行動通訊技術的發展,可從三個角度進行探討,分別是行動網路、行動終端和軟體技術,這三項技術的發展應是相輔相成,缺一不可,唯有這三項技術能同步發展,才能幫助行動數據服務普及與成熟,本文將簡介行動網路的現況與發展,使讀者對行動通訊網路的現在與未來,能有一概略之瞭解。行動通訊網路朝數據傳輸應用發展

目前全世界最普及的數位式行動通訊網路,一般稱為第二代行動通訊系統,和一代網路最大的差異,主要在於數位和類比之差異。第一代和二代行動通訊系統最主要的目的,乃是提供語音服務,但隨著大眾對數據傳輸需求增加,第二代行動電話傳輸速率和頻寬使用不足的問題便逐漸浮現。於是遂有第三代通訊系統之構想,但為了使現有業者的投資可以回收,電信設備商提供了逐步升級的方案,在現有的二代系統上新增網路閘道器,並進行部分的軟體更新,讓系統業者不需大幅投資新設備,即能開始提供高速的行動數據服務,並以漸進的方式逐漸將系統升級至第三代通訊系統,例如高速電路交換數據服務(High-speed Circuit Data Service; HSCDS)和一般分封無線服務(General Packet Radio Service; GPRS)。行動通訊系統的演進,約略如圖1所示。

2.5代行動通訊在傳輸速度上較第2代系統大幅提昇,資料傳送方式,也由電路交換方式,改變為封包交換。在費率上,可供系統業者針對不同用量的用戶進行設計不同的方案,對於行動數據服務市場的發展具有正面的意義。

大幅提昇通訊品質、系統容量及傳輸速度

3G的CDMA技術強調全IP的網路觀念

在行動電話用戶數歷經數年的快速成長後,語音市場逐漸飽和,行動數據服務市場成為繼語音之後,各業者寄予厚望的新業務。於是遂有第三代行動通訊(3G)標準之誕生,除了訴求更好的通訊品質與系統容量外,高速的傳輸速度更是各方視為帶動Mobile Internet發展的重要因素。3G系統採用了CDMA(Code Division Multiple Access)的接取技術。利用多組編碼,以在同一頻道上傳送多組訊息,接收端只會接受屬於它自己的一組特殊編碼的語音和資料,在同一頻道其他不同編碼的信號並不會影響接收的品質。3G的CDMA和美國IS-95標準的差異,在於新一代的技術更強調其數據傳輸的能力,頻譜的使用效率,以及全IP的網路觀念,全IP的網路觀念,可使無線和有線的資源,作更有效的進行整合和運用。雖然WCDMA Rel. 99的核心網路仍以ATM為主,但在Rel. 4中已經可看出IP網路的重要性(如圖2所示),到Rel 5.後,3G網路將演化為全IP的核心網路技術。

WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA前景孰優

以CDMA為基礎的3G技術主要有歐規的WCDMA、美規的cdma2000和中國大陸發展的TD-SCDMA。這三者均為國際電信組織所規範的IMT-2000技術標準(如圖3所示)。

WCDMA的支持廠商包括Nokia、Ericsson等歐洲電信設備供應商。其系統是以現有GSM系統為基礎發展,其標準(Release 99)早在2000年3月就已出爐,到今年第一季已經完成第四版本(Release 4)的制定。由於全球多數系統業者支援W-CDMA,加上日本NTT DoMoCo已於2001年10月推出的「FOMA」(Freedom Of Mobil multimedia Access)的3G服務,使W-CDMA的技術成熟度與市場經驗會較其他系統成熟,再加上於採用cdmaOne與TDMA技術的SK Telecom和Korea Telecom以及AT&T Wireless和Cingular Wireless的支援,因此預估W-CDMA在3G市場的地位將更為穩固。

cdma2000則是現有窄頻CDMA系統升級的標準,主導的廠商為美國的Lucent與Qualcomm,支援該標準的業者主要是北美的Verizon與Sprint PCS 、與南韓的LG Telecom和中國聯通,由於支援跨系統與終端設備的問題將影響其日後的發展,導致支援的服務業者屈指可數,和W-CDMA相較之下明顯屈居弱勢。

而另一大陸積極投入的3G標準是TD-SCDMA系統,由大陸官方支援的大唐電信與德國電信設備供應商Simens合作開發此技術,基於大陸廣大的內需市場,該技術也順利獲得ITU與3GPP(3 Generation Partnership Project)認證成為3G技術標準之一。以技術層面來說,TD-SCDMA是結合TDMA和CDMA的新技術,最大的特色在使用智慧天線技術和TDD的雙工模式,智慧型天線具備降低發射功率與克服多路徑衰落的問題,提高通話品質,而TDD可利用上下行鏈路位於同一頻率工作的優勢,可以降低系統容量。一般說來TD-SCDMA適用於人口密集與手機上網密集的地區,而W-CDMA與cdma2000則在遠距離通訊方面擁有優勢;不過,該技術起步較慢,支援廠商也較少,預計技術的成熟點會落後FDD約一年半至兩年的時間,才會進入生產與規劃營運的階段。

從商業利益的觀點來看,選擇W-CDMA似乎可較cdma2000掌握更多的市場機會。最實際的案例就是日本的行動通訊系統,由於過去日本政府堅持採用封閉的PDC規格,導致日本廠商無法分享全球GSM系統快速成長所帶來的商機。因此NTT DoCoMo積極佈局3G,除了成為觀察行動上網發展的重要指標外,相關的技術和產品(如行動電話晶片、行動電話和通訊系統)都可因為「FOMA」的成功而協助日本廠商重回世界的舞臺。因此,韓國政府雖然在cdmaOne投注了相當多的心力,但在發放3G執照時,也採「技術中立」的立場,不再要求業者必須採cdma2000的技術,而結果由SK Telecom和Korea Telecom取得兩張W-CDMA執照,LG Telecom在第二階段取得唯一的一張cdma2000執照。與世界其他國家通訊軌道接續,相信是促使這兩個國家積極擁抱W-CDMA的主要原因。

3G系統以不同於2.5G的Radio Acess技術提供強大功能

在行動通訊系統架構中,可分為以下幾個環節:1.無線接取網路(Radio Access Network);2.核心網路(Core Network);3.骨幹網路(Backbone Network)。無線接取網路主要涵蓋的範圍為行動電話至基地台,利用信號調變技術將信號調變至載波中,再透過規定的頻段傳送信號;核心網路則是由基地台與基地台互連而成,主要進行網管工作,讓行動通訊網路能保持順暢;至於骨幹網路則是運用ATM或IP協定等技術架構於光纖網路上,以支應龐大的行動通訊傳輸要求。

一個完整的行動通訊網路,其組成除了包括終端產品的行動基地台(Mobile station,簡稱MS),就是一般俗稱的行動電話之外,還包括核心網路的各單元。行動通訊核心網路的單元包括基地台收發器(Base Transceiver Station,簡稱BTS)、基地台控制器(Base Station Controller,簡稱BSC)、行動交換中心(Mobile Switching Center,簡稱MSC)、用戶名單記錄器(Home Location Register,簡稱HLR)、外來區域用戶名單記錄器(Visitor Location Register,簡稱VLR)、認證中心(Authentication Center,簡稱AuC)、設備確認記錄器(Equipment Identity Register,簡稱EIR)、營運支援次系統(Operation and Support Subsystem,簡稱OSS)以及骨幹網路次系統連接器(Network Subsystem Connectivity,簡稱NSC)等。

第三代行動通訊系統基本上係以第2.5代行動通訊系統為基礎,以WCDMA為例,如圖4所示,第三代行動通訊系統與第2.5代行動通訊之間最大的差異在於Radio Access環節,第三代行動通訊系統採用的多重接取方式為CDMA,與GPRS(GSM)的TDMA不同;W-CDMA的基地台系統分為Node B及RNC,其功能分別等同於2.5G的BTS及BSC;此外,由於W-CDMA定義的頻段約在1.9GHz到2GHz,比GSM頻段為高,因此基地台的建置數目亦較GSM系統為多。

在完整的3G網路系統建置之後,除了能提供基本的語音通信功能,最重要的是,3G將為數據服務開啟一扇大門,尤其是3G強調無論何時(Anytime)、無論何地(Anywhere),任何人(Anyone)都能利用任何裝置(Anydevice)取得無間隙(Seamless)的服務,因此包括國際漫遊(Global Roaming)、網路安全(Security)、服務品質(QoS)以及計費機制(Billing & Charging Mechanism)等,均將成為非常重要的考量要素,相關說明見表1

基於表1所提有關3G網路系統的基本特色,能提供3G網路基礎架構的供應商多由傳統2G的廠商向上整合,而由於3G在Datacom的要求遠較過去為高,因此也有屬於Datacom領域的大廠進入3G網路系統領域。目前已跟取得3G執照的各國行動通訊營運商簽訂網路建置合約的大廠包括Ericsson、Lucent、Nortel、Motorola、Nokia、Alcatel、Siemens等,其中市場佔有率較大者包括Ericsson、Lucent等。

根據Dataquest的資料(參閱表2)顯示,2001年~2004年全球在行動通訊基礎建設的建置上共將投入約3,777億美元,商機可謂非常龐大,其中2.5G加上3G部分的投入金額在2003年將超越2G,到2004年時,2.5G加3G的基礎建設投入金額佔總投入金額的比重將達62%。

至於在3G行動電話方面,現有的各家行動電話大廠均計畫自2002年起陸續推出產品,其中腳步最快的當推已提供產品給NTT DoCoMo的NEC及Panasonic,隨著日本NTT DoCoMo率先推出3G行動通訊服務,日本行動電話生產廠商在全球行動電話大廠中拔得頭籌。

4G行動技術將於2010年發展成形

除了已預備在數年內商業化的3G服務,日本總務省與主要行動電話業者已為超高速行動電話科技擬定了基礎計劃,並已經宣布日本4G行動通訊基本藍圖,其傳輸速度將與光纖網路的速度相當達100Mbps,並預定於2010年將此發展技術成形。而四個歐洲行動設備廠商Alcatel, Ericsson,Nokia與Siemens已經於2000年12月成立無線世界研究論壇(Wireless World Research Forum, WWRF),而在今年3月再次向世人宣示,此論壇將把重點放在3G以及其下一代無線通訊之研究,並企圖主導未來行動通訊的技術。美國方面,雖在3G行動通訊上落後於日歐,但是美國無不希望奪回全球國行動通訊的主導地位,最近看到日本與英國無線系統服務業者相繼將3G服務時程延後,並有部分歐洲廠商希望政府將3G執照的費用降低等情形下,亦在為4G行動通訊做準備,以便在4G的時代,能和歐亞國家一較長短。

雖然2.5G才運作不久,3G也將在明年開始逐步上路,也許現在談論4G似乎太快了,但是,如果我們將時間拉長從2010年,然後回過頭來3G行動通訊,或許可以得到不同於以往的觀點,亦讓廠商更能夠獲得另外一方面的思維。下面將對4G的藍圖做一個簡單的介紹與說明,並對歐日美在4G的想法與企圖做個分析 。

4G將整合所有無限網路系統技術於一身

即使3G行動通訊正在如火如荼的展開,但是隨著應用技術與商業模式的持續演進,大家都知道3G並不能完全的滿足龐大即時影音的需求,因此無論是日本、歐洲或是美國都已經著手規劃4G或稱為3G的下一代之行動通訊。根據這些大廠的資料,未來4G的理想傳輸速度將達20至100Mbps,如圖5所示。

根據WWRF的構想與規劃,4G將整合不同的無線區域網路(WLAN)與標準、行動通訊訊號、無線與電視廣播以及衛星通訊等。也就是說,4G比3G所涵蓋的範圍將會更廣(如圖6所示)。

行動通訊從1G至2G,帶給產業與市場最不一樣的地方在於系統從類比轉換成數位系統。而從2G到3G最大的不同點在於從語音與簡訊通訊邁入即時(real-time)或always on資料與多媒體傳訊的時代,那麼從3G進入4G無線網路通訊最不一樣也最大的演進是什麼呢?從表3中,我們約略可以窺探到其中一二,那就是4G將整合所有無線網路系統與技術於一身,讓通訊網路的世界成為一個無縫合間隙(Seamless)的時代。

美歐日以不同姿態跨進3G和4G

從行動通訊世代演進史中,我們可以看到不同國家的轉變與企圖。美國在類比通訊時代處於世界領導的地位(現今美國有部分區域仍舊使用類比式的行動電話)。到了第二代行動通訊時代,歐洲各國為了建立一跨國的標準,制訂了泛歐式GSM通訊系統,在歐洲國家的支持與亞洲國家的跟進下,主導了全球近7成市場(如圖7所示),也造就了Nokia、Ericsson與Siemens等歐洲行動電話與設備製造商。

日本由於2G數位無線通訊標準是選用PDC,因此日本的行動電話與設備廠商無緣在通訊領域與歐美相爭,僅僅侷限於日本市場,不過,隨著NTT DoCoMo推出i-Mode的成功,使得日本成為現在全球唯一推行無線數據資料傳訊服務成功的國家,並讓日本行動電話與設備廠商終於可將行動通訊市場推向全球的領域,從3G與未來4G就可以看到這樣的端倪。

依照目前的態勢來看,3G的無線網路通訊領域市場的大餅,將有可能是日本與歐洲廠商同場競技的情況,由於美國市場仍舊有許多變數存在,因此3G服務的推出時間亦可能延至2003年之後的情況下,將對於美國廠商在3G的發展會受到相對的阻礙,不過,最近日本與歐洲廠商由於3G技術、基礎建設與行動電話本身等問題的情況下,3G的發展腳步將不會如先前預期的樂觀,也就是說,3G服務如果要達到80%全區域漫遊的情況,可能要延至2005年左右,才能實踐。如此的情況,將對於美國想要發展3G的廠商來說,是相對有利的。

依照4G藍圖的規劃,4G將整合不同的無線區域網路(WLAN)與標準,行動通訊標準,無線與電視廣播,以及衛星通訊等。雖然日本與歐洲在行動通訊方面,較美國的腳步快,但美國將可先佈建無線區域網路系統,再整合3G或2.5G的方式,來達到4G的目的。

業者必須以使用者角度出發 設計符合市場產品

從目前的技術與使用者行為去想像位未來的行動應用,或許會過於狹隘而無法一窺行動數據服務未來的全貌。網路技術是Mobile Internet產業中的一環,但不是全部,從更長遠的角度來說,服務業者和設備製造商必須不斷地去探索使用者的需求,瞭解其使用行動終端的場所、機會、需求,據此去設計出符合市場的產品,才是讓產品在市場上能快速普及的因素,這是和PC產業遵循標準規格生產製造不一樣的地方,也是業者必須正視的重要課題。

轉載自蘇祐毅
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