個人行動通訊之過去、現在與未來(上)

前 言：

人類通訊之最高境界是任何時候皆可以與在任何地方之特定對象進行各種數據、影像、語音之溝通。而為達此目標，通訊系統之數位化與無線化技術是勢不可擋之必然趨勢。因為，數位化使得大量資料可靠地傳輸成為可能，而無線化則使隨時隨地的通訊美夢成真。簡言之，也就是所謂的「數位無線通訊 — 讓無線成為無限」。

於此，本文將針對個人行動通訊之過去沿革與未來發展，做一流程式之描述與簡析。首先，個人行動通訊之過去、現在與未來（上）介紹無線通訊之行動電話技術演進，如何由類此式之蜂巢架構，演進到數位式第二代行動電話，而2G到3G之間，又有所謂2.5G HSCSD、GPRS以及EDGE。第三代行動電話則出現了W-CDMA及cdma2000兩大陣營。第二部份介紹W-CDMA、cdma2000並比較兩種規格之異同及在全球各地之發展現況。第三部份，個人行動通訊之過去、現在與未來（下）則簡析3G對現有相關產業之影響，並對國內廠商做一SWOT簡析。最後，以表列方式列出在此波3G浪潮中，具有相對優勢之國內廠商，作為總結。

美國Bell Lab.貝爾實驗室於1940年代發展出所謂的蜂巢式無線電話系統，利用細胞分裂以及交替(Hand Over)觀念，使得行動電話在基地台範圍內可以對外收發聲音。

＜表一＞中所列為主要類比式行動電話系統，其中AMPS（Advanced Mobile Phone System）為北美所發展之系統，TACS為英國所發展之系統，NMT-450以及NMT-900則是由北歐瑞典易利信Ericsson所發展出之系統，NAMTS是由日本NEC所發展出之系統，為全球最早之商用行動電話系統，啟用於1979年12月。

表一、類比式行動電話系統特性比較

資料來源：全華出版社

1980年代則是類比式行動電話之全盛時期，縱使進入90年代，面對2G數位式行動電話之強力威脅，用戶數仍居高不下，直至1997年才被數位式行動電話超越。以台灣為例，類比式行動電話鼎盛時期用戶數曾高達77萬戶，目前則已衰退到少於10萬戶，市佔率小於0.05%，預計在未來幾年內，類比式行動電話將完全被2G亦或2.5G所取代。＜表二＞所示，即為各系統行動電話用戶數成長預測。

表二，各系統行動電話用戶數成長預測

資料來源：Acer Communications & Multimedia，單位：百萬支

相較於數位式技術，由於類比式行動電話之系統容量較為不足、頻譜使用效率低且數據通訊需額外架設系統，因此到了2G便將類比系統改為數位系統，主要是在移動台採用語音壓縮編碼及使用TDMA、CDMA等技術以拓展通話容量。由於數位式系統技術具備通訊品質較高、系統容量大、通訊保密性佳，並可藉與智慧卡之結合而來提供多樣化之服務等優點，因此自1990年代便逐步竄起，而至1998年後數位式用戶數便超越類比式行動電話後，正式成為電信市場之主流。如＜表二＞所示，GSM/PCN＞＞ANALOG。

第二代行動電話一共有GSM、CDMA、PDC、D-AMPS等四種規格，其所採用之工作頻率如＜表三＞所示。其中，PCS部份為高頻小涵蓋區，較適合都會區，而Cellular則為低頻大涵蓋區，較適合郊區。

表三、數位式行動通訊系統各規格標準

資料來源：ITIS

比較GSM、CDMA、D-AMPS及PDC等四種2G規格標準之差異，以多工接取(Multiple Access)之方式而言，除CDMA是採劃碼方式外，其餘皆採分時之方式；頻率分配方式，GSM為機動式，PDC及D-AMPS則為固定式。

由於日本PDC及美國D-AMPS受限於區域性與回溯相容(Backward Compatibility)等因素而無法有效推廣成為全球通訊標準，因此以下僅就GSM及CDMA兩大規格標準做介紹，並針對其所採用之FDMA、TDMA、CDMA三種技術做一說明比較。

1.GSM系統

1982年，歐洲郵電行政會議（CEPT，Conference of European Postal and Telecommunications Administrations）設立移動通訊特別組（Group Special Mobile），目標是開發第二代蜂巢式系統。到1986年，歐洲相關廠商針對GSM提供數種解決方案，且在巴黎進行測試。1987年並對TDMA、Pre-LPT、GMSK等技術達成共識以及提出系統關鍵參數之建議，即誕生了GSM系統規格。

於1987年，16個歐洲國家同意於1991年中開始GSM商用服務，並允許其他非CEPT成員國加入。由於技術成熟，接受度甚高，從此GSM亦由移動通訊特別組(Group Special Mobile)衍生為全球行動通訊系統(Global System for Mobile Communication)之代名詞。

2.CDMA系統

在美國，2G擁有兩套規格，一為D-AMPS，另一為CDMA。1988年，美國通信工業協會TIA (Telecommunication Industry Association)設立TR-45.3委員會，負責制定數位化技術標準，最後選定多頻道選取、調變、語音編碼之標準，並於1989年底完成標準草案IS-54，即為所謂D-AMPS，與GSM及PDC同樣採用TDMA技術。

至1992年，Motorola與Qualcomm又提出CDMA(分碼多工接取)方案，並於1993年形成了IS-95新標準。CDMA推行初期並不順利，但由於南韓極力看好行動通訊市場，所以在南韓政府大力推動之下，與Qualcomm簽約開始引入CDMA行動通訊系統，並開始國家級之無線通訊計劃，因此CDMA開始嶄露頭角，成長速度不亞於GSM，且成為3G之重要技術標準之一。

3.FDMA、TDMA與CDMA

圖一，FDMA、TDMA與CDMA之比較示意圖

資料來源：Network Computing

(1) FDMA

分頻多工接取，為一常用之多工技術，每一傳輸站之傳輸頻率被分配於不同之載波頻率上，如＜圖一＞所示。不同傳輸站可在轉頻器之可允許頻寬範圍內，同時使用轉頻器上之放大器，其在容量設置上相當簡易，不需複雜之時基和同步裝置，即可將基頻信號還原。

FDMA之缺點在於轉換器上功率放大器之非線性雜訊影響。由於多個載波同時出現，則IM (Inter Modulation) 交互調變雜訊就會上升。但是，若要控制交互調變雜訊而將功率向下調整，則又將影響到接收端之功率強度。

(2) TDMA

分時多工接取，是利用相同頻率但不同時間來傳送訊息，如＜圖一＞所示。比起FDMA，由於TDMA對於多使用者之時槽Time Slot安排可隨時調整，以提供不同使用者不同之接取速率，因此TDMA之運用彈性較高，亦較容易整合數位語音與資料傳輸等服務。

(3) CDMA

劃碼分時多工，是利用展頻之方式增加系統之自由度，如＜圖一＞所示。其技術是在傳送端將窄頻訊號，以寬頻之連續碼Sequence Code展開Spreading，如此一來，混合後之訊號功率將分布於寬頻中而大幅降低（因為訊號能量仍保持固定）。相對地，信號間相互干擾之情形亦會降低。在接收端，用同樣之連續碼將此混合訊號De-spreading，並用低通濾波器Low Pass Filter濾掉其他雜訊，而將原始訊號還原。簡言之，如TDMA是以時間來共享空間，CDMA則是以不同語言來共享時間及空間，如此一來，可讓頻寬之使用更具彈性。

CDMA之優點，如下所述。定時彈性大、減低頻率選擇衰減之效應、可抑制干擾、保密性佳、系統容量大、可以軟式換手、無硬式容量極限、可以扇形天線控制干擾、時間利用度高等。但CDMA也有缺點，如技術複雜度及困難度較高、功率控制更形重要。

CDMA可提供比先前之TDMA、FDMA更好之服務品質、更高系統容量、更長之手機電池壽命、以及更高速之資料傳輸速率等，這也是3G標準中，無論美規CDMA2000或歐規UMTS，皆採用CDMA之接取技術理由。

以北美之AMPS（Advanced Mobile Phone System）為例，屬於類比式系統，採用FDMA進接技術。歐洲之泛歐數位式全球行動電話系統（Global System for Mobile Communications，GSM）屬於2G，為數位式系統，採用TDMA技術。至於英國之第二代行動電話（Cordless Telephone Generation 2，CT-2）與歐洲電信標準協會ETSI所制定之歐洲數位無線通信系統（Digital European Cordless Telecommunications，DECT）技術標準均為第二代無線電話通訊系統，且屬於數位式系統，但CT-2採用FDMA技術，而DECT採用TDMA技術。

在由2G邁向3G之過程中，由於既有系統設備頻寬不足、商業化時程與相容性等問題，而有所謂過渡規格2.5G。以2G之主流規格GSM發展出中、高速無線數據通訊解決方案中，有高速電路數據交換HSCSD以及一般分封無線服務GPRS與EDGE。如＜圖二＞所示，為GSM規格之2.5G技術發展演進。至於整個數位行動通訊系統之演進，如＜圖三＞所示。

圖二，GSM規格之2.5G技術發展演進

資料來源：ITU、IT IS

圖三，數位行動通訊系統演進圖

資料來源：Network Computing

1.HSCSD (High-Speed Circuit-Switched Data)

原有GSM傳輸數據資料時，只用到單一時槽(Time Slot)，其傳輸速率為9.6Kbps，HSCSD則以修改軟體系統程式之方式，將下傳數據資料之時槽數增至4個，所以下傳速率便一舉提升為38.4Kbps，至於上傳則維持不變。

若以壓縮方式將Channel Coding加以修改，則原有單一時槽之傳輸速率可提升至14.4 Kbps，此時HSCSD傳輸速率亦可提升至57.6Kbps。目前採用HSCSD之系統業者，有新加坡的Mobile One及SingTel Mobile。

一搬來說，HSCSD較適合於需即時傳送資料，而且大量使用ISDN以及傳統電話數據機之應用場合，但在無線電資源之利用上，不經濟亦昂貴，因此目前並未被廣泛使用。而對於大量具有突發性之無線數據通訊基礎之GPRS，則有明顯之技術優勢存在。

2.GPRS (General Packet Radio Service)

GPRS是採用封包方式之數據傳輸服務。採用分封交換技術之優點，是提高無線傳輸通道之使用效率，對用戶而言，是永遠在線上，隨時可取用資訊，計費方面可以以量計價，用多少算多少。

GPRS是在GSM網路之基礎上增加分封控制與交換等網路設備與軟體升級，以實現無線分封數據通訊之功能。亦言之，藉由硬體升級方式，增加SGSN (Serving GPRS Support Node)以及GGSN (Gateway GPRS Support Node)兩個網路系統節點來提升整體傳輸速率。SGSN主要是用來與行動台保持聯繫並負責接收封包數據以下傳給行動台，GGSN則提供類似邏輯介面之功能，負責將收到的GSM封包整合成其他封包方式(如IP) 並傳輸出去。

藉由SGSN及GGSN之助力，GPRS可同時使用GSM系統中200 KHZ載波的全部8個時槽進行數據傳送。若每個時槽的傳輸速率為14.4 Kbps，GPRS的傳輸速率最高可為14.4*8=115.2 Kbps。＜圖四＞所示，為2G / 2.5G / 3G技術之比較。

圖四，2G / 2.5G / 3G技術比較

資料來源：Network Computing

由於GPRS是以封包方式處理數據傳送，因此較原有之電路交換方式更能有效率的運用有限頻寬。在3G市場尚未開放前，以國內而言，以和信電訊投入最早，但目前國內各大系統業者也相繼投入，且莫不全力以赴，以做為3G市場的的先頭戰，同時也可利用過渡時間教育使用者及發展ISP及ICP，為真正的寬頻無線市場預做準備。

3.EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution)

在不改變GSM原有TDMA架構、邏輯通道及200 KHZ頻寬下，Ericsson發展出EDGE (GSM++)技術，能將數據傳輸速率提升至384 Kbps，由於原有系統業者欲升級至EDGE服務所需再投資的軟、硬體設備均相當少，且具有高度相容性，因此，對只有少部份頻譜可供使用的系統業者而言，EDGE頻道功能助益更形彰顯。

4.CDMA 2.5G技術演進

原有IS-95A標準中，數據傳輸速率為14.4 Kbps，在IS-95B中則已進一步提升至144K bps，預計到IS-95C時數據傳輸速率已與cdma20001X相當，但cdma20001X將具備更多頻寬、更優良網路系統以及更高品質之通訊服務。

繼2G之行動語音服務，3G行動通訊系統提供比2.5G GPRS更快之數據服務。3G不僅強調任何時間、地點之全球漫游以及全方位服務，包括寬頻多媒體、影像、視訊以及Internet服務，並能與現有2G系統相容。

手機在高速移動下，最高可提供144 Kbps，低速移動下，可提供最高384 Kbps，而在靜止時，最高可達2 Mbps，這樣的傳輸速度已接近2.5G主流GPRS速度的20倍，在行動上網中應該已稱得上是寬頻系統。此外，對於數據應用服務之內容Content，更是3G 行動通訊環境中，另一令人注目之焦點。

3G所能提供之應用及服務包括:

1. 由窄頻之語音到寬頻即時多媒體服務之全方位服務。
2. 支援高速的分封數據，包括瀏覽資訊、預定資訊、連結企業網路和網際網路以及電子交易等。
3. 傳送訊息，如多媒體、e-mail等。
4. 即時影音應用，如視訊電話、視訊會議、電傳醫療及遠端安全監視等。

目前3G規格主要有W-CDMA，為歐洲GSM、日本PDC 3G所支持之共同版本。而另一為美國CDMA 3G版本cdma2000，以及中國自行研發制定的TD-SCDMA。以下將針對未來主流的W-CDMA及cdma2000做個別介紹、比較及全球各地發展現況。

一、W-CDMA

W-CDMA除具備3G特性外，另外還提供利用雙模方式，在系統間無感式越區換手及漫遊功能。如此一來，使用者便可在W-CDMA系統規劃初期，任意在UMTS及GSM或IMT-2000及PDC之間漫遊，減少相容性以及使用者適應新系統上的問題。

IS-95B之後發展出cdma2000標準，其技術制定可分兩階段，第一階段為1XRTT，其中的1X代表無線傳輸通道，RTT則代表無線電傳輸技術(Radio Transmission Technology)，第二階段則為1XEVRTT。

cdma2000中，在電源控制、反向器通道上之調解技術以及資料編解碼方式等均有大幅改進，此使得其容量擴充性及資料傳輸能力更加強大，並符合IMT-2000規格標準。

W-CDMA及cdma2000，主要差異除了發起區域不同外，在技術方面亦有幾點不同：

1. Chip Rate：Chip Rate為一類似加密方式之展頻方法，可加大原始訊號頻寬，而在還原原始訊號序列後更可獲得較佳之抗干擾性。以W-CDMA為例，由於單一Frame(資料框)長度為10ms，而一個Frame有16個Time Slot(時槽)，一個Time Slot則有2560個Chip，因此其Chip Rate=1000 ms*(1 Frame/10 ms)*(16 Time Slot/ Frame)*( 2560 Chip/ Time Slot)=4.096 M Chip/s。但在cdma2000中，則採用3倍(3.6864 M Chip/s =3*1.2288 M Chip/s)的Chip Rate。
2. 同步方式：GPS為美國防部所發展出之衛星定位技術，IS-95便是利用GPS使基地台之間之計時能夠同步，因此cdma2000亦沿用此同步計時之模式；但W-CDMA則採基地台間異步方式。
3. 導頻方式：W-CDMA採導頻(Pilot)符號與業務碼同時使用，cdma2000則沿用IS-95公用導頻方式，與業務碼共用頻道。

日本對於行動數據之推廣積極度幾乎無國可比，NTT DoCoMo亦成為行動網際網路之代名詞。在規格方面，NTT DoCoMo及J-phone選擇了W-CDMA，KDDI則採用cdma2000。

NTT DoCoMo現所用之PDC主要存取技術是採用TDMA，因此較不考慮IS-95系統，但為了與PDC能有所區別，因此便發展出近乎全新之W-CDMA系統。NTT DoCoMo於1996年10月首次達成2Mbps無線傳輸測試，1997年初接著進行降低干擾測試，12月在Yokosuka園區進行W-CDMA實地測試，同年NTT DoCoMo也向ARIB (the Association of Radio Industries and Business，日本無線工商業聯盟)建議3G系統應主推W-CDMA，而ARIB也接受其建議，並獲Nokia及Ericsson支持。

原本預計2001年五月NTT DoCoMo將開始進行W-CDMA商業化，欲以原有廣大用戶數與豐沛網頁內容所累積之行動數據基礎打下江山，但由於技術上仍有障礙，因此延至10月推出。而此舉能否成為全球最先成功之例，且讓我們拭目以待。

GSM為2G市場最成功之主流規格，芬蘭及瑞典為保護既有GSM網路經營業務之投資，3G為非常重要之一役。在制定3G規格標準過程中，「Alpha方案」為Nokia與Ericsson支持的W-CDMA，「Delta方案」則為Alcatel與Siemens支持的TD-CDMA。

在SMG (Special Mobile Group)投票過程中，最終即以W-CDMA的FDD (Frequency Division Duplex)以及TD-CDMA的TDD (Time Division Duplex)綜合體UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access)為採行標準。

1997年北美CDMA四個主要供應商Qualcomm、Motorola、Lucent及Nortel宣稱將共推Wideband cdmaOne(即cdma2000)為第三代行動通訊標準提案，並將與現有的IS-95無線接取介面及ANSI-41網路系統相容。

由於CDMA市佔率較GSM為低，所獲支持之廠商數目相對較少，因此Qualcomm為防止未來W-CDMA與IS-95不相容，即表示僅支持「充分整合」後的3G標準，為其擁有的CDMA專利先行保護。

在勢力龐大之標準制定組織之間，有著嚴重之商業利益與權利金之考量，以及現有2G業者期待能順利升級至3G並且減少額外花費，無不卯足全力促使別人能追隨自己標準，如此一來，將使得全球單一標準以及完整技術規範之理想，仍遙不可及。

由於兩造之強勢主導，許多人預測未來全球3G標準將出現此兩套不同標準且無法整合之情形。

另外，值得一提的是中國大陸為能走向通訊自主化，並培養自己之通訊產業以及通訊人才，自行發展一套3G標準TD-SCDMA。雖說此一標準將面臨與國際通訊市場格格不入之窘境，但是以大陸預計2002年才開放執照之時間表來看，TD-SCDMA仍然有許多發展空間，再者，大陸廣大手機用戶群與市場發展，也足以養活此標準而無需向國際通訊市場進軍。

參、3G對相關產業之影響

圖五，無線通訊產業範疇

資料來源：Acer Communications & Multimedia

＜圖五＞所示，為整體無線通訊產業之範疇，產業鏈中主要包含四大類，分別為功能元組件、終端設備、系統以及應用與內容等。然而，在此波3G浪潮中，對於國內相關產業以及廠商將有何影響以及商機，此部份將於個人行動通訊之過去、現在與未來（下）做一探討。