从1G到5G，不能错过的通信标准变迁史回顾

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一句流传在科技业的格言，精辟地描述了产业中的赢家与输家：「一流企业定标准、二流企业做品牌、三流企业做产品」 。一旦成为标准制定者、全球企业通用该标准时，即能坐收专利授权费、不受激烈化的市场竞争所影响(坐吃祖产享用不尽)；因此专利的多寡、即是企业营运重要的一环。在通信产业也是如此。

通讯基地台、通讯设备制造商、行动装置制造商(手机、智能装置)，从上游到下游的通讯产业都必须缴纳高额的专利费，最后沦至红海竞争、除了微薄的利润以外，其余全被通讯标准制定商拿去。因此自古以来通讯标准乃企业兵家必争之地。谁能让大多数国家与地区采用该标准、谁就能形成自然垄断，成为最终胜者。

今天，就让我们来谈谈行动通讯产业的技术发展与竞合

第一代通讯(1G) 开创者: 摩托罗拉

讲到双向无线通讯，就不能不提第一代领导先锋摩托罗拉公司(Motorola)。如果说美国电话公司AT&T是有线通讯之王，摩托罗拉就是行动通讯产业的霸主与开创者。

无线通讯技术最开始时主要应用于国家级的航太与国防工业，无论是后来的高通CMDA技术、与带有解放军色彩的华为，皆仰赖军方扶持起家。摩托罗拉的发展亦是如此。摩托罗拉创办于1928年，二战时与美国陆军部签订了合约、协助其研发无线通讯工具。1941年，摩托罗拉研发出了第一款跨时代产品SCR-300，至今仍是电影中美国通讯大兵最经典的形象。

虽然SCR-300重达16公斤，甚至需要一个专们背负的通信兵、或安装在车辆和飞机上，然而由于SCR-300使用了FM调频技术，使通话距离达到了前所未有的12.9公里，足以让炮兵观察员联系到炮兵阵地，也能让地面部队跟陆军航空兵通讯。 无论是二战期间的通讯设备，之后第一款彩色类比电视机、半导体芯片、DSP通讯手机芯片，和1980年发明「蜂窝式行动电话」(大哥大,黑金刚)、建立了AMPS (Advanced Mobile Phone System)电话系统，摩托罗拉作为类比通讯技术的佼佼者，在行动通讯及电脑处理器领域中都是市场先锋，更在1989年被选为世界上最具前瞻力的公司之一。

可惜的是，一代巨头终究未能随市场趋势转型、最终轰然倒下。

第二代(2G) 通讯竞合组织: GSM 与CDMA

由于1G类比通讯的通话品质差、讯号不稳定、保密性更是低落，人们开始着手研发新型行动通讯技术。80年代后期，随着大规模机体电路、微处理器与数位讯号的应用更加成熟，当时的行动电信业者逐渐转向了数位通讯技术，行动通讯进入了2G时代。 我们已于本文一开始提及，各国通讯产业的发展方向，多为军方投注资源研发技术、并扶持本国企业，故通讯产业意即国家战略产业，通讯标准之争则等同于国与国之间的战力角逐，一旦输了的一方则须持续向敌方联盟缴纳高额专利费、更容易被对方掌握军事技术核心。摩托罗拉垄断了第一代行动通讯市场，也意味着第一代通讯标准把持在美国人手里。

在数位通讯刚起步时，欧洲各国意识到：单打独斗在技术上将难以和美国抗衡。二十年来，欧盟始终不甘落于美国之后，若各自搞出一个不同的标准、很难在世界上占主导优势(标准这东西就是人多, 说话大声拳头硬的就赢了, 总不能全世界只你一个人跟别人用不一样的)。它们吸取了各自为政的失败教训、加强内部联盟，终于在2G通讯时代超越了美国。

1982年起欧洲邮电管理委员会成立的一系列「行动专家组」负责通讯标准的研究。GSM的名字即是行动专家组(法语: G roupe S pécial M obile）的缩写，后来这一缩写的含义被改为「全球行动通讯系统」( G lobal S ystem for M obile communications)，以方便GSM向全世界推广。

GSM的技术核心是 分时多工(TDMA)。如前述所言，有限的讯号频率是通讯技术一大限制，多数关于通讯技术的突破都是在于如何更有效的利用讯息通道。GSM的特点是将一条讯息通道平均分给八个通话者，一次只能一个人讲话、每个人轮流用1/8的通道时间。

GSM的缺陷是容量有限，当用户超载时，就必须建立更多的基地台；然而GSM技术建置容易，更采用全新的数位讯号编码取代旧有的类比讯号。在其它方面GSM的性能也相当优异，不但开放国际漫游(各国电信业者的规矩都统一了, 当然能打电话)、提供了SIM卡(Subscriber Identity Module)方便用户在更换手机时仍能储存个人资料，GSM手机还能传送160字长度的文字简讯。通讯技术与应用在2G时期有了惊人的进展。

1991 年，Ericsson和Nokia率先在欧洲大陆上架设了第一个GSM通讯网路。短短十年内， 全世界有162个国家建立GSM通讯网路，使用人数超过1亿、市占率高达75%。

在欧洲人野心勃勃地想要超越美国称霸世界时，美国人同时间却搞出了三套通讯系统。其中两种同样是基于TDMA技术上做发展、第三种则是高通成功设计出的 分码多工技术(CDMA)。

TDMA的通道一次仅供一个人使用、八个用户得轮流着讲，容量有限；然而CDMA使用资料加密技术、让所有人同时讲话也不会被其他人听到(好比编号1只能与编号1通话、编号2只能与编号2通话，互不干扰)，容量大幅提升。从技术上来看，CDMA系统用户的乘载量是GSM的10倍以上。

从1950年代起，CDMA就是美军军方的通讯技术之一。在创办人艾尔文.雅各比(Irwin Jacobs)和安德鲁.维特比(Andrew Viterbi)领军下，高通在1989年成功将CDMA应用在行动通讯上。

然而高通没有实际的手机制造经验，欧洲的运营商们也对它的知识产权不感兴趣。即使是在美国也只有极少数的运营商愿意使用该系统。早期有关CDMA的报导都是相当消极的，基地台设施不能达到预期目标，CDMA手机也无处可买。总体而言CDMA就是雷声大，雨点小。

在2G时代，CDMA是个失败者。当欧洲大力投注资源在GSM上，短短数年建立了国际漫游标准、在全球广布基地台时，CDMA起步较GSM晚了一步、美国国内资源又被分散的结果，失去的就是大半江山。(人家基地台都建好建满了, 总不能打掉说换我这个的吧)

另一方面，美国在通讯标准之争上的失败，间接也影响了摩托罗拉手机的竞争力。当数位行动电话渐渐取代类比行动电话时，摩托罗拉仍在类比行动电话市场有四成以上占有率；数位行动电话却不到二成。对于数位通讯的威胁，摩托罗拉错估了类比手机的通讯周期，当时的高阶主管表示：「四千三百万个类比电话机用户，错不了的！」

当然，如同有线电话公司AT&T当初不愿砸钱在无线电话部门上头一般，摩托罗拉当中最赚钱、说话也最大声的类比手机部门更不可能会让资源流到数位手机部门里。同样的故事亦可见于而后的Nokia与智能手机之争。企业巨头的倒下很少是单一外在因素，多在于现有企业内资源处处受把持、导致技术进程缓慢。

摩托罗拉终于在全球行动电话市占率中，从1997年的50％、暴跌至1999年的17％，并逐渐下滑。二十年来的第一大手机大厂被1992年才推出第一支数位手机(先前还是间制纸公司)的Nokia所击沉。

第三代(3G)通讯霸主: 高通

我们在上一篇文中提到，高通的CDMA技术在容量与通话质量上皆优于欧盟GSM的TDMA技术；但GSM已早一步布署基地台，并于短时间内快速推行于全世界，以致资源相对薄弱的CDMA在当时是雷声大雨点小，高通也一度陷于危机之中。

在3G 时代，局势却大大地逆转了回来。究竟为什么呢？这边，让我们先来讲讲高通的历史。

高通的专利布局之战

走进高通位于加州圣地牙哥的本部，迎面而至的一堵厚厚的专利墙上，镶嵌着高通所持有关于行动通讯将近1400项专利。高通的一切都明明摆摆的写在了这面墙上：财富、垄断、成功… 高通就像一只毒蛇，深谙扼住宿主脖子、获取高额利润之道。

冷战时期，美国军方所使用的通讯方式能将资讯进行加密与解密，称为分码多工(CDMA)技术，以确保资讯传输时不被苏联所窃取。Linkabit是加州圣地牙哥(San Diego)第一家电子通讯技术公司，负责承接这笔订单、为美国军方和航太局开发卫星通讯和无线通讯技术。

Linkabit的两位创办人皆是通讯界的著名研究人员── 雅各布(Irwin Jacobs)任教于麻省理工电机系，其著作《通讯工程原理》( Principles of Communication Engineering )，奠定了当时乃至于现在的通讯基础，至今仍是通讯界圣经宝典。另外一外创办人 维特比(Andrew Viterbi)提出的 维特比演算法(Viterbi algorithm)则在数位通讯以及语音辨识系统上有着突破性的发展。

1980年，雅各布和维特比将Linkabit卖给同属通讯领域的M/A-COM公司，并于1985年创办了高通(Qualcomm)，意即有品质的通讯(Quality Communications)。1989年时，高通大幅改善了CDMA的功率问题，并成功将其商用化。

可惜的是，此时欧洲通讯标准协会已着手进行GSM技术标准的制定，随后很快推行到了欧洲与日本市场；美国本土的通讯工业协会也认定GSM所采用的分时多工(TDMA)技术为2G标准。CDMA比TDMA的容量更大、通话品质更好，但技术复杂程度太多，大半电信商不相信技术的可行性。 高通发展的一大关键，在于雅各布狡诈莫测的三大专利流氓手段：

1.开发地雷: 建立垄断的专利布局

高通围绕着功率控制、同频复用、软切换等技术，构建了CDMA专利墙，相较于其他厂商在专利数量和品质上都有非常大的优势。但高通不满足于此，它要一人享用这笔丰厚的利润。

在高通，养了一批不下于技术开发部门的庞大专利律师军团，透过并购、控告对手专利侵权等专利战，将所有CDMA的相关专利都一步一步拢络过来。专利律师的职责，便在于申请专利、谈专利价格、控告侵权公司。(祖产嘛, 还不好好守着敲人过路费吗)

第二步是是大量申请垃圾专利，用垃圾专利保证其核心专利──在旧有的专利保护到期之前便申请新的专利、或大量申请CDMA外围专利，然后申告该技术为新技术的一环，封杀了关于CDMA内外围的所有技术。

2.布地雷: 将专利技术套入通讯标准

收集齐备了专利地雷还不够，还要让人得采到才行。

总不能中华电信打不通远传的手机、HTC打不通iPhone手机；设立通讯标准的原意是让不同的电信商、基地设备与手机厂商彼此间也能互通。只要符合通讯标准、向该国通讯监管部门申请执照，便可以经营通讯业务，由此建立开放互联的环境。

由于GSM标准为欧洲电信商、行动通讯商(如Ericsson、Nokia)共同提出、共同享有知识产权，专利基本上是开放的。但高通表面上提出了一套采用CDMA技术的2G标准，实际上将CDMA专利技术藏在了里头，等于使用该2G标准时，也等同踩到了高通的专利。

这种以单一家公司专利而垄断某一标准的行为，照理说不会发生在跨国间的通讯标准制定小组，别的国家与厂商因本身利益冲突、必然会极力反对。然而当时2G数位通讯的研究适才起步，多数厂商的注意力仍在欧洲人所提出的GSM标准上，高通的CDMA技术尚仍无多少人闻问，反而让高通趁隙而入。

3.更多的地雷: 将CDMA 演算法整入芯片

高通的最后一步棋，是决定把CDMA的演算法嵌入集成芯片。其最大特点为整合讯号的发送与接受、电源管理和数位与类比讯号转换等装置于单一芯片上，即所谓 系统单芯片( System on Chip, SoC )。

现阶段使用高通专利的手机厂商，必须先缴一笔授权费取得专利使用权；在芯片或产品量产后，再依据出货量收取产品售价一定比例的费用，平均需要缴纳手机 销售额5 ～10 %不等的权利金。这点可是相当的不合理──萤幕、镜头、机壳等零件全部与CDMA毫不相关，也得被抽销售额的百分比。(难道在手机上镶了块钻石,利润还得算在高通头上吗)

事实上高通提供了SoC一套完整的解决方案，大多数手机厂商还没SoC整合的技术能力，也只能乖乖挨这一刀；况且所有加入高通设计方案的手机商，都必须与高通进行专利相互授权，等同于手机厂只要乖乖付钱，即能拥有更多的专利手牌。

你设局，也要有人愿意踩。高通专利的高门槛挡住了竞争对手，也挡住了CDMA的迅速市场化，多数电信商还是选择了GSM系统，靠专利使用费养活的高通在美国活的并不好。

此时，高通迎来了一根橄榄枝──来自于韩国政府。

在发展CDMA之前，韩国电信商、手机等通讯设备制造业相当薄弱。1990年11月，高通和电子通信研究院(ETRI)签署有关CDMA技术转移协定，高通答应把每年在韩国收取专利费的20%交给韩国电子通信研究院、协助其研究，韩国政府也宣布CDMA为韩国唯一的2G行动通讯标准，并全力支持韩国厂商三星、LG等投入CDMA技术的商业应用。

韩国不往GSM等欧日厂商靠拢、选择了CDMA作为2G标准，主要是为了低廉的专利优惠，虽承担了一定的风险，最终也获得了相应的回报。透过发展CDMA，韩国的行动通讯普及率迅速提高，短短五年行动通讯用户即达到1百万量，SK电信成为全球最大的CDMA电信商。通讯设备制造商更是异军突起，三星成为全球首家CDMA手机出口商。CDMA不仅带动了行动通讯业的发展，也促进了整个韩国经济的发展。所以多有人道：「韩国人救了高通」，高通更从此成为全球性的跨国大公司。

韩国的成功典型，第一次向市场证明CDMA正式商用的可能性，也让美国一些电信商及设备厂商对CDMA技术开始恢复信心。

在高通与韩国人赚的钵满盆满笑呵呵的同时，让我们把画面拉回到欧洲这边。千禧年后，2G的速度与容量上限逐渐面临瓶颈，经历了1G到2G眨眼间便大举翻盘的技术变革，各大手机厂吃了历史教训、个个提心吊胆着准备迎接3G 时代。

欧美中斗法──三大3G通讯标准

3G最大的优点即是高速的资料下载能力，2G的下载速度约仅9600bps～64kbps、光是打开一个Yahoo首页便得耗费三分钟左右；3G速度则为300k-2Mbps，足足提升了三十倍有余。

Ericsson、Nokia、Alcatel等实力雄厚的欧洲厂商虽知TDMA难敌CDMA的优势、更难以作为3G核心技术，但谁也不想接受高通霸道的方案，于是欧洲与日本等原本推行GSM标准的国家联合起来成立了 3GPP 组织(3rd Generation Partnership Project)，负责制定全球第三代通讯标准。

3GPP参考着CDMA技术、并绕过某些高通的专利陷阱下，开发出了原理类似的 W-CDMA。高通赶紧不落人后地与韩国联合成 3GPP2 (3rd Generation Partnership Project 2)与3GPP抗衡、推出了 CDMA2000。

这里边，独独漏了中国人。欧洲跟日本自己一套系统，美国韩国一套，中国想当然尔、自己硬是也搞了一套，叫 TD-SCDMA，由中国大唐集团下属的大唐电信所提出。从技术上来看TD-SCDMA可算是W-CDMA的衍生版本，因此TD-SCDMA的技术核心实际上就是W-CDMA，仅于中国国内推行。 谁也不想被高通揩油、TD-SCDMA只有中国人使用，结果W-CDMA的参与者最多，在三个3G通讯标准中最成熟、市占率也最高；然而因三大通讯技术皆碰触到了CDMA的底层专利技术，仍无法避免地被高通硬生生啃掉了一块利润大饼，高通可谓3G时代最大的赢家。

不过当年从1G到2G的普及也不到三五年光景，从千禧年开始喊了这么久的3G，怎么从2007、2008年才逐渐普及呢？

基地设备的建置与架设耗费时日也耗费金钱，若没有良好的行动上网使用者体验、也就没有让消费者和电信商真正从2G转型至3G的迫切性。真正让高通大赚、让3G火红起来的关键，还是来自于行动通讯装置的革新──「 智能手机」。

智能手机的出现，成就了3G

21世纪之初，电信业者描绘的3G世界里如是说──任何人可以随时、随地，利用行动电话或其他行动式设备(例如个人数位助理PDA)，打电话、上网；除了传送语音之外，还可以传送数据、影像、电脑游戏…。

听起来似乎相当熟悉？现今习以为常的场景，二十年前可是个宏大的理想。3G曾经承载着全球电信业的高度期待，2000年时，英国、德国、法国、义大利和西班牙等国家，开始竞标3G通讯执照和无线电频谱拍卖，各家的行动电信业者总计投下约900亿美元。德国更是创下了高达458亿美元3G执照的拍卖纪录。 照理说，高额的投标金将来都是要转嫁到消费者身上。欧洲的3G执照费用约是建置系统的3倍，意思是从提供3G所产生的非语音收入，必须是语音的3倍，整个投资才能回本；在缺乏行动上网的易用介面与杀手级应用程式的情况下，显然是不可能的事情。

于是研发者留下了负债和几近无用的3G执照就离开了，还有些公司还试图与发放执照的政府打官司。不但后续融资与设备投资举步维艰、股价重挫，也让3G服务也无法如期推出。欧洲电信产业一度处于溃败的状态。美国《彭博商业周刊》以「泡沫的故事」、「一场欧陆大灾难」来形容欧洲3G愿景的幻灭。直到四、五年后，欧洲电信业者才逐渐恢复元气，开始布建3G网路。

相较于早早烧完资金、以致于在3G转型上慢了一步的欧洲人，美国电信商由于现有频率占用问题使得发照时间延迟，必须等到2004年初才能释出3G执照，如此反使美国电信业者保有更多余力与资金投入3G网路，可以说是因祸得福。

有了完善的3G网路后，万事俱备、只欠东风── 完善的行动通讯智能装备。

最早的智能手机作业系统是微软在1996年发布的Windows CE。由于微软在个人电脑作业系统上没有对手，面对全新的行动通讯市场仍沿用过去在PC作业系统的思维方式，导致了系统速度缓慢的先天缺陷。

另一方面，英国公司Psion和Nokia、Ericsson、Motorola在1998年合资成立了Symbian公司，制造手机专用的作业系统以抵御来势汹汹的微软。比起Windows CE其实仅是精简版的Windows系统，Symbian一开始就是为手机而生的作业系统，不论是稳定度或支援性上都有很出色的表现。

可惜的是，在1999~2004 年间，Symbian在发展上仍然是以传统手机功能为主，Nokia 内部的心态总是「最重要的是如何卖出手机，应用程式只是让手机更好卖」。Symbian也建议过Nokia在智能手机的开发上可以有很多其他的功能，无奈Nokia 就是听不进去。

此景仿若当时的Motorola从类比到数位手机的转型，当时最赚钱、说话最大声的部门是有键盘、好接听的功能手机，触控式萤幕、甚至是最关键的应用程式生态系并不在Nokia高层的认知中。

在Windows Mobile与Symbian大乱斗、Nokia一家独大的情形下，有一个角色正在偷偷地壮大势力，这个角色叫做Apple。 2005年，Apple收购了一家叫做FingerWorks的公司，这家美国自1999年起便开始研发手势识别、多点触控等技术，在当时这样的应用并不为人们所看好，也没人猜到Apple买它来做什么。

iPhone One主打的iTunes Music Store、Safari、Email、Camera 等程式，皆以图像化的方式呈现在简洁优美介面上，搭配多点触控萤幕技术，iPhone去除掉了键盘、单以一颗Home键和手指即可操作。

iPhone跨时代的创新还不止这些。早期在手机中安装应用程式的方式，都是先从网页上下载、用接线传输到手机里头再自行安装(想想当年我们是怎么下载Doodle小游戏到手机里的)。2008年苹果推出iOS 2，新增了最重要的应用程式商店(App Store)，可以在该平台上下载安装应用程式，开展了应用程式生态系的新世代。

你不会利用手机去推销生态系统，只会利用生态系统去推销手机。Symbian一直在示好并鼓励第三方开发者，在iPhone发布时，Symbian平台上已有1万款应用。然而，Symbian整整花费了7年时间，相比之下苹果在发布iOS第一版的一年多后就实现了这样的成绩。

苹果能迅速成功和Symbian的坎坷命运都是因为同一个原因： 应用商店。通过统一平台，苹果帮助使用者更方便地购买应用程式，只能说缺少应用商店是Symbian的一个致命失误──没有资源的人若想自行开发将会非常困难，而开发和维护成本也很高。

大家都知道从2G接听电话到3G行动上网普及的关键、势必要有更好的行动装置介面可以上网、看影片、听音乐、与杀手级的应用程式，也因此当时各家手机大厂无不绞尽脑汁、出尽奇招。智能手机不是Apple发明的，但现在一般认知中的智能手机所包含的功能： 多点触控萤幕(multi-touch screen)、手机作业系统(Mobile Operating System)、应用程式下载平台(App Platform )与应用程式(App)，Apple提出了最好的概念，成功地将过往各家大厂尝试的经验整合起来、一战成名。

3G的布署与网路速度的提升，早在2005年左右便已完工(若非欧洲人破产重整、美国人发照延迟, 早在2000年时3G技术已确立)；行动上网、应用程式( App)、手机作业系统也早已开展，然而始终缺乏临门一脚之故，以至于3G用户人数不多、始终无法普及。也因为资源早已备齐，只差贾伯斯的灵机一动，所以苹果才能把iPhone整合成一支All-In-One的手机。 智能手机于2005~2007年间起步、2008~2012年爆发性成长，转捩点便在于iPhone；智能手机的轰动，也成功拉动3G用户暴增。

这一篇，我们提到了雅各布是如何带领高通在3G时代称霸并坐收CDMA过路费、欧洲人是怎么破产让美国电信有可趁之机，也介绍了贾伯斯大开大阖的创新、让3G最后能由于杀手级应用装置──智能手机而普及。最终篇，让我们来谈谈4G、5G，与洪流竞争下仍保有强大技术实力的华为、Nokia、Ericsson。

4G篇：Intel的搅局

在3G时代，即使WCDMA系统的使用人数最多，由于CDMA核心专利仍然掌握在高通手上，让欧洲与中国厂商恨得牙痒痒也只能乖乖缴授权金。在通讯业(事实上是整个科技业)，立于不败之地的做法莫过于将技术申请专利、将专利写进标准。而国际标准说穿了是一种政治操作的过程，背后涉及庞大的利益；若欲占有一席之地，在技术开发的初期就必须参与很多国际标准组织，比如3GPP、3GPP2便是各国与厂商为求利益分羹而出现的组织。

然而技术发展的速度飞快，在通讯业尤其可怖，企业所赖以维生的专利可能眨眼间便天翻地覆。若一个通信标准想要长久维持，就必须持续在这项核心技术深耕、之后的通讯标准也得是该核心技术的延伸，比如WCDMA随后演进出Release 99、3.5G的HSDPA、3.75G的HSUPA，基本上CDMA的技术框架没有改变。而高通CDMA后续演进出的1x EV-DO，于2001年被接受为3G技术标准之一。 高通领军人有出版通讯圣经《通讯工程原理》的Irwin Jacobs、与Viterbi演算法开发者Andrew Viterbi，创办人身为通讯学术界巨擘、企业又握有大量的专利，本来照这样发展下去CDMA或许有可能一路称霸到4G，可惜事与愿违。半途中有一号人物，杀进市场将一切计画打乱，这个逆袭者叫Intel。

Intel的逆袭– WiMax

还记得我们提过电信业者竞标4G频谱的情形吗? 1980年代以前，美国所有的无线设备都得经过频谱授权；后来美国通讯委员会(FCC)将标准放宽，仅限于发射功率较大、容易产生信号干扰的无线装置需经过频谱授权，其他低发发射功率的设备可以使用未授权频谱。而FCC后来释出的未授权频谱中，就包括了现在最主要的Wi-Fi频段：2.4GHz和5.8GHz，都是未用于通讯的频段。

这些频段早期无人重视、直到 电机电子计算机协会(IEEE)开始进行短程无线传输的研究。WiFi设备在IEEE的规定下发射功率不能超过100 mW，实际的发射功率可能也就在60到70 mW。

为了能让各家厂商能根据同一个标准制作出兼容的设备、让通讯器材能有互通性，1999年，IEEE分别推出了「802.11b」与「802.11a」两种WiFi标准、分别使用2.4GHz和5GHz的频段，彼此规格不相容。

2003年，IEEE藉由无线通讯界的展频技术── 正交频分复用(OFDM)，推出了802.11b的改进版「802.11g」使传输速度从原先的11Mbps提升至54Mbps。现在我们使用的WiFi规格主要为「802.11n」，与802.11a、802.11b、802.11g皆可相容，且藉由 多重输入多重输出(MIMO) 技术，使传输速度及距离都有所提升、速度甚至可达600Mbps。

这边来介绍一下OFDM与MIMO这两个不仅在电脑资讯业、随后也在通讯业引起轩然大波的关键技术。

OFDM –解决多重路径干扰、频谱效率更高、可结合MIMO

讯号从传送端发射、经由传输通道到达接收端的传送过程中，会遭遇到各种不同的阻隔物，使得电磁波产生穿透、反射、折射、散射以及绕射等作用；当讯号到达接收端时，原本一个讯号将变成多个不同路径的入射讯号，每一个入射讯号到达时的时间、强度、角度等均不相同。讯号经过不同的路径抵达接收端后，接收端收到的讯号通常已与原始讯号不同，这种现象称之为 多重路径干扰。在都会区或住宅区因为高楼林立、有着许多物体妨碍，因此比起空况的郊区或公园，会受到较严重的多重路径干扰。

为了避免多重路径干扰，通讯专家们统计出一个频宽范围，确定讯号传输时只要在此频宽范围内，波形便不会失真；这个频宽范围称为「同调频宽」。当传输速率越高时、同调频宽也会越小，意味着越容易受到多重路径干扰。如何在维持高速率传输（同调频宽小）的条件下、对抗多重路径干扰的问题呢？

OFDM的方法相当聪明，它将原本的一段大频宽的信号切割成多个小频宽再分别传输，这样就算同调频宽变小也不会有影响。

还记得我们在通讯业的基本名词介绍中提到，所谓的「载波」意指把人声等低频讯号转成高频率的电磁波，等传递到远方另一支通讯设备时，再由电磁波转回人声的方法。OFDM 技术将无线通信传输信号分割成了多个子载波进行传输，每个子载波仅仅携带了很小一部分的资料负载，有效解决了多重路径干扰。 不仅能将一段频宽切割成小频宽再传输出去，OFDM所需的总频宽也较小。「频谱效率」指每单位频宽具有多少数据传输率(bps)，也就是说如何让每单位频宽的电磁波能传送更多的0 和1 数位讯号。OFDM允许各个子载波部分交叠，使频谱的利用效率更高、让资料传输量更大。

除此之外，OFDM更能支援MIMO技术。MIMO (Multiple-Input Multiple-Output)意思是多输入多输出，使用多组发射天线与多组接收天线的系统。藉由让通道使用不同的训练讯号，由于每组发射器所使用的训练讯号都不一样，可轻易辨认每个讯号的来源。

相对于SISO (Single-Input Single-Output, 单一输入和单一输出)只能使用一组发射天线和一组接收天线，MIMO能在不需要增加频宽、或总发送功率耗损(transmit power expenditure)的情况下，大幅地增加系统的资料吞吐量及传送距离。

有了MIMO-OFDM两者技术的结合，WiFi取得了极大的成功；随着版图不断扩大，IT业的巨头开始觊觎起其他的无线通讯技术的市场大饼，比如行动通讯的3G与4G。

WiFi标准是IEEE 802.11，IT巨头进军通讯业的标准是802.16 ，称作「WiMax」。2005年，Intel和Nokia、Motorola共同宣布采用并发展802.16标准，进行行动装置、网路设备的互通性测试。

有Intel领头的WiMax来势汹汹，通讯产业这边却是起家欢乐几家愁。OFDM说起来也不是新技术，早在1960年代贝尔实验室发明OFDM后，技术框架约在1980年代便已建立完成。然而当时能支援OFDM的硬件尚不发达、CDMA又由高通领军一时红火，便淘汰在3G标准之外。由于WiMax的关系，OFDM才又重新进入通讯产业和学术界的视野中。OFDM不但能有效消除多重路径干扰，复杂度也比CDMA小了很多，相较于CDMA事实上更有优势。

此时除了高通以外，众家通讯巨头都欢乐了起来：「终于不用再看高通面子、缴高额的高通税了～」若能有效将4G传输速率提升、又能跨过高通的CDMA专利陷阱那是大好不过了！3GPP组织立即转向，在2008年时提出了 长期演进技术(Long Term Evolution, LTE)作为3.9G技术标准、又在2011年提出了 长期演进技术升级版(LTE-Advanced)作为4G技术标准，准备把W-CDMA汰换掉、转而采用OFDM。 至于高通这边当然也看到了OFDM的发展前景，为了不落人后，在2005年WiMax进军行动通讯产业时、高通亦耗费了六亿美元策略性收购专门研发OFDM技术的Flarion公司，并在2007年提出了 超行动宽频(Ultra-Mobile Broadband, UMB)计划，把CDMA和OFDM、MIMO都整入UMB标准中，想继续维持CDMA的优势。

可惜各家厂商都怕了高通，以前让你一人称山大王四处为虐、现在看你有倾颓之势还不墙倒众人推。况且我们在前一篇文向大家提过全球覆盖律最高的基地台正是W-CDMA，LTE-Advanced能向下相容于W-CDMA，原有的W-CDMA基地台只要经过升级就能使用LTE-Advanced。基于相容性和对于高通专利费的恐惧，各大电信商如美国的Verizon与Sprint、日本KDD等，无不纷纷决定采用LTE-Advanced当作第四代通讯技术标准。UMB因为没人支持而迅速式微了下去，发表的隔年高通就把UMB停掉、宣布加入3GPP的LTE阵营了。

解决了高通这个难缠的对手后，那WiMax呢？不用3GPP打WiMax，这个阵营就先自己出了乱脚。既然WiMax是由WiFi演进过来的技术，那么WiMax到底是网际网路还是电信网路？WiMax论坛(WiMax Forum)的组成份子复杂、全都各怀鬼胎，在毫无共识的情况下产业发展整个乱了套。除此之外最关键的问题还是电信设备的相容性。如同高通败在W-CDMA基地台的相容性上，LTE可向下支援现有的电信设备，WiMax基地台却要从头架设。更何况LTE从头到尾就是电信商主导的通讯标准，轮不到让Intel这种IT巨头分这块饼。 此时此刻的高通已无法复制3G 时代的荣景，Intel也在2010年宣布放弃WiMax加入LTE阵营、硬生生打了始终跟进Intel脚步的台湾产官学界一巴掌。余下3GPP欧洲中国厂商笑呵呵。

5G：迎接通信的新时代

让我们回顾一下先前文章。从1G到4G的演进、几乎每十年就会推出一代新的标准，各家厂商在通讯标准之争上宛如军备竞赛一般的紧张刺激。 1970-1980年代的1G，摩托罗拉垄断市场、作为类比通讯之王。1991年开始，2G数位通讯的崛起，让Nokia与Sony Ericsson等新手机厂商取而代之、并延伸出GSM系统的TDMA技术与高通的CDMA技术之争。

3G时让高通以CDMA扳回一城、坐收他国专利费；且2001年当时3G标准便已被提出，可惜使用人数不多、还导致了一场欧陆电信商以过高价格竞标3G执照、后来无法回收成本的大泡沫，直到2005年时智能手机的普及，方使3G网路使用人数遽增。

最后4G时代，3GPP组织以OFDM-MIMO技术为基础作为3.9G LTE标准、以LTE-Advanced作为4G标准，成功将Intel等IT界大厂组成的WiMax联盟和高通主导的UMB组织通通挤到一边。

你可以想像3G和4G在做什么，那5G呢?

5G标准目前尚未确定，根据国际电信联盟(ITU)发布的声明，5G标准制定将于2020年完成，并从2016年初开始逐步定义5G的技术与性能要求、2017年开始5G国际标准征集。

5G愿景承载着海量、实时(In-Time)且高速的通讯需求。速度上从4G的100 Mbps为单位、5G可高达10 Gps、比4G快达100倍，轻松串流3D影片或4K高画素影片；容量与耗能上，为了物联网(IoT)、智能家庭等应用，5G网路将能容纳更多装置连结、同时维持低功耗的续航力；再来是低延迟，工业4.0智能工厂、车联网自动车等远端遥控设备，都必须即时传输资讯。 简单来说，就是2020年5G系统商用之时，必须达成资料传输更快、更大量、更不耗电的目标。现阶段的4G网路已无法满足这些需求，故人们对于5G标准的呼声越来越高；在笔电、手机等终端装置的技术与市场皆已高度成熟、再难以看到成长的情况下，大厂们无一不期盼5G网路能带来更多新型态的服务和应用，一如当年3G网路与智能手机的相辅相成。可以说5G的出现，将对于半导体产业和终端应用产品造成革命性的波澜。

为此通讯商们摩拳霍霍、纷纷抢进开发5G技术，今(2016)年11月华为在标准制定会议上成功将自己的Polar Code专利推为5G短码标准，并将持续在接下来的标准制定上与高通、Ericsson等通讯大厂角力。除此之外，因应云端时代对于流量与弹性化的控制需求，网路架构的创新也是电信商在5G的布局。

这边我们必须了解电信网路的两大关键技术──软件定义网路(Software-Defined Networking, SDN)与网路功能虚拟化(Network Function Virtualization, NFV)。

什么是SDN(软件定义网路)?

随着资料量与日俱增，传统的大型资料中心和企业网路一同面临了几个问题。

首先是难以处理变化性高的网路流量、尤其是非预期中的资料量，比如社群网站得因应使用者在同志游行炒得沸沸扬扬时大量换头贴的举动；或是突然爆红的Pokemon Go ，刚开始时还能在卡比兽和快龙出现时冲上流量巅峰，一段时间过后玩家越来越少。若是为了一时的高流量需求购买硬件设备来扩充，就会面临随后使用率降低、建置成本浪费的问题。然而若不解决流量需求，也会造成差劲的使用者体验、或是没办法在风口正旺时捞一笔收益。简言之就是缺乏布署弹性、难以即时调度运算资源。

再来是网路架构越来越复杂，一个大型网路中包含了Routing、VLAN、QoS等功能，须由网管人员针对每台交换器逐一调整设定，不但耗费人力和时间，出错风险也高；另一方面，过度复杂的架构也让网路在传送资料变得相当缓慢。

如何自动处理流量高峰期、分配硬件资源以即时满足需求? 如何在越趋复杂的网路架构下，同时降低网管人员的设定难度?

SDN(软件定义网路)将传统网路区分成三层，分别为应用程式层(Application Layer)、控制层(Control Layer)和基础架构层(Infrastructure Layer, 又称资料层)；底层的部分就是交换器(Switch)、路由器(Router)等设备。

控制层向上透过北桥API (Northbound API)与应用程式沟通、向下透过南桥API (Southbound API)与底层硬件沟通。目前北桥API尚未有共通的标准存在，南侨API则是采用开放式网路基金会(Open Networking Foundation, ONF) 所制订的OpenFlow协定。 SDN将个别设备的控制层抽离出来，集中到中央控制器对整体网路作控制，设备则单纯依据控制器下达的命令派送封包。这使得网管人员能在不更动硬件装置的情形下，以中央控制方式、用程式重新规划网路，更迅速地调整网路以因应服务及应用的需求。

谈完SDN后，让我们来看看另一个与SDN相辅相成的技术为──NFV。

什么是NFV(网路功能虚拟化)?

相较于SDN将控制层从基础架构层抽取出来、以简化网路运作，NFV则是使用IT虚拟化技术，将原有网路功能各自需要的专门硬件(如: 防火墙、DPI、CDN、 WAN等功能都须有一个专门硬件)，改成以软件实作、再布署在通用规格的硬件上。 NFV最早是由电信商所提出来的概念。现阶段的软件服务挂勾在硬件设备上，弹性很低；目前的4G网路无法针对不同应用提供不同的伺服器，比如你不能跟你Pokemon Go的皮卡丘产生即时互动──网路不能根据不同应用、提供不同的伺服器，像是4G网路没办法对低延迟(Low Latency)需求较高的应用程式提供客制化需求。

若想针对应用需求客制化，其成本相当高。首先电信商跟网路设备商沟通：「我想布特殊需求的IoT网路设备」，必须由网路设备大厂了解电信商需求后再行硬件设计、生产、测试，过一两年后再把设备卖给电信商。待买完设备之后再租地区布建设备，从头到尾的过程对电信商吃力又耗时。

再加上软件速度革新很快，好不容易布署好的IoT网路，几年后刚建置完成、市场却已经换了一套新的产品，使这套服务到最后只能杀价竞争。产品汰换快速、频宽变动高，使电信商落得高建置成本、低收入的回报。问题在于网路设备仅由Cisco、Ericsson、Nokia等少数几家厂商垄断，若终端产品装置的革新速度很快、网路架构却进展缓慢，最吃亏的莫过于采购网路设备、提供网路服务的电信商。在这个状况下，说什么IoT、智能家庭或自动车等应用都是浮云。

此情此景仿若1960年代的电脑工业──该时仅有IBM一间公司垄断整个电脑生态，产品着重于高性能且服务于多使用者的大型硬件，需要专门的作业系统、专门的应用程式，让当时的电脑产业呈现垂直封闭的状况，电脑产业革新速度缓慢。

直到后来IBM推出了个人电脑的滥觞IBM-PC，IBM-PC的主要组件如处理器芯片、磁碟机、显示器和键盘本来就都是第三家公司提供的，微处理器(Micro Processor)的出现更让无论是微软、Linux还是Mac的作业系统都可以在微处理器上运行(尤其当年微软为了拼市占率、对其作业系统DOS的价格压得低到不能再低)，IBM-PC相容机如雨后春笋一般地冒了出来，才让个人电脑产业快速发展成一支庞大的产业。

硬件的革新速度比不上软件，而可相容软件的标准化硬件是让产业蓬勃的关键；电信网路这边想做的事情也一样。现行的电信网路服务依赖厂家私有硬件的现况，无论是路由器，或是行动网路的PDN Gateway，都得仰赖特殊的控制层(Control Plane)和特殊的硬件。如何让网路从垂直整合、封闭且进展缓慢的「硬件导向」，逐渐走到开放、快速创新的「软件导向」，关键就在SDN和NFV技术，两者技术毫无关系、相辅相成，将硬件功能虚拟化后，转型成至开放硬件、或是可自行订制化的硬件平台。 这对电信商的大好处，除了硬件架构都有开放标准，设备直接根据成熟的开放标准制造硬件、大幅降低硬件购买和建置成本，也让整个网路更加开放、创新速度以软件的速度加快，甩脱传统硬件技术革新缓慢的问题。

进一步来说，网路软件化有着这样的演进──传统上是国际大型设备通讯商，如Cisco、Lucent、 Ericsson发包智邦、欣兴、华宇、英业达等台湾代工厂、再将制作完成的设备卖给电信商，获利集中在电信商和设备商，整个产业是封闭的。若未来因为有开放介面(Open Interface)的硬件、上面直接搭载开源(Open Source)软件，而传统的OEM代工厂商则转型成卖白牌的硬件商，电信商利用白牌设备来布大大小小的资料中心、跑在资料中心中的可以是各式各样的新型态应用程式。 2016年的SDN/NFV已经进入商用布署的关键期，根据权威调研公司Infonetics最新报告指出，到2018年时全球电信商的SDN/NFV市场规模将达到110亿美元。美国电信商AT&T 对外宣称其2016年资料中心的硬件虚拟化部分高达30%，2020年目标为75% 。AT&T表示：「我们将通过网路的软件化，实现公司成为软件公司的转型。」

另一方面，设备商对于软件化趋势的汹涌浪潮也感受到了极大的压力。今(2016)年8月， Cisco宣布全球裁员5,500名员工，震撼科技圈。Cisco调整人力的举动，正显示着SDN/NFV对于其本业的高度风险，正积极调整公司方向。IBM、HP亦对NFV有着深远的布局，就怕慢了一步被排除在这一轮的游戏玩家之外。

从1G到4G，我们一直在述说：几个巨头订好标准、各家厂商根据标准生产产品、电信商再来布建的过程，也就是「一群人持续在标准组织里依据各国拳头大小吵架」的故事。然而整个网路通讯朝向硬件标准成熟演进时，5G将可能首当其冲。5G不只是在通讯的速度容量做革新，而是网路虚拟化/软件化趋势。

其实也反映出电信产业不再仅提提供通讯设备、而成了网路服务提供者。如今Ericsson有超过2/3的电信业务，都是来自软件或服务，如云端、IP网路、OSS/BSS等，全球更有将近2万5千名的R&D人员，都从事软件产品的开发，而非硬件。

由于智能手机和行动网路的发达，电信产业与IT产业的分界已渐渐模糊，越来越多的电信商将重心移往云端技术和IoT商机。然而改变之路尚任重而道远，对于传统电信商仍须经过一段期间的验证，包括服务项目、后续维运、收费计价等系统，皆需要随之改变。在2017年即将来临的此刻，让我们拭目以待吧。 【关于转载】：转载仅限全文转载并完整保留文章标题及内容，不得删改、添加内容绕开原创保护，且文章开头必须注明：转自“半导体行业观察icbank”微信公众号。谢谢合作！

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