行動通訊如何克服數据需求的大幅度成長

智慧型手機與平版的普及化使得行動通訊的數據需求量大幅增加，根據過去數年的觀察，行動通訊的數據量約以每年70%的速度增加中。行動通訊的數據快速增加又以影音服務為甚，超過了60%的數据比例。最近由韓國的經驗發現4G LTE 的使用者其行動通訊數據量增加率又比3G用戶高，換言之，當行動通訊網路頻寬愈充足，用戶使用行動數据愈高。簡單說，當高速公路不會塞車時大家出去旅遊的意願就會提高。

因此，如果行動通訊持續成長，預測十年後行動通訊數據量會比現在增加至少一千倍。

最近很熱門的5G其挑戰的目標就是希望在2020年前行動通訊數據容量至少增加一千倍，行動通訊數据傳輸速率(peak data rate)至少10Gbps，而用戶個人體驗速率可以有100Mbps以上。  

乍看之下，這個目標非常具有挑戰性。而一般認為這個目標可以達成的可行性主要是基於 頻譜使用活化的提昇丶新頻譜的尋找丶新技術開發等三個努力。例如目前4G網路的頻譜使用效率約為4b/s/Hz，透過巨量天線(massive mimo)丶高密度small cell 丶多層網路等新技術發展約可提昇網路容量達四十倍之多(聽得懂的請舉手)。在新頻譜的尋找方面除了5GHz以下的頻譜整理外(refarming)，配合small cell 開拓高頻段頻譜也是重點，例如60GHz頻段各國都已紛紛開放，其頻寬可以有8GHz之多。在頻譜使用活化部分，透過頻譜二次交易丶頻譜共享丶租用等放寬頻譜管制方式，一般預估其頻譜使用效率也可以因此增加數倍以上。簡單的說，未來行動通訊技術發展仍足以支撐使用者的需求，

你準備好了嗎

let's rock and roll.

什麼是關鍵智財權

在通訊領域中，我們非常注重所謂關鍵智財權，因為它是國家產業競爭力的重要指標之一。

關鍵智財權英文稱為 Essential IPR(intellectual property right), 或 Essential patent。

從英文可知 關鍵智財權係指我國公司丶研究單位或個人擁有之技術專利，而此專利在製造某一通訊產品時是很難廻避的，因此稱為關鍵。通常關鍵技術都是指其技術被通訊標準列入其標準中，這使得所有廠商因為製作商品(例如晶片設計) 都必須依照標準而無法廻避。例如之前曾說過OFDM曾經取得專利，故所有採用 OFDM作為調變技術之通訊系統都無法廻避此專利(不過此例中，該專利己過保護期)。因此所有國家在考量其國家產業利益情況下，在重要的通訊標準制定過程中都會積極參與。因為等標準中所有重要參數決定後就大勢底定了。例如國際通訊標準組織ITU在制定全球行動通訊標準時，如4G LTE，常會接受3GPP forum 的提䅁，因此雖然 3GPP不是官方標準組織，但各國仍積極參與。

所以千萬不要天真的以為世界通訊標準採用的技術一定是最優秀的技術。它其實是世界大國彼此合縱連衡下的妥協產物(說利益交換好像有點過份) ，因此標準參與可以說是政治和技術的結合。關鍵智財權可以偉大如OFDM技術，也可以是一個簡單的參數，例如pilot的擺放位置。只要是這個專利是大家很難廻避的就是。

同樣的，別人的關鍵專利就是我們的地雷，只要我們開發產品無法避免關鍵專利就只好乖乖的付出高額權利金。舉例來說，我國製造 WiFi 網卡世界第一，約佔世界產量的九成，然而產值卻只有4成多，換句話說，有一半的錢是被核心晶片廠商拿走了。因此，一家實力堅強的廠商必定希望能擁有許多的關鍵專利，並且非常了解競爭廠商的專利布局。透過專利廻避或是專利使用權互相授權來降低或免除權力金之支出。

那麼如何了解關鍵專利呢？除了用功搜尋主要國家的專利資料庫外，歐洲ETSI標準組織也有一個關鍵智財權資料庫，它接受大家的自由申報(不過ETSI並不保証此資料庫之100%準確性)。

大家可能不知道，自3G開始，日本丶韓國丶大陸透過日本的ARlB標準組織己有一個JKC定期協力推動通訊標準的會議。如果以ETSI資料庫為準，則 日本丶韓國丶大陸在4GLTE的關鍵智財權已達41%。這實在是值得我們深深警㑥的。

那麼各位也許也會好奇我國在 4GLTE的關鍵智財權有多少呢？我不敢說。

臺灣的無線數位電視是單頻網

無線數位電視目前尚無世界統一的標準，例如美國丶日本丶歐洲丶大陸都採用不同的無線數位電視標準，彼此之間是不相容的。

我國無線數位電視採用和歐洲相同的標準，稱為 DVB-T (digital video broadcasting - terrestrial)。 DVB-T 所採用的傳輸技術就是我們之前介紹的正交分頻多工(OFDM)技術。

由於無線傳輸環境中，電視台發射電波的天線和家中電視的接收天線之間是無線的，因此 電視台天線的發射電波會經過空氣中許多不同的路徑進入家中電視機上的天線，例如鄰近大樓的牆面反射波丶直射波等，此稱為多路徑傳輸。

OFDM 傳輸技術有一個很重要的技術優點，就是可以處理多路徑傳輸。只要多路徑傳輸的不同路徑時間差是在 OFDM設計的範圍內(一般是設計為符元時間的四分之一，或更短)，則信號不會有任何干擾。

所謂單頻網(SFN, single frequency network) 即是利用此原理。只要電視台所有發射電視信號的天線能夠同步送出信號，此時所有天線都可以使用相同的發射頻率，而不會有同頻干擾。這是因為電視機所收到的來自不同發射天線的信號可以被看成是多路徑傳輸。

單頻網技術只有採用 OFDM技術才能作得到。採用其他傳輸技術，例如美國採用ATSC ，就必須採用複頻網來避免同頻干擾。所謂複頻網就是相鄰的發射天線必須要使用不同的發射頻率才行。

單頻網技術理論上是有一些好處，例如在收視不良區可以很容易架設改善站來改善收視而不需額外的頻率指配；電視台也可以利用頻率和電視台識別標誌作結合(類似ICRT喜歡用FM100來強調其頻率是在100MHz)。

為什麼叫最後一哩

在電信網路中，我們常會將家戶端的電話線一直到電信機房這一段戶外電纜稱為最後一哩(last mile)。
（在此，電信機房正確說法是終端機房，英文稱為end office, 意指網路的最末端機房）

電信終端機房到家戶端的電纜較正式的名稱是用戶廻路，英文稱為 subscriber line 或 subscriber loop。

為什麼我們會稱用戶廻路為最後一哩，其主要原因是因為此段網路非常龐大，需要花費許多時間和人力才能建設完成。例如當初電信網路要從類比轉變成數位化時，其主龫網路丶各級交換機的數位化工程相對於用戶廻路數位化工程更為容易完成，而用戶廻路數位化則花費所有國家最多的時間，也是最後完成的一哩路。目前寬頻網路是每一個國家競爭力的一環，因此網路光纖化也是現在每一個國家努力的目標。而最後一哩的光纖化也是最困難的挑戰。

因此最後一哩代表著最重要丶最關鍵丶最困難的涵義。也因此，也有人反過來把它稱為第一哩（the first mile)。

TDD 與 FDD 通訊系統

在行動通訊系統中有分為 TDD(Time Division Duplex, 分時雙工) 和 FDD (Frequency Division Duplex， 分頻雙工) 兩種不同的傳輸方式。

在行動通訊系統中，從基地臺傳送信號到手機稱為下行傳輸(也可以說是手機接收基地臺送來的信號)，反之，從手機傳送信號到基地臺稱為上行。上行和下行如果採用不同的頻帶(frequency band)來傳送信號，則上行和下行彼此有專屬的傳輸通道，彼此就不會互相干擾，此時手機可以同時傳送和接收信號，這樣的傳輸方式我們稱為全雙工。也就是FDD的基本原理。

另一種TDD傳輸方式則是上行和下行同時使用同一個頻帶，此時為了避免上行和下行信號相互衝突，就會規定同一時間手機只能送信號或收信號。換言之，同一通道某一個時間當作上行接著下一個時間變為下行；如此，上行丶下行丶上行丶下行丶...一直重複。因為它的傳輸方式和打乒乓球很像(把基地臺和手機想像成那兩支球拍)，所以又被稱為 ping-pong method。此種傳輸方式有時又被稱為半雙工。

目前國內所俗稱的4G行動通訊系統指的就是採用3GPP LTE(long term evolution) 技術，這理3GPP 是一個非官方標準組織， 3GPP LTE技術依據其技術演進分為許多版本。其中 3GPP LTE 第十版(rel.10)技術也已被國際標準組織ITU採用為國際標準。 LTE 技術也同時支持 TDD和 FDD 兩種不同的傳輸方式，分別稱為TD-LTE 和FDD-LTE。 LTE 技術所採用的核心技術就是我們之前介紹過的OFDM技術。

FDD-LTE的優點是技術成熟，設備支持度高，且目前較多國家採用(這在出國旅遊需要漫遊時是需要考慮的)。不過 FDD-LTE的上行和下行頻寬在一開始就必須指定，目前大部分的國家都是指定上行和下行頻寬一樣，稱為對稱式傳輸。

相對的，TD-LTE在理論上具有較多優點，例如系統可以根據網路需求，機動的調整上行和下行傳輸時間，稱為非對稱傳輸。這在數據傳輸為重的今天有其優點，因為通常消費者下載的數據量會遠比上行多。

雖然我們之前有談過技術中立性，但是TD-LTE 和FDD-LTE若允許業者自由採用，則因其彼此之間需要适當間隔以避免互相干擾，這會使得頻率使用效率降低。因此各國政府在頻譜規劃時都會事先指定是TDD或FDD。這也使得 TD-LTE 和FDD-LTE 的技術競爭會愈來愈白熱化。

夫妻數

220 和284 是兩個很有趣的數字，數學家稱為友愛數。

220 的因數為 1，2，4，5，10，11，20，22，44，55，110
把這些因數加起來是284;

284的因數為 1，2，4，71，142
把這些因數加起來是220;

正好印証中國話的「我泥中有你，你泥中有我」，所以叫夫妻數較貼切。

至於太太是220還是284, 這我還得回去請示一下。

通訊的一個悲劇: 看FM之父的死

Edwin Howard Armstrong 被稱為調頻廣播(FM Radio， frequency modulation radio)之父。

確實的調頻技術之原理由誰提出己不可考，但是完整的調頻廣播電路系統是由 Edwin Armstrong 提出的。其中最有名的當屬再生電路( regenerative circuit) 和超外差接收機 ( Superheterodyne receiver )，現今的通訊原理教科書仍列為必教的教材。他在帝國大廈的調頻廣播展示震驚世界，据說連水倒入杯中的聲音彷如現場。

然而他是和大企業對抗的悲劇英雄。當時的調幅廣播(AM, amplitude modulation) 大企業RCA 並未購買他的專利，並且影響當時的 FCC 將調頻廣播頻率定為88-108MHz (此頻段一直延用至今，成為世界共同標準) 以迥避專利。此後一連串的專利訴訟使得 Edwin Armstrong 破產，最終選擇跳窗自殺 (英文 walked through the window 讀來倍覺心酸)。

Edwin Armstrong 是通訊界的名人，他的詳細生平可以在WiKi 查到。他是一個自認為實務派工程師，相信事實甚於數學，其名言如下:
I could never accept findings based almost exclusively on mathematics. It ain't ignorance that causes all the trouble in this world. It's the things people know that ain't so.

很遺憾的， Edwin Armstrong 之死不是通訊界第一個悲劇，也不是最後一個。
 
( 註: Edwin Armstrong 和 John Renshaw Carson 的論戰容後另提)