用戶約2600萬、第二代行動通信系統（2G）的用戶約310萬，可以觀察出3G的用戶正逐漸增加，而2G的用戶逐漸減少中。

 

究竟什麼是2G？什麼是3G？有沒有4G呢？為了區分行動電話系統的技術發展，一般將其區分為第一代、第二代、第三代等。

 

第一代行動通訊系統（1G）指的是由美國貝爾實驗室所發展出來的AMPS（advanced mobile phone system）系統，是全世界最早的行動電話系統，四、五年級的人可能還記得，國內曾引進體積龐大的「黑金剛」手機，就是AMPS第一代行動通訊系統時期的產物。由於採用類比技術的第一代行動通訊系統頻譜使用效率太低，推出不久後就被採用數位技術的第二代行動通訊系統取代。

 

第二代行動通訊系統（2G）主要有歐洲發展的GSM（global system for mobile communications）與美國發展的IS-95兩種系統，兩者都是採用數位傳輸的技術，頻譜使用效率較第一代AMPS系統大幅提升，也提供了穩定、高質量的語音傳輸環境。第二代行動通訊系統推出後在全球都有很高的接收度，用戶數不斷成長，迄今全球電信業者仍使用第二代行動通訊系統提供行動語音服務，包括國內大多數的電信業者仍藉由GSM系統提供民眾2G語音服務。

 

2G系統雖然提供了令人滿意的行動語音服務，但其最高傳輸速率僅有14.4 Kbps，用來傳輸行動數據明顯不足。有鑑於此，國際電信聯盟ITU希望能於2000年推出全球統一的3G行動通信系統，期望3G能具備更高的傳輸速率，以提供更豐富的數據服務。經過一連串公開徵求技術提案、系統評估以及協調等程序，ITU於2000年公告建議了5個3G行動通信系統，包括WCDMA（wideband code division multiple access）、cdma2000、TD-SCDMA，其中WCDMA系統獲得大多數國家電信業者採用，包括歐洲、日本以及我國在內，提供有別於2G語音以外如影像電話、手機看電視等服務。

 

雖然3G系統有更高速的無線傳輸能力，但相較於民眾已熟悉的有線傳輸環境如ADSL或FTTx（fiber to the x，為各種光纖通訊網路的總稱，其中x代表光纖線路的目的地），3G的數據傳輸能力仍有大幅改善空間。例如WCDMA的傳輸速度為2 Mbps，與動輒數十至數百Mbps的有線傳輸相比，仍有大幅改善空間。於是在後3G時期技術發展，便朝漸進式3.5G與革命式4G兩大方向前進。

 

3.5G改進方案是要求在既有3G基礎上以改良方式來提升傳輸能力，其優點是新系統具有向後相容（backward compatible，指系統更新到較新版本後，舊版本系統仍能正常執行）的能力，電信業者可以成本較低的方式來升級。以WCDMA系統為例，目前已有其3.5G演進技術稱為HSPA（high speed packet access），可將傳輸速率由2 Mbps提升至42 Mbps，拉近與有線傳輸技術的差距。目前國內電信業者亦都有建設3.5G HSPA系統，提供民眾高品質無線寬頻上網服務。

 

❐4G發展歷程

全球4G標準由ITU來規劃推動，相對於漸進升級的3.5G系統，4G系統的設計基本上是採革命式的做法，不強求與既有3G系統相容，採用最新進的無線電技術，一次將目標拉高設定在100 Mbps以上的傳輸速率，提供與有線傳輸接近的優質無線傳輸環境。

 

ITU定義的4G在無線傳輸能力上至少需滿足：在高速移動中最高傳輸率能達到100 Mbps，在低速移動或靜止時最高傳輸率能達到1 Gbps，這也成為大家對4G最熟悉的定義。

 

2009年10月ITU共收到有6個技術提案，但嚴格來說只有2個技術標準：3GPP（3rd generation partnership project）標準組織的LTE（long term evolution）與加強型LTE（LTE-advanced, LTE-A）技術，以及國際電子電機工程師協會（institute of electrical and electronics engineers, IEEE）的802.16m技術。經過審查評估，ITU於2011年2月對外正式公告LTE/LTE-A與802.16m為推薦之全球4G標準。

 

即便如此，但因802.16m之先前技術（802.16e）於商業市場的發展並不成功，所以802.16m於全球並不普遍；反之，LTE/LTE-A已在全球超過100個國家、300多個商用網路提供服務，成為全球4G主流技術。

 

❐LTE/LTE-A技術

LTE/LTE-A是3GPP標準組織為了4G行動通信所制定的系統。

3GPP成立於1998年12月，成員包括全球各地的國家標準組織，如歐洲ETSI（european telecommunications standards institute）、日本ARIB（association of radio industries and businesses）和TTC（telecommunication technology committee）、中國CCSA（china communications standards association）、韓國TTA（telecommunications technology association）、和北美的ATIS（alliance for telecommunications industry solutions），以及各標準組織下的會員。

   

 

 

 

 

3GPP制定了一系列行動通信標準，包括2G的GSM、2.5G的GPRS（general packet radio service）與EDGE（enhanced data rates for GSM evolution）、3G的WCDMA、3.5G的HSPA、以及針對4G所設計的LTE與LTE-A，可說是行動通信領域最重要的標準制定單位。

 

3GPP在完成WCDMA系統標準後，一方面在WCDMA的基礎上制定與原3G技術相容之HSPA系統，使其無線傳輸能力持續提升；另一方面啟動LTE與LTE-A標準制定計畫，以不強制與3G系統相容的做法，採用正交頻分複用（orthogonal frequency division multiplexing, OFDM）無線調變技術與扁平IP化網路架構，以求達到4G的要求。

 

❐4G LTE全球發展現況

全球第一個LTE商用網路於2009年底由北歐電信業者在瑞典及挪威開始提供提供服務後，全球各國已陸續商轉LTE網路。根據全球移動供應商協會（global mobile suppliers association, GSA）統計，截至2014年5月全球已有288個LTE商用網路，用戶超過2.5億，預估至2014年底將會達到350個商用網路。

 

臺灣亦於2013年10月完成總頻寬270 MHz之4G頻譜競標，由6家業者以總標金1186.5億元取得頻譜，展開後續網路籌設佈建，並相繼於今年5、6月開台，象徵臺灣正式邁入4G時代。

 

由於4G速度快、傳輸延遲性低，可望推動高速上網、高畫質數位內容、雲端、電子商務等應用服務發展，並帶來新的商業模式。以某家電信業者為例，其為4G推出了高畫質HD影視、高音質無損音樂、3D導航及雲端遊戲等加值服務。

 

另外，為加速國內4G發展，政府自頻譜競標的標金中提撥150億經費，成立行動寬頻服務及產業發展計畫，期望國內在2017年以前，4G人口覆蓋率達90％，用戶達1000萬以上，並能提供創新服務內容，建立4G先進商業模式與建構智慧寬頻應用模式。

 

 

 

 

 

❐5G：下世代寬頻行動通信

隨著4G在全球電信市場日漸普及，下一代行動寬頻網路技術「5G」也開始成為全球關注的焦點，包含ITU、歐盟、韓國、日本及中國等皆已開始規劃未來5G的開發藍圖，以2020年為目標，各自成立研究計畫，先期探索與開發5G關鍵技術。

 

 

 

 

 

在國內，行政院於2013年8月表示，下一代通訊技術發展關係到國家未來創新和經濟動能，各國皆已開始相關布局，為因應國人未來行動寬頻通訊需求增加，同時延續資通產業之優勢，我國應儘早推動5G全盤性規劃，下一代行動通訊技術發展影響未來我國產業發展、頻譜使用規劃、人才培養，相關策略環環相扣，需要明確具體的藍圖規劃供各部會參考。據此，政府也投入部分經費推動下世代行動寬頻5G前瞻技術開發與系統設備佈局。

 

至於ITU則已開始為未來的5G系統定義了8項能力指標，以面對未來行動寬頻成長需求、大量機器通訊，甚至是應用於對網路品質更為敏感的機器型通訊，目的是希望引領產業朝2020年的5G目標前進，以帶給社會更好的服務。

 

如同ITU秘書長哈瑪德‧圖雷（Hamadoun Tour）所說：「我們對全球在4G行動通信的努力表示讚賞。我們興奮地注意到，無線通信技術發展將繼續擴大其應用範圍，以豐富世界各地人們的生活。」

 

因我們相信4G時代的到來可以提供更寬頻、更高速、更便利、更高品質及更多元化的行動通訊服務，為人們的生活方式帶來巨大改變。為持續擴大行動通信技術為人們帶來的好處，全球已開始規劃下世代5G行動寬頻技術，期待再創下一波高峰。

 

 

陳瓊璋：任職中華電信研究院

 

 

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1. Hui, S. Y. and Yeung, K.H., Challenges in the Migration to 4G Mobile Systems, IEEE Communications Magazine, Vol. 41: 54-59, 2013.

2. Andrews, J. G. et al., What will 5G be, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol. 32: 1065-1082, 2014.