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(jié)合MIMO

　　訊號從傳送端發(fā)射、經(jīng)由傳輸通道到達(dá)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(chǎn)生穿透、反射、折射、散射以及繞射等作用;當(dāng)訊號到達(dá)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(dá)時的時間、強度、角度等均不相同。訊號經(jīng)過不同的路徑抵達(dá)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(xiàn)象稱之為 多重路徑干擾。在都會區(qū)或住宅區(qū)因為高樓林立、有著許多物體妨礙，因此比起空況的郊區(qū)或公園，會受到較嚴(yán)重的多重路徑干擾。

　　為了避免多重路徑干擾，通訊專家們統(tǒng)計出一個頻寬范圍，確定訊號傳輸時只要在此頻寬范圍內(nèi)，波形便不會失真;這個頻寬范圍稱為“同調(diào)頻寬”。當(dāng)傳輸速率越高時、同調(diào)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(diào)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(dāng)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(diào)頻寬變小也不會有影響。

　　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(zhuǎn)成高頻率的電磁波，等傳遞到遠(yuǎn)方另一支通訊設(shè)備時，再由電磁波轉(zhuǎn)回人聲的方法。OFDM 技術(shù)將無線通信傳輸信號分割成了多個子載波進(jìn)行傳輸，每個子載波僅僅攜帶了很小一部分的資料負(fù)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(shù)據(jù)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(shù)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(shù)。MIMO (Multiple-Input Multiple-Output)意思是多輸入多輸出，使用多組發(fā)射天線與多組接收天線的系統(tǒng)。藉由讓通道使用不同的訓(xùn)練訊號，由于每組發(fā)射器所使用的訓(xùn)練訊號都不一樣，可輕易辨認(rèn)每個訊號的來源。

　　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)射天線和一組接收天線，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(tǒng)的資料吞吐量及傳送距離。

　　有了MIMO-OFDM兩者技術(shù)的結(jié)合，WiFi取得了極大的成功;隨著版圖不斷擴大，IT業(yè)的巨頭開始覬覦起其他的無線通訊技術(shù)的市場大餅，比如行動通訊的3G與4G。

　　WiFi標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 802.11，IT巨頭進(jìn)軍通訊業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)是802.16 ，稱作“WiMax”。2005年，Intel和Nokia、Motorola共同宣布采用并發(fā)展802.16標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行行動裝置、網(wǎng)路設(shè)備的互通性測試。

　　有Intel領(lǐng)頭的WiMax來勢洶洶，通訊產(chǎn)業(yè)這邊卻是起家歡樂幾家愁。OFDM說起來也不是新技術(shù)，早在1960年代貝爾實驗室發(fā)明OFDM后，技術(shù)框架約在1980年代便已建立完成。然而當(dāng)時能支援OFDM的硬件尚不發(fā)達(dá)、CDMA又由高通領(lǐng)軍一時紅火，便淘汰在3G標(biāo)準(zhǔn)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(fù)雜度也比CDMA小了很多，相較于CDMA事實上更有優(yōu)勢。

　　此時除了高通以外，眾家通訊巨頭都?xì)g樂了起來：“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、又能跨過高通的CDMA專利陷阱那是大好不過了!3GPP組織立即轉(zhuǎn)向，在2008年時提出了 長期演進(jìn)技術(shù)(Long Term Evolution， LTE)作為3.9G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、又在2011年提出了 長期演進(jìn)技術(shù)升級版(LTE-Advanced)作為4G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)備把W-CDMA汰換掉、轉(zhuǎn)而采用OFDM。

　　至于高通這邊當(dāng)然也看到了OFDM的發(fā)展前景，為了不落人后，在2005年WiMax進(jìn)軍行動通訊產(chǎn)業(yè)時、高通亦耗費了六億美元策略性收購專門研發(fā)OFDM技術(shù)的Flarion公司，并在2007年提出了 超行動寬頻(Ultra-Mobile Broadband， UMB)計劃，把CDMA和OFDM、MIMO都整入UMB標(biāo)準(zhǔn)中，想繼續(xù)維持CDMA的優(yōu)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(xiàn)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)過升級就能使用LTE-Advanced?；谙嗳菪院蛯τ诟咄▽＠M的恐懼，各大電信商如美國的Verizon與Sprint、日本KDD等，無不紛紛決定采用LTE-Advanced當(dāng)作第四代通訊技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。UMB因為沒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陣營了。

　　解決了高通這個難纏的對手后，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(jìn)過來的技術(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(fù)雜、全都各懷鬼胎，在毫無共識的情況下產(chǎn)業(yè)發(fā)展整個亂了套。除此之外最關(guān)鍵的問題還是電信設(shè)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(xiàn)有的電信設(shè)備，WiMax基地臺卻要從頭架設(shè)。更何況LTE從頭到尾就是電信商主導(dǎo)的通訊標(biāo)準(zhǔn)，輪不到讓Intel這種IT巨頭分這塊餅。

　　此時此刻的高通已無法復(fù)制3G 時代的榮景，Intel也在2010年宣布放棄WiMax加入LTE陣營、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歐洲中國廠商笑呵呵。

　　5G：迎接通信的新時代

　　讓我們回顧一下先前文章。從1G到4G的演進(jìn)、幾乎每十年就會推出一代新的標(biāo)準(zhǔn)，各家廠商在通訊標(biāo)準(zhǔn)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、作為類比通訊之王。1991年開始，2G數(shù)位通訊的崛起，讓Nokia與Sony Ericsson等新手機廠商取而代之、并延伸出GSM系統(tǒng)的TDMA技術(shù)與高通的CDMA技術(shù)之爭。

　　3G時讓高通以CDMA扳回一城、坐收他國專利費;且2001年當(dāng)時3G標(biāo)準(zhǔn)便已被提出，可惜使用人數(shù)不多、還導(dǎo)致了一場歐陸電信商以過高價格競標(biāo)3G執(zhí)照、后來無法回收成本的大泡沫，直到2005年時智能手機的普及，方使3G網(wǎng)路使用人數(shù)遽增。

　　最后4G時代，3GPP組織以O(shè)FDM-MIMO技術(shù)為基礎(chǔ)作為3.9G LTE標(biāo)準(zhǔn)、以LTE-Advanced作為4G標(biāo)準(zhǔn)，成功將Intel等IT界大廠組成的WiMax聯(lián)盟和高通主導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)目前尚未確定，根據(jù)國際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布的聲明，5G標(biāo)準(zhǔn)制定將于2020年完成，并從2016年初開始逐步定義5G的技術(shù)與性能要求、2017年開始5G國際標(biāo)準(zhǔn)征集。

　　5G愿景承載著海量、實時(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(dá)10 Gps、比4G快達(dá)100倍，輕松串流3D影片或4K高畫素影片;容量與耗能上，為了物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、智能家庭等應(yīng)用，5G網(wǎng)路將能容納更多裝置連結(jié)、同時維持低功耗的續(xù)航力;再來是低延遲，工業(yè)4.0智能工廠、車聯(lián)網(wǎng)自動車等遠(yuǎn)端遙控設(shè)備，都必須即時傳輸資訊。

　　簡單來說，就是2020年5G系統(tǒng)商用之時，必須達(dá)成資料傳輸更快、更大量、更不耗電的目標(biāo)?，F(xiàn)階段的4G網(wǎng)路已無法滿足這些需求，故人們對于5G標(biāo)準(zhǔn)的呼聲越來越高;在筆電、手機等終端裝置的技術(shù)與市場皆已高度成熟、再難以看到成長的情況下，大廠們無一不期盼5G網(wǎng)路能帶來更多新型態(tài)的服務(wù)和應(yīng)用，一如當(dāng)年3G網(wǎng)路與智能手機的相輔相成?？梢哉f5G的出現(xiàn)，將對于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和終端應(yīng)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)開發(fā)5G技術(shù)，今(2016)年11月華為在標(biāo)準(zhǔn)制定會議上成功將自己的Polar Code專利推為5G短碼標(biāo)準(zhǔn)，并將持續(xù)在接下來的標(biāo)準(zhǔn)制定上與高通、Ericsson等通訊大廠角力。除此之外，因應(yīng)云端時代對于流量與彈性化的控制需求，網(wǎng)路架構(gòu)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)。