4G技术发展对产业冲击.doc

通訊產業發展推動小組
April 2010

4G技術發展對產業衝擊

工研院資通所 宋庭禎
I、摘要
根據世界銀行2009年研究報導指出，當寬頻網路的普及率增加每10%就可以帶動一個國家的GDP 成長1.3%，並將同步增加2,930,000就業機會，因此美國政府公佈將投入70億美金的資金在普及寬頻通訊的品質及覆蓋率的方案以刺激美國經濟起飛，其他的新興國家的寬頻計畫也蓄勢待發。

目前適合鄉村或偏遠地區(Rural Area)佈建無線寬頻系統技術的IMT-2000系列中，以同樣採用4G技術的MIMO-OFDMA, All-IP based 的WiMAX 16e系統最適合新興國家及未佈建3G系統之業者採用。然而WiMAX 16e在行動寬頻的市場定位已然對3GPP及3GPP2等其他IMT-2000系統構成威脅，而遭到HSPA+、LTE技術的反撲及夾擊。

MIMO-OFDMA系統在下載速度、應用服務模式、架設成本、服務成本及多元化頻譜使用率等方面都優於CDMA based系統，未來朝向MIMO-OFDMA Based 使用All-IP網路技術提供Location Based Services, E-Multi Broadband Service 及其他群組、多媒體服務之趨勢漸趨成熟。同步在國際標準會議中，ITU-R在十月所收到的七個4G技術候選系統草書(Draft)中分類為IEEE 802.16m及3GPP LTE-A，全都建議在未來採用OFDMA調頻技術、智慧天線(Smart Antenna)技術及All-IP局端系統做為技術的主流。

然而，當WiMAX正進行佈建、推動從CDMA世代進展到OFDMA的營運模式過程當中，很多必須要克服的挑戰漸漸都浮上檯。因此，本文除了探討4G的發展情況，更要進一歩的把技術成功要素和背後的市場驅動及挑戰因素作為一個重點分析，以利4G之後的發展。
II. 為何需要4G?

圖1: 行動寬頻服務應用成長動力示意圖
現在上網使用習慣朝向多媒體、 interactive的服務，像現在熱門的web 2.0服務, messenger, blog and facebook等應用(見圖1)，已對目前的3G系統產生相當大的挑戰，未來的應用像 mobile commerce, LBS, Internet and mobile TV, social networking, online Gaming, M2M, P2, video messaging, music downloading and high-quality video and voice conference等應用對無線傳輸的需求將較現在3G所能提供的速度要高出許多，對All-IP骨幹的需求也更加重要。

各大運營商在今年所公佈的行動寬頻成長數據也看到Mobile Data的成長力道; 美國AT&T在2008年間iPhone的用戶數增加了4.6 million用戶，於2008年增加37.2%到達 USD 3.4 billion的規模。而美國第一大行動營運商Verizon Wireless在同時期的行動寬頻服務營收也增加52.6%。新加坡運營商，M1，的非語音類事業營收創新高，已經達到總營收的25.1%，mobile data部分逐年增加從去年的9.5%來到今年的10.9%。全球客戶總數在全球排名第三的Telefonia也公佈了今年全球客戶的mobile data的成長數字; 巴西 +32%, 墨西哥 +25%, 阿根廷 +33%, 及西班牙 +36%等。正當運營商在享受iPhone、HTC等smartphone的營收成長之餘，也面臨著相當大的挑戰, 例如現在的3G網路還是以circuit switch(CS)為主要骨幹系統，但mobile internet服務的持續增加將對骨幹系統帶來龐大的負擔，更由於吃到飽的費率機制將無法增加營收，因此有必要對骨幹系統的升級，升級至packet switch骨幹系統，朝向All-IP網路以減少系統建置成本、通訊及維護費用。

另外，未來的行動寬頻服務模式不適用傳統的以語音及wall-garden為主的營運模式，未來將以數據服務及開放式行銷並注重個人化與多元多媒體化的創新，來增加消費者的無線體會。如此無所不在的無線網路服務將帶動Machine 2 Machine以及Internet of Things (物聯網)的發展。4G所能帶來的新的機會與契機將相當無限。

III. 何為4G?
在此，作者透過ITU-R所發佈的文獻中整理出對IMT-Advanced技術簡短的、摘要性的描述;
IMT-Advanced(4G)技術是採用新一代無線寬頻接取技術(MIMO-OFDMA)結合All-IP局端網路的新系統，並符合IMT-Advanced最大數據傳輸速率: 固定狀態100Mbit/s 或高速移動中 1,000Mbit/s下載需求。4G網路因支持IP多媒體服務，將帶動資通訊數位匯流、FMC及新興無線寬頻Business model等效應。未來將透過”always-on”的服務模式提供VoIP、Video及其他高傳輸等應用服務到各無線終端裝置，讓全球都能享受到隨時隨處上網的服務。4G All-IP網路架構也將啟動Pervasive computing及P2P的功能，向更多的web 2.0服務應用實現在行動上。

根據ITU-R對IMT-Advanced的技術需求，描述如下:
Ø Increase spectral efficiency by using OFDM and Support of Smart Antenna Technology
Ø Flatter IP-based network architecture to Lower OPEX and CAPEX
Ø Provide a more flexible spectrum and Scalable Channel Bandwidth
Ø Better integration with other standards such as WLAN, 3GPP and 3GPP2 systems.

ITU-R正透過WP5D工作小組制定及測試IMT-Advanced (4G)無線接取技術，提供更高速的行動寬頻技術。目前ITU-R WP5D在十月所收到的七個4G技術候選系統草書(Draft)都屬於IEEE 802.16m、3GPP LTE-A及MIIT(China) TDD-LTE-A等三種系統，未來IMT-Advanced技術將採用OFDMA調頻技術、智慧天線(Smart Antenna)技術。在IMT-Advance技術的系統草書中也提及到未來更平扁的All-IP局端系統架構以具備服務異質網路系統。預計在2010年十月完成第一版的無線接取技術白皮書。各標準制定組織的發展藍圖也因此按照ITU-R的規劃而執行中。(見圖2)

圖2: 行動寬頻技術發展現況

因此目前的WiMAX Rel. 1.X及LTE Rel.8技術屬於所謂的3.9G 技術，其扮演的角色(value proposition)，在作者的觀點看來，是短期間因應行動上網趨勢的演進技術; 從Circuit Switch Based到Packet Switch Based服務; 從CDMA-based到MIMO-OFDMA based系統的演進。而中長期因網路的升級及數位匯流技術成熟後，才能成為ITU-R所預見的高傳輸、異質網路(Heterogeneous)系統的4G系統。本研究將3.9G及4G系列統稱為4G技術，而任何CDMA技術的系統統稱為3G技術。

IV. 4G技術發展對產業鏈之影響
3.9G 技術扮演的角色，是因應行動上網趨勢的演進技術; 從Circuit Switch Based到Packet Switch Based服務; 從CDMA-based到MIMO-OFDMA based系統的演進。因此，本文討論MIMO-OFDMA技術發展對傳統CDMA技術之影響，包括對產業鏈各個群組所將遇到的衝擊，以作為國內行動寬頻運營商以及ICL業者未來發展策略研擬之參考。

圖3以及圖4簡單指出行動通訊產業鏈結構之示意[1]。4G產業價值鏈(Ecosystem)歸納為Enabler group (標準制定組織、政策制定者)、Momentum group (運營商)、Foundation Group (基礎產業業者)和Growth Engine(成長動力產業)。

圖3. 行動通訊產業鏈結構示意圖

圖4: Different services share common components
Foundation Group (基礎產業業者)涵蓋整個製造及價值鏈，包括晶片及相關零件、終端商、系統整合商、測試平台商、軟體設計者及應用服務業者等。基礎產業業者將產出4G網路系統、終端設備、手機、手提電腦、特別應用終端、遊戲機和消費者電子等，這些裝置將帶動及連結第三個群組: Content, Services and Applications.

Enabler Group (技術擁有及制定者)涵蓋標準制定組織、法規制定者及產業聯盟業者。透過技術擁有及制定者的努力將制定技術規格、制定法規、頻譜管理及規範，以及確保公司間及策略聯盟間的聯繫及一致性，確保4G發展穩固。

Momentum Group(推動者)涵蓋全球的行動通訊運營商及政府推動者，因大多的運營商對4G的投入及推動才能讓此產業因此發展，也因此讓基礎產業者有信心投入研發資源並符合運營商對行動寬頻技術要求。未來的4G產業發展的發展力道也仰賴運營商的信心及投入。所以運營商的態度將是推動4G技術的成長動力。另外，政府的態度及推動在4G的時代扮演相當重要之角色，如韓國的WiBRO計畫、中國的TD-LTE投入及印度政府對3G的態度等，樣樣顯示出行動寬頻技術不包括是運營商的投入，還需要國家政策的配合。
行動寬頻服務應用部份將是未來的4G成長動力，未來也將透過共通的系統及4G Ecosystem達成。圖4顯示未來不同服務將透過共同的系統及相同的Ecosystem。在後章節中，作者將分析4G技術發展對目前CDMA Foundation Group的衝擊以及挑戰作簡單描述:

V. 4G技術發展對Foundation Group之影響

產業價值鏈中相當重要的一部分是基礎設備的成熟及穩定性，作者在此將把Foundation Group分為以下產品歸類以利分析:
Ø 無線接取設備 (Access) – 無線基地台設備
Ø 局端設備 (Core) – All-IP局端設備
Ø 晶片、平台及相關系統 (Silicon, Platforms and subsystems) – new chipsets and other subsystems or devices needed to implement the 4G Access and Core equipment
Ø 軟體及韌體支援系統(Software and protocols) – similarly for software and protocol stacks.

本專案將不包含天線部分因為WiFi系統已使用MIMO多年，對無線領域來說並不新鮮，也將不包括IMS (Backhaul/Aggregation Equipment)。

[無線接取設備Access]
4G基地台除了將採用MIMO-OFDMA技術及新技術以外，也將增加基地台的功能性已達到簡化佈建及管理的成本，包括plug-and-play、self configuration及self-optimization等技術。因此軟體及韌體將在4G基地台扮演相當重要的部分，software-define Radio (SDR)技術不但能進行軟體升級、支援多模多系統(multistandard) radio/base-station。以Motorola基地台為例，可同時支援 WiMAX 16e Access Points and LTE eNodeB, 也將可以支援GSM、E-EDGE及LTE。

雖然OFDM技術帶給Flexible channel bandwidth的便利，未來4G頻譜也將分佈在各個不同的頻段上。但這個便利將增加RF端的成本，對很多運營商使用全球共通的頻譜來說可能無法採購到相對便宜的設備及系統。另外未來LTE將有TDD及FDD兩個模式，對很多系統整合商來說也是一個必須找出一個Cost-effective的解決方法。

[局端設備Core Network]
Cisco指出4G core network最大的挑戰在於4G並不支援circuit-switched語音服務，因此gateways將需要處理相當多的小的VoIP packet，一方面對Gateway的處理能力將是個負擔以減少VoIP延遲時間，另一方面傳輸速度也必須提升以維持Voice的品質。Always-on的服務型態對All-IP 4G Gateway是一種考驗，考驗Gateway的穩定性及持續性。

[晶片、平台及相關系統 (Silicon, Platforms and subsystems)]
數位匯流的時代需要許多4G模組embedded在各式各樣的手持裝置上，如遊戲機、家用娛樂機台、行動上網裝置(MID)、照相機、或智慧型手機等。目前大多裝置已經裝有WiFi功能，未來如能embedded 4G模組，將讓用戶更便利的、更廣泛的利用上網功能存取資料。另外，當4G行動裝置離開4G網路時必須與其他上網系統銜接，因此Multi-mode的技術是未來4G行動裝置相當重要的一個突破。4G行動裝置必須有具備以下功能:
Ø Multi-standard CDMA/LTE, GSM/UMTS/LTE, UMTS/LTE, GSM/WiMAX, WiMAX), 也必須有TDMA, CDMA及OFDMA技術接取技術。
Ø Multi-band (700MHz, 900MHz, 1.5GHz, 1.7GHz, 2.1GHz, 2.3GHz, 2.5GHz, 2.6GHz, 3.5GHz, ….etc)
Ø Support FDD and TDD
Ø Integrated multi-antenna (2x2或4x4或8x8)
Ø Improve battery life and sleeping mode intelligent
如果以上功能都須在同一裝置上實現，可預見未來裝置的配置及調整將相當複雜，加上地域及客戶要求，未來的應用服務廠商、終端廠商、設備廠商及系統廠商必須與當地的運營商密切合作以確保產品的穩定性。

[軟體及韌體支援系統(Software and protocols)]
全球運營商對如何吸引用戶上網的服務應用已遠比採用哪種技術的考量選擇要來的重要，目前市場可看到多款的”managed device platform” (MDP), 如Apple, Microsoft, Google, Nokia, Sony, Facebook and RIM等公司，透過全球用戶的參與設計及交流，產出相當多意想不到的新遊戲及應用。為了讓這些用戶能夠便利的參與及上網，這些MDP公司將需要更多的上網裝置及更高的傳輸速度來增加User experience. 而4G技術將帶動更便利的用戶上網習慣。
美國、歐洲及亞洲的運營商對Femtocell及Home Node的裝置都抱以高度的關注，認為Femtocell及Home Node在LTE及WiMAX佈建初期是關鍵技術，透過與WiFi等系統的互補服務，帶動對行動寬頻的需求。目前的3G，WiMAX Forum及LTE release 8都對Femtocell及Home Node技術進行標準制定。另外由於先天的OFDMA系統穿透性不佳的原因，未來室內覆蓋及盲點的解決方案也將透過Femtocell及Home Node裝置來提升覆蓋率。

IV. 結語
WiMAX技術是跨3G以及4G的無線寬頻技術。根據WiMAX Forum Asia Congress的發表內容，了解2015年之前，WiMAX 16e最主要的競爭技術將是其他IMT-2000 (3G)標準，尤其是TD-SCDMA、WCDMA/HSPA及CDMA EVDO Rev.B，面對LTE的威脅預計將會5~7年後才會產生。未來WiMAX 16e契機可將重心放在全球各主要新興國家及地區，WiMAX有機會來填補既有語音的缺口，嘗試用Flat rate及IP提供行動通訊及寬頻之新應用服務，尋找特定市場之族群新興應用服務，以創造及鞏固客戶忠誠度。
因此，以此觀微知著論台灣通訊產業發展的未來趨勢，為了要能夠在4G產業價值鏈中發揮重要的影響力及早掌握相關的技術，台灣應著重在下述的三大方向發展佈局: (1) 參與國際4G策略聯盟並專注發展MIMO-OFDMA領域技術的突破，創造優於HSPA+之系統，;(2)發展創新的行動寬頻終端應用服務; (3) 加速推廣4G系統，突破技術及佈建挑戰; 上述重點目標將是造就台灣在未來4G無線寬頻競爭市場上爭強顯勝的關鍵，當此產業轉型的重要時刻，如何整合並提供行動寬頻應用服務，全方位的解決方案，更將成為台灣寬頻產業獨占全球市場的一大優勢。