4G網通技術發展與應用

工研院資訊與通訊研究所組長謝慶堂談4G網通技術發展。

從2G/2.5G/3G到邁向4G時代，行動通訊網路與固接網路的聚合趨勢日益明顯。而爭奪4G霸主的WiMax與LTE-A，都是根基於IP封包的OFDM調變技術而來；WiMax以其佈設成本低廉，無傳統規範束縛而先發，LTE則跟於全球市佔８成的UMTS設備機台優勢，企圖後發先至。兩者將大幅改善連線速率與覆蓋率，推動雲端服務、物聯網以及遠距教學、醫療、監控上的新興應用...

行動化網際網路時代來臨

工研院資訊與通訊研究所組長謝慶堂指出，從功能性手機日資料量100MB，智慧手機185MB，到Motorola Atrix雙核超級手機(Superphone)則增加為560MB，平板電腦則更增加至800~1,000MB。以日本WiMax覆蓋率之高，連JR火車上也可使用WiMax；美國BestBuy賣場也以虛擬電信營運商的角色賣行動上網的門號。另外還有像是遠距教學、智能電錶、航運、醫療與居家保全上的應用。

據Cisco、VNI統計行動數據流量每12個月增加一倍，到2015年行動數據流量有65%是觀看視訊。像Youtube每天超過20億個點閱率，60天上傳到Youtube的影片量超越美國三大電視網60年產製總和，預計到2020年全球有百億部聯網裝置，對提供行動網路服務的業者而言，資料量成等比級數的提昇，營收卻只有指數函數的微幅上升，兩者的鴻溝差距將會越來越大。

WiMax 802.16m與LTE-A爭奪4G通訊盟主

謝慶堂以圖表說明無線行動通訊技術的進展：左半部行動通訊部份像2G的CDMA(IS-95A)、GSM、TDMA(IS-136)等標準，右半部無線網路部份有802.11b，到2.5G時代左半部有CDMA(IS-95B)、GPRS，3G開始左半部CDMA2000、E-GPRS、EDGE與演化出來的WCDMA與TDS-CDMA，右半部則有802.11a；進入3.5G時代左半部有1xEV-DO、HSDPA與HSUPA，右半部則是由固接WiMax 802.11d、韓國的WiBro，以及從WiFi進化的802.11g；而UMB 802.20、E-UTRA、LTE、HSPA+、Mobile WiMax 802.16e與802.11n等被列在3.9G等級，真正被視為第四代行動通訊標準是LTE-A與WiMax 802.16m。

LTE與WiMax都是採OFDM調變技術，以IP封包傳輸、可調整頻寬、連接適配性與智能天線技術的第四代通訊技術。目前WiMax由於基地台與CPE終端設備成本便宜，從2007年起陸續在全球各地佈建，特別是像非洲這類新興國家。而LTE優勢在於以全球市佔80%的UMTS規範做為進化，預計2012年開始大量商業化營運。LTE以SC-FDMA技術來改良既有OFDM技術，改善終端裝置的平均功耗，也導入Adaptive PHY的技術，基地台可依地區特性，切換小覆蓋率╱高傳輸率的QAM64模式，中覆蓋率╱中傳輸率的QAM16模式，到大覆蓋率╱較低傳輸速率的QPSK調變模式。

LTE與WiMax技術系出同門 各擁擅長

LTE與WiMax的架構上都是純扁平化IP為骨幹技術的網路系統，由於WiMax沒有既有通訊規範的束縛，在網路交換設備上比較少且輕量化。他舉出像日本311大地震後許多3G與WiMax行動網路斷線，但WiMax基地台很快就修復並恢復通訊。

另外4G也提出中繼(relay)的概念，增加relay可以改善通訊死角、提昇傳輸速率。像中國移動就在建築物室內以及大眾運輸系統，機動性增加RS以提供行動網路服務並改善傳輸速率。

從WiMax與LTE目前使用的頻譜來看，LTE最理想的使用頻段是758、768、788、798MHz，但目前台灣700MHz頻段由類比電視及特定用途所佔用，NCC計畫3年內清空700MHz頻段；若使用2570~2620MHz頻段則會與其他使用中的無線頻段重疊，頻率的未確定性對LTE設備製造商形成相當的挑戰。此外像ITU的IMT-Advanced進度，去年11月通過初步規範，今年3月確認部份細節，大約明年初就會公佈整個標準。

目前4G的聯網終端與其他應用

他也提到當今整個網路走向聚合趨勢，從網路硬體架構導向以IP技術為主的寬頻網路，固網與行動網的聚合，網頁程式、雲端服務等服務的聚合，裝置的聚合，用戶體驗的聚合等。像前面中華電信提到的NGN新世代網路、異質性網路等，業界需開發出聚合各種網路服務的驅動程式，同時要克服網路擁塞、延遲、頻寬、服務捆綁與拆帳等問題。

謝慶堂提到目前台灣已開發的WiMax終端裝置，像USB Dongle與CPE用戶端裝置，內嵌WiMax的筆記型電腦、小筆電、平板電腦，及提供3G/WiMax雙模手機。另外像台電開發以WiMax監控的SCADA電力遙測遙控系統。另外在物聯網(Internet of Things)方面的應用。以及智能網格電力(Smart Grid)的應用，像澳洲SP Ausnet開發全球第一套以WiMax為技術的智能電網應用。WiMax也應用在目前制定中的AeroMac航站管制與導引系統

謝慶堂總結行動網際網路的趨勢持續成長，如何因應暴增的資料數據流量，並提供可被用戶接受的合宜價錢，對各網路業者來說都是相當大的挑戰；而寬頻與無線網路將持續進行數位聚合並朝向異質性網路發展。