你有聽過台灣納稅人的血淚WiMax嗎?中離王Intel與榮景不再的高通—4G 篇

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本篇是通訊產業專題的第四集——4G 篇。

 


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 等,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。

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。

(意思就是通大家都被唬得一愣一愣覺得高通的 CDMA 就是最猛的了)

 

比如 W-CDMA 隨後演進出 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。

本來照這樣發展下去,以 CDMA 為核心的技術或許有可能一路稱霸到 4G(想想 3GPP 組織的 W-CDMA 和 中國的TD-SCDMA 核心都是 CDMA),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。

什麼?!?!

 

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。

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。

(所以我們才會常常在連 WiFi 時,看到 2.4G 和 5G 兩種頻段)

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?

FDMA 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「調變」(modulation) 意指把人聲等低頻訊號轉成高頻率的電磁波 (載波),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。

FDMA 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。

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。

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 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。

(簡單來說就是 CDMA 太紅,如果 Intel 和 IT 大廠沒有在 WiFi 上將 OFDM 技術發揚光大,通訊廠商沒有一家注意到早期不被重視的 OFDM)

 

耶!終於可以不用再用 CDMA 技術被高通揩油了

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 組織立即看風向轉向。(承相~起風了~~)

他們在 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。

天啊,這劇情也太急轉直下了吧!

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、策略性收購了專門研發 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章《掌控你手機晶片與通訊技術的霸主高通 – 3G篇》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。

(嗚嗚,誰叫你當年要那麼鴨霸)(雖然現在也還是,擁有最強律師團)

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。

此時此刻的高通已無法複製 3G 時代的榮景,4G 已經沒有再使用 CDMA 技術了。(不過由於佈局廣,就算曾經的命脈 CDMA 被大幅削弱重要性,在 OFDM 上還是能收蠻多通訊專利費)

Intel 也在 2010 年宣佈放棄 WiMax 、加入 LTE 陣營;此舉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。

 

  • Lynn 按曰:

約十多年前,全球個人電腦 (PC)  有 80、90% 都是由台灣代工製造。有這一靠代工起家產業的壯大,才帶動了台灣PCB(印刷電路板)等電子零組件及材料產業的發展。

啊就靠 PC 代工養大本土電子產業的,跟著 Intel 老大吃飯說話還會有錯嗎?只能說,不懂產業規則,不懂人家的玩法,就只能世事難料啊。

今天的 4G 發展就到這邊介紹完畢了,希望你喜歡今天的故事。

下週五同一時間,讓我們來看看 5G 物聯網的未來吧。

 

點我看下一集:物聯網、VR、人工智慧,通通得仰賴的次世代通訊規格─5G


Special Thanks 技術團隊:butterboy 通訊技術名詞核對校正、陳奕安 MIMO-OFDM 簡報介紹協助。

寫點科普,請給指教】是一個針對各產業現況進行科普的寫作計畫, 期望讓非業內人士快速瞭解不同產業的特性並掌握趨勢。

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  • 關於 MIMO 的後續補充:

其實早在 3G 時代就已經有 MIMO 了——W-CDMA 的規格宣稱要支援 MIMO,對此制訂了「2 對 1」與「2 對 2」(release 7)。

什麼是「2 對 1」或「2 對 2」?因為早年手機比較陽春只能裝一根天線,所以是基地台 2 根天線、手機 1 根天線這樣的 MIMO。

理論上可以做到「2 對 2」,也就是基地台 2 根天線、手機也 2 根天線。但當時手機廠因為成本考量、沒辦法裝這麼多天線,故以 2 對 1 為主。

後來手機廠增加天線的理由有幾個可能:

  1. LTE 暴增的傳輸量需求,才加裝 MIMO 天線
  2. 為了整合wifi、藍牙功能,又裝上更多天線

理論上手機想支援第幾代的通訊,就要有相對應的天線;4G 的頻段比 3G 多上許多,手機板上的元件和天線勢必得為了 4G 調整。

所以這就很考驗手機廠商的整合能力啦!若手機廠能夠讓 2G、3G、4G 共用天線,就具有成本優勢。

而 IC 晶片設計商(高通、聯發科等)為了應付世界各國的營運商,較晚上市的晶片都能向前相容——會設計成多模,可以同時支援 2G、3G、4G 手機。

5 Replies to “你有聽過台灣納稅人的血淚WiMax嗎?中離王Intel與榮景不再的高通—4G 篇”

  1. Hank 說:

    想請教現在既然已經步入4G時代,為何高通還是收得到專利授權金,例如之前蘋果跟高通的訴訟事件?感謝

    • Tetsukon 說:

      我的理解是雖然已經步入4G(E-UTRA)時代,但若VoLTE佈建尚未完成,就會選擇CS Fallback方案,只要撥打電話就要用到2G/3G的迴路,Chip就一定要支援GSM、WCDMA、WCDMA,那高通就又要出來了,收錢、收錢。
      除非是只要有封包通訊功能的裝置,例如CPE(Customer-premises equipments)、hotspot就能有機會在選擇其他家晶片(Sequans、GTC、Altair)時不被討錢。

  2. Zeng 說:

    光是看你手機打電話的時候會自動跳回3G就很明顯了吧

  3. Colin 說:

    2007年3G Club和經濟部技術處, 工研院就有一場研討會
    http://www.chip123.com.tw/forum.php?mod=viewthread&tid=9767&extra=page%3D1

    當時開場就已經說LTE來勢洶洶, 有電信商支持, WiMAX在推廣上還需要努力,
    之後介紹WiMAX/802.16標準的專利地圖, 基本上大多還是在AT&T等老牌公司手上, 三星急起直追,
    而台灣在這方面全部的專利比華為一家手上的還少,
    結論是只能往802.16J等在制定的標準上去急起直追, 建立台灣自己的專利籌碼去交互授權,
    還要在推廣上拚得過LTE才有可能成功,
    之後顯然都沒做成

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