時間回到2G（第二代行動通訊技術）手機風光上市的那一天。GSM、CDMA等技術將2G行動通訊推向頂峰，儘管2G通訊手機上市初期使用普及率並不高，但當時市場上對於3G通訊技術的研究卻已經熱烈展開。而相同的情況今日正在你我身邊重複上演。雖然目前3G系統的使用率、普及率都還不高，且要讓消費者完全接納3G通訊技術，並讓3G系統完全融入生活當中可能尚需好幾年的光景才能實現，但業者對於4G，也就是第四代行動通訊技術的研發，卻夜以繼日馬不停蹄地進行。

目前3G在發展上所面臨的問題與瓶頸，的確有催促相關廠商加速4G發展速度的效果。甚至市場上有許多聲音建議通訊技術跨越3G，直接進入4G世代。不管這些雜音與建議將如何影響4G的發展，然而3G通訊的商用程度不如預期是個不爭的事實。也因此，消費者有必要了解3G發展上所面臨的挑戰，並進一步探究4G通訊技術發展的主要概念、關鍵技術，以及4G是否能夠改善3G所面臨的種種問題。

從3G到4G

4G的提出本來應該是針對3G系統在使用中無法克服的困難，現在3G的商業用途還沒有全面展開，4G就被炒得沸沸揚揚的事實說明了一個問題，那就是人們從一開始就對3G不那麼滿意。1997年國際電信聯盟（International Telecommunication Union；ITU）將3G無線標準命名為IMT-2000（International Mobile Telecommunication for the 21st Century），原本是希望可以提供一個全球統一的高速資料傳輸標準。然而由於主要通訊技術供應廠商以商業競爭利益考量為前提，使得原本欲以IMT2000一統全球3G標準的情況，經過各家系統提案、整合，最後出現五組無線介面標準草案，最後並演變成為以WCDMA、CDMA2000與TD-SCDMA等不同標準並存於3G通訊市場的局面。

不同的標準，首先產生的當然就是漫遊的問題。此外，這些3G標準的實際傳輸速率最高僅達384Kbps，與IMT2000所要求3G傳輸速率在慢速移動和靜止狀態下須達每秒2M以上有段不小的差距。此外，包括手機使用的問題（如3G不同的通話方式）、與原有網路的相容問題等，諸多問題都造成消費者對於3G通訊的接受度低，並期待在後3G時代（Beyond 3G；B3G）能有新的通訊技術取代3G，或者至少能解決以上這些應用問題。

因此，4G的發展便被消費者寄予厚望。然而4G是什麼呢？嚴格來說4G尚未有明確的定義，但可確定的是，4G必須能夠解決目前3G系統的不足。所謂4G無線通訊系統是以2010年為實現目標，並分別達成下列三項重點：

從傳輸速率端來看，對於移動速度較慢的使用者，4G無線通訊系統必須在廣闊的區域內提供至少100Mbps的服務。對於移動速度較快的使用者，如高速鐵路等，4G系統必須提供至少20Mbps的服務。比起3G系統的停止狀態下2Mbps的傳輸速率，4G系統將有50倍的效能提升。

從網路Access Architecture端來看，4G系統將是整合車用行動通訊系統（Cellular Mobile Network）、無線區域網路（WLAN）、個人區域網路（WPAN）和無線隨意網路（Ad Hoc Network）的異質性網路。

從網路Core Architecture端來說，4G系統將以IP（Internet Protocol）封包服務（Packet Services）為主。不同於過去2G的電路交換系統（Circuit-Switched System）、以及3G以混合電路交換系統和封包交換系統（Packet-Switched System）並存的情況，4G無線通訊系統將純粹以封包交換為主。

4G的發展

目前全球發展4G技術的腳步尚處於初期階段，原因在於4G應用的基本需求、核心技術都還處於萌芽階段。但較為明確的一點是，4G行動通訊導入商業用途的時間點將在2010年之後，這也將符合行動通訊技術每10年更新一代的發展特性。回頭觀察3G通訊技術的研究，開始於90年代初期，當時歐洲的GSM、日本的PDC和美國的D-AMPS等技術已成熟，並開始導入市場。隨後全球通訊相關研發人員於90年代初期開始將目光投向全球統一的FPLMTS研究計畫，並經過近10年的努力，造就了3G通訊系統的IMT-2000（International Mobile Telecommunications-2000）標準。

而正如同2G系統與3G系統之間按部就班的發展，與緩慢的過度關係一樣，4G系統也不可能在一夜之間就完全取代3G系統，更不可能跨越3G而直接投入4G的研發。制訂一套全球統一的4G標準就需耗費5～7年的時間，而現有的2G系統在未來的數年內將無法滿足消費者日漸增加的通訊需求。因此未來幾年，現有的2G系統將緩慢過度到3G系統，而3G系統也無法立即被4G取代。

然而，儘管4G系統的實用化將在2010年之後，目前全球關於4G技術的發展與研究工作都如火如荼進行中。事實上，行動通訊技術的競爭已經演變成為核心技術以及智慧產權的爭霸，若無法在新一代行動通訊技術的研發初期就參與競爭行列，未來也無法在激烈的市場競爭中取得關鍵技術的主導地位、獲得核心技術智慧財產權，並積極地獲取商業利益。也因此，全球相關國家與廠商均不遺餘力，全力投入4G技術與系統的開發與研究。

4G面臨之挑戰

將4G系統導入實際應用的過程中，將遇到技術與市場等不同方面的挑戰。主要原因在於4G系統所運用的各種核心技術尚未完備，這些技術的成熟將需要一段漫長的時間。以核心網路的移動IP技術為例，對於4G系統來說，移動IP技術缺乏即時位置管理和快速無縫切換機制的支援。另外移動IP環境下的QoS所使用的綜合業務、資源預約協議（IntSev/RSVP）技術和區別型業務技術也是有待解決的重要問題之一。而且這些技術在行動式IP平台上並不是最好的選擇。

4G系統所標稱的最大傳輸速率，在實際應用中是否能真正達到該數值尚難評估。

儘管4G系統的傳輸速率比起3G系統肯定會有大幅度的提升，其理論值最高可達100Mbps，但真正傳輸速率則將受到不同手機設備與系統影響。??

此外，在商業市場所將面臨的問題也是一大挑戰。專家預言，約莫十年光景，2G系統的多媒體服務將出現嶄新的發展，而3G網路也將大抵覆蓋全球地表，估計全球將至少有超過三成的人口使用3G通訊系統，因此整體消費市場將以消化並吸收3G通訊技術為主，儘管透過4G技術改善3G缺點的相關工程也將同時進行，但要完全過度到4G系統尚需時間的洗禮。此外，誰能擔保更新一代的5G甚至6G系統不會程咬金半途殺出呢？

因此，暫且不提4G通訊目前可見的優勢，僅僅預想著將4G投入實際商業應用，必須對現有的行動通訊基礎設施進行更新，不但將花費大筆資金整建並教育消費者，也將減緩4G正式實用化的速度。

《圖一　PicoChip積極發展新一代無線寬頻通訊晶片，WiMAX技術也是其中重要一環。》

4G特色

儘管如此，4G技術的發展仍然勢在必行。若從3G系統來看4G的發展，則大致可整理出4G通訊技術將具備如下的優勢：

更高傳輸速率

由於發展4G通訊技術的的主要目的就是提高手機或其他行動裝置以無線方式相互連結的通訊速率，因此4G系統的特徵當然必須強調其高速無線通訊速率。目前4G系統的速度也普遍預估可以在高速移動中達到10M～20Mbps，慢速移動或靜止時最高可以達到100Mbps。

更寬的頻譜

為了讓4G通訊系統達到100Mbps的傳送速率，目前3G通訊系統的基礎設施必須大幅更動，以提供比3G通訊更大的頻寬。未來4G系統的每個通道頻譜都將達到100MHz，相當於目前WCDMA的20倍。

更具彈性的通訊方式

語音資料的傳輸將只是4G通訊的功能之一而已，因此不能單純將4G歸類為通訊用手機，基本上其外觀與應用都將有驚人的突破，例如眼鏡、手錶等都有可能成為4G終端產品。

更具智慧

4G通訊系統將具備更高智慧性能，不僅終端設備的設計與操作介面將更具智慧，且使用者也可以透過4G系統實現許多不同的功能，例如將個人通訊、資訊系統、廣播、娛樂等業務無縫連接為一個整體，滿足用戶的各種需求。

更高相容性

4G系統必須讓消費者在花費最少的情況下，從2G或3G系統過度到4G。因此，4G系統必須具備全球漫遊、開放性介面、與多種網路互聯、多樣化終端並能相容2G、3G等系統。

更高品質的多媒體呈現

4G通訊可提供包括視訊、語音與資料等高品質多媒體資料傳輸，透過寬頻通道傳送資料等行動多媒體通訊應用。

更便宜的通訊費用

4G系統在解決了與3G系統的相容性問題之後，可讓更多的3G使用者升級到4G系統，且4G系統具備更多先進的通訊技術，因此，4G通訊網路比起其他技術將更容易佈署。同時營運商也可將4G網路系統直接建構在3G設備上，並採取逐步導入的方法，以有效降低運營成本。

《圖二　三星推出具備WiMAX功能的手機，未來將是進軍4G的利器。》

4G核心技術

OFDM

3G系統主要是以CDMA為核心技術，而4G系統則以OFDM最受矚目，OFDM是一種無線環境下的高速傳輸技術。OFDM技術主要是將頻域內的通道分成許多正交子通道，在每個子通道上使用一個子載波進行調變，並且各子載波平行傳輸，如此一來，每個子通道間相對提高平坦度，並且在每個子通道上進行窄頻傳輸，訊號頻寬小於通道的相應頻寬，因此就可以消除訊號波形間的干擾。OFDM技術的最大優點是能對抗頻率選擇性衰退與窄頻干擾。在OFDM系統中各個子通道的載波相互正交，於是它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時又提高了頻譜利用率。

由於OFDM技術能夠克服DS_CDMA在支援高速資料傳輸時，符號間干擾增大的問題，並且具備頻譜效率高、硬體實施簡單等優點，因此OFDM被視為4G系統的核心技術。

軟體無線電技術

軟體無線電是將標準化、模組化的硬體功能單元透過通用的硬體平台，利用軟體載入方式以整合不同類型無線電通訊系統的開放式架構技術。透過下載不同的軟體程式，在硬體平台上可實現不同功能，並可在不同系統中利用單一終端裝置進行漫遊，因此是解決行動終端裝置在不同系統中運作的關鍵技術。

軟體無線電之設計是盡可能在靠近天線的地方使用寬頻A/D或D/A轉換器，並大量運用軟體來定義無線功能，各種功能和訊號處理都盡可能透過軟體運作，其軟體系統包括各類無線通訊規則與處理軟體、信號流變換軟體、調變解調變演算法軟體、通道糾錯編碼軟體與訊號源編碼軟體等。軟體無線電系統包括了數位訊號處理硬體（DSPH）、現場可程式閘陣列（FPGA）與數位訊號處理器（DSP）等。

智慧型天線（SA）

智慧天線原名自適應天線陣列（Adaptive Antenna Array；AAA），最初應用於雷達、聲納等軍事用途，主要用來完成空間濾波和定位。而在行動通訊領域，一般則稱之為智慧型天線。智慧型天線具有抑制訊號干擾、自動追蹤以及數位波束調節等智慧功能，因此將是未來4G行動通訊的關鍵技術。

智慧型天線的波束能抑制相互的干擾，增加特殊範圍內的訊號強度，既能改善訊號品質又能增加傳輸容量，其基本原理是在無線基地台使用天線陣列和無線訊號收發器進行射頻訊號的接收和發送，同時透過基頻的數位訊號處理器，對各個天線鏈路上接收到的訊號按進行演算合併，實現上行波束賦形。

全IP技術

IP網路主要並非用於行動通訊，而是作為整合用的網路，以支援有線與無線系統。它就像是具備移動管理功能的固定網路，其接入點可以是有線網路或無線網路。無線接入點可以是蜂巢式系統的基地台、WLAN或者Ad hoc移動網路等，並以特定閘道連結公用電話網路、2G系統及3G系統等。未來透過熱點（Hot Spots）的連接，4G系統將呈現WWAN、WLAN與WPAN等相互連結的狀況。

《圖三　ST在無線通訊技術的發展上也是不遺餘力，陸續推出多款無線通訊晶片。》

WiMAX進軍4G

目前浮上檯面的4G技術，除了前文所提及的幾項關鍵技術之外，另外熱門的4G技術尚包括有WiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access)。WiMAX是由Intel（英特爾）大力主導推廣的新一代遠距無線通訊技術，號稱第四代（4G）無線通訊，其前身就是Wi-Fi，主要應用在無線通訊傳輸，但Wi-Fi侷限在100公尺內無線上網，WiMAX則可達到50公里，傳輸速率初期可達1～2Mbps，相較於目前3G的384Kbps速度快上數十倍。

根據統計，WiMAX基地台與用戶端設備會在未來幾年以每年各約14％、25％的年複合成長率高速成長，並在2008年的起飛期達到66％的年成長率、2009年時，全球WiMAX產值也將達到26億美元規模。

一般認為，2008年將是WiMAX的起飛期，除了投入的電信營運商更多之外，屆時WiMAX接收器也有機會降到100美元以下、甚至50美元，而更帶動WiMAX取代ADSL以及撥接上網。台灣網通廠商過去在DSL占有全球超過90％以上的出貨量，當接收器價格大幅下降到可普及化的階段時，就是台灣網通設備廠在WiMAX領域大展前途的好時機。

美國行動通訊業者Sprint Nextel於2006年8月宣布於美國推動第四代（4G）寬頻行動網路計畫。而這項4G無線寬頻網路將採用IEEE802.16e-2005技術標準的行動WiMAX技術，並將與Intel、Motorola及三星電子合力推動。Sprint Nextel的宣布是繼宣布將3G網路從EV-DO升級為EV-DO Revision A後，另一項預計推動的計畫。

Sprint執行長Gary Forsee指出，4G網路並非要取代3G網路，而是協助公司開發新無線服務市場，同時展望未來隨身聽、錄影機、NB及低價PC將會內建可接取無線網路的功能，因此將可以協助消費者透過行動網路隨時隨地接取內容服務，而這樣的4G網路傳輸速度將比目前EV-DO網路快上四倍。

該項計畫，Sprint將於2007年及2008年分別投入10億及15～20億美元進行4G網路的建設，預定於2007年第四季進行測試，預期於2008年底將有1億個用戶。Sprint的4G行動網路所使用的頻段為2.5GHz，由於行動WiMAX傳輸範圍大，且使用的頻率更大，預期4G網路建設的成本將低於目前的行動通訊技術。而WiMAX晶片成本也僅為3G的十分之一，Gary Forsee認為此種成本效益將有利於在消費性電子產品內建WiMAX晶片。

另外，針對WiMAX晶片的研發，Sprint Nextel也將與Intel、Motorola及三星合作進行，此晶片將支援無線寬頻服務的運算、行動多媒體、互動與其他消費性電子設備。而Intel在該項計畫所扮演的角色是提供支援行動WiMAX的Centrino技術，以及新一代如NB及PC的運算設備，並藉重Intel的網路設備認證經驗及其行銷的能力，讓消費者接觸到廣大的行動WiMAX效能與服務。

Motorola則是目前CDMA及EV-DO主要的技術供應者，將與三星一起提供Sprint可支援CDMA/EV-DO網路技術與行動WiMAX的多模（multimode）行動設備，以及可支援行動WiMAX的消費性電子產品，另外由於三星於南韓等地有建設行動WiMAX的經驗，也將與Motorola共同提供Sprint建設行動WiMAX網路的基礎設備。

Sprint該項計畫將結合目前的3G網路與以行動WiMAX為基礎的4G網路，將透過3G網路提供語音服務，而4G則是提供高速數據傳輸，未來下載的傳輸速度可達2Mbps至4Mpbs。

對此合作，三星也很確定地表明，4G就是WiMAX。透過在美國紐約舉行的年度Mobile Summit高峰會上，三星展示多款最新無線技術，包括IEEE 802.16e行動WiMAX技術。美國三星通訊（Samsung Telecommunications America；STA）行動業務策劃師Philip Garrison便對外表示：「三星的目標非常明確，4G就是WiMAX。」行動WiMAX承載著三星的未來，而三星也將透過一系列無線技術或產品來提供行動性和聯通性，包括EVDO Rev A、HSDPA和HSUPA、MobileTV、衛星廣播和雙模Wi-Fi/蜂巢式手機等。而預期2007年MediaFLO技術將會大幅成長。

三星所開發的無線技術如GSM/GPRS/EDGE和3G IMT2000 CDMA等，為該公司對2007年市場的預測多添了幾分可信度。另外，2006年8月6日三星和Sprint-Nextel簽約，將向其提供行動WiMAX所需設備，這也正是三星計劃2007年年底在美國上市的設備，此舉充分反映出三星在行動WiMAX領域的決心。而Intel和Motorola也都是上述合約的協力廠商。

行動WiMAX的優勢包括了上市時程短、傳輸量大、延遲短、並以多媒體為中心，每個用戶的寬頻容量可以達到2Mbps，車載移動性能可達75mph，而且有WiMAX論壇全球的380家成員公司的強力支援。對廠商來說，WiMAX的優勢則在於取消了用戶基本設備補貼，降低了營運成本和每megabit的成本，並提高了頻譜和行動性的可靠度。

《圖四　想像中的4G終端究竟會是什麼模樣，也許很快就會有了答案。》

結語

4G通訊除了更先進的通訊傳輸品質之外，可預見的4G終端裝置也將與現有通訊終端產品有所區隔，因此不少終端設備製造商已經開始把眼光放到未來4G通訊終端產品的生產上。4G通訊的優勢，在於通訊品質與資料傳輸速率的大幅提升。且由於更先進的技術而降低投資成本，因此預計未來的4G通訊費用將比目前低。

目前無線通訊晶片業者紛紛將研發目標對準4G技術，並表示4G產品最快在2012年就可問世。在美國聖地牙哥所舉行的MTT無線通訊大會上，Freescale網路暨運算系統事業群策略行銷總監Fawzi Behmann在演說中表示，目前各種無線通訊技術如WiMax、3G、MIMO等，未來都將相互整合並提供使用者無縫的無線網路環境（Seamless Networking），這便是下一代4G無線通訊技術的藍圖。

而各無線通訊晶片廠商包括Freescale與Intel等，正積極開發出整合所有無線通訊技術的晶片，預估2012年4G產品就可正式問世，到2014年時4G市場便可成形。Behmann描述4G在於提供無縫、傳輸速率從100Mbps至1Gbps不等、以IP為基礎的高速無線通訊環境，使用者可在這樣的網路裡進行資料、影像與語音等三合一（Triple Play）傳輸應用，且4G幾乎能滿足所有用戶對於無線服務的要求。

消費者對於網路通訊的應用需求已由簡單的上網和VoIP等，演變成以無線覆蓋、漫遊、高資料傳輸率等多業務應用方向。而4G之所以姍姍來遲的原因，在於4G亟待克服的門檻：例如頻寬是否足夠？無縫網路連接環境也將提高基地台架設成本；此外，高頻寬、高傳輸速率的無線通訊，也代表行動裝置需要更強大持久的供電能力等。

因此即使無線通訊晶片廠商已經開始積極研發4G技術，但4G產品的商品化還得等到2014年，原因就在不同無線通訊技術的標準尚待整合，如果各廠商都推出自有的技術，最後4G也可能演變成現在的3G一樣，多種標準同時在市場上競爭。

4G通訊時代，儘管尚需要一段時間的醞釀，才有辦法完美呈現在消費者眼前，然而隨著新技術和新需求的不斷出現，終有一天4G將會取代3G，成為行動通訊的主流技術，期待那一天的來臨，將改變現有的通訊傳輸，並帶給所有消費者嶄新的溝通方式與生活。