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第一章 Magic──手機裡的精靈
十年前，你是否想像過餐廳裡、公車上的人們都成了「低頭族」？
十年前，你是否料想到一根手指可以搞定你的社交、娛樂？
「通信」本來只是一項便利聯繫的生活科技，
現在，它正在展演迷人的魔法，緊緊抓住大眾的目光。
十年後，誰知道行動通信會如何塑造未來人類的生活面貌，又將帶來什麼樣的「magic」呢……
清晨。
手機在設定的時間播放出昨晚選取的音樂，音符透過喇叭輕輕流洩，喚醒睡夢中的你。
起床後，一邊盥洗，一邊將手機切換到新聞頻道的報導。
站在衣櫥前，螢幕顯示出現在的氣溫以及配合你的行事曆行程建議的衣著。
突然，螢幕跳出重要訊息通知，因為預設的股票停利點已達到，點擊一下螢幕，送出交易申請，五分鐘後順利賣出。
早餐後，手機傳來訊息，提醒今天父親要回診領取高血壓藥物；點擊一下螢幕，從雲端調出這個月父親每日的血壓脈搏記錄，傳送到診所，完成線上掛號，經過認證程序，也一併在線上付了診療費，待醫師線上診療後，藥物即可寄出。
出門前，在國外出差的妻子來電，兩人透過視訊互道早安；想起妻子晚上就要回來，趕緊將妻子喜好的關鍵字鍵入手機，在龐大的雲端資料庫中，馬上搜尋列出幾筆精準的餐廳需求，還有加註過去曾留下的用餐經驗與評價，挑了一家不曾去過的，點擊一下螢幕，餐廳現場攝影機即時帶出環場畫面，馬上預訂了窗邊的雙人座位，並一起訂了餐廳附加的訂花服務，今天晚上要給妻子一個驚喜。
推開門，美好的一天就此展開！
在一支不過手掌大的手機裡，一切安排妥當。
沒錯，你我正處於「手機世代」。以上的手機世代生活畫面，絕非幻想。世界在「通信科技」的軸線上產生一種驚人的翻轉，猶如魔術師從帽子裡拎出一隻兔子，在一支小小的手機裡，全世界都彷彿找到一個「魔幻出口」，熱切地將一切可能與不可能都送到你眼前。
因此，很少人能抗拒「低頭」的誘惑。
手機的古老前身可推到距今（2013）一百五十幾年前誕生的「電話」，但現在，手機不只是電話，也不單純使用於兩個人之間的通話。
「手機是一切！」可能快要成為不算誇張的形容。也難怪年輕人開始出現離不開手機的「無手機恐懼症」，「低頭族」成為不分男女老幼的共同識別標識。這一切驚人且快速的變化，與網路的普及化和通信科技的發展有極密切的關連。但是你對通訊的發展有多少瞭解？對它的未來又掌握到什麼程度？就讓我們從頭來看看。
Are you ready?
1-2 你4G了嗎？
G是重量單位公克（gram）的簡稱，也是物理上代表「重力加速度」（Acceleration of gravity）的符號。在電腦產業，G也是硬碟、隨身碟、記憶卡的資料儲存容量Giga的簡寫。
在行動通信技術的發展上，G只是用來指一個技術世代（Generation）的開始。換言之，第一代的行動通信技術就叫1G，等到相關技術或概念有了某種大程度的演變或加強之後，在這個技術領域的專家們就開始以2G、3G到4G的名稱來指稱及辨識該階段通信技術發展的概況。
在正式介紹行動通信技術的概念前，我們可以先由圖1-1來概略掌握1G到4G及其後的發展應用方向與差異。
從上圖可以很容易看出來，每一代的發展大約都朝著通信速度加快、資訊傳輸量加大與蜂巢細胞（cell，後述）縮小且數量增加等三種大方向演進。另一方面，資訊傳輸的穩定度、安全性及傳輸效能也是新世代通信技術共同追求的方向。
從應用面來看，2000年以前早期的1G與2G系統都還只能應用在語音（voice）服務，也就是只能通話。3G以後的技術將傳輸速度與資訊傳輸量提高到一個符合實際應用需求的標準，於是傳輸內容加了「料」，除了語音也增加了「資料」（data），如文字與符號。接下來的發展都在這個基本方向上去擴充「傳輸資料」的內涵，因為當速度與傳輸量不斷超越前一代的瓶頸，人們會渴望將任何有用的生活與工作資料都帶到自己身邊，隨時隨地取用。
這個發展方向其實與電腦極為類似，追求的也是CPU處理速度的提高、硬碟與記憶體容量的擴大、網際網路傳輸速度與傳輸量的放大、系統的穩定與安全性。
也難怪這兩大科技的應用層面愈來愈糾纏在一起，因為人類文明追求的目標看起來複雜，其實也很簡單只有兩點：再快一點、再多一點。
技術的極限到那裡，人們的需求就往那裡放大。現在的電腦或手機開機只需幾十秒鐘也會被嫌慢，看線上影片或玩遊戲不能有半點lag（延滯），硬碟容量大到用不完。然而，不過在十幾二十年前，等待開機數分鐘與整理硬碟數百MB有限空間都還是可以訓練耐性的美德呢。
無線電的接力賽
電話可以將聲音從甲地傳送到乙地，靠的是甲乙兩地之間的一條電話線。若不想靠四處鋪設電話線這麼麻煩的方式來傳遞聲音，就要改用無線電來操作，看起來雖然較方便，但實際上無線電有傳輸距離的限制，雖然不用鋪線，但只能在有限的範圍內可以接收到足夠清晰的訊號。現在警察或計程車仍可在一個範圍內用無線電設備來達到通話或叫車的目的。要擴大傳送的範圍，只能以擴大的發送功率來達成。
當甲地到乙地的距離拉遠數倍，超過無線電可清晰發送與接收的範圍，有什麼方式可以將甲地的聲音清晰地傳送到乙地？
貝爾實驗室想到一個像「接力賽跑」的方式，這就是行動電話最基礎的原理：「蜂巢式行動電話系統」（cellular mobile telephone system）。
工程師的原始概念是，倘若我們在甲地與乙地之間建置幾個「中繼站」叫BS1、BS2，每個中繼站都具有發送與接收訊號的功能，因此當訊號從甲地傳送到乙地，甲地發出的訊號只需用較小的功率發射到BS1，接下來BS1再將訊號「接送」到BS2，BS2再將訊號送達乙地。接下來，當甲乙不是固定位置的概念，而是某甲與某乙兩人，當甲要撥電話給乙時，且雙方都在「移動中」，不在固定的位置，這時候的中繼站不但得有「中繼」功能，還要有「接力」的作用。
行動電話用戶可以在移動中與他人相互的進行通話服務，主要是運用肉眼所看不見的電磁波作為通信的傳遞媒介。當用戶撥打行動電話時，手機訊號會傳送到最近的基地臺，行動網路會隨著用戶的位置把信號交遞給下一個最近的基地臺，一個個基地臺接續交遞信號，所以即使通話雙方在移動中，通信也不會中斷，如圖1-2；圖1-3則說明了「蜂巢式行動電話系統」的運作概念。
公眾陸地行動網路（Public Land Mobile Network, PLMN），或簡稱行動電話系統，主要是由行動終端（手機）（Mobile Station, MS）、基地臺（Base Station, BS）、基地臺控制器（Base Station Controller, BSC）和行動電話交換中心（Mobile Switching Center, MSC），還有用來記錄管理本網之用戶資訊與位置資訊的HLR（Home Location Register）和管理訪客相關資訊的VLR（Visitor Location Register）等基本元件所組成。行動終端與基地臺之間透過無線電波傳輸；基地臺與基地臺控制器/行動電話交換中心，則是以有線方式傳輸；其中，基地臺控制器負責無線通道及頻率的分配與交遞的決定，行動電話交換中心是負責行動終端之通話路由的接續、交換以及手機漫遊（roaming）的管理。如表1-2。
每個基地臺電波的涵蓋範圍，簡稱為一個細胞（cell）。每個細胞區域依地理環境與通訊量之不同，被劃分為若干半徑為2～20公里的小區域，每個小區域中都有一個低功率的基地臺負責收發訊號，由於網路整體結構看起來就像蜂巢般緊密地串聯，故稱為「蜂巢式行動電話系統」。
在這個行動電話的天空下，電信公司主要扮演的角色就是架設基地臺、機房、管理用戶資料、提供通信服務、技術維修、電信科技研究等。為維持電信秩序，各國都設有相關主管機關負責管理電信業務，國際間則有標準化組織制訂相同體系結構和統一的介面標準。
採取蜂巢式細胞架構來建設行動通信網路有以下幾個好處：
一、將一個通話區域分成若干小細胞，基地臺就不需要發射大功率的信號去擴大涵蓋範圍，手機回傳到基地臺的發射功率相對變小。如此一來，不僅降低了電磁波危害的疑慮，手機也因耗電量小體積也可製造得更為輕巧，便於攜帶。
二、再者，運用頻率重複使用（frequency reuse）的概念，可使基地臺相鄰的細胞分配到不同的頻率，以避免干擾的發生，而相同的頻率又可在離基地臺較遠的地方重複使用，進而提高系統容量，讓行動電信業者可充分有效利用稀有的頻率資源服務更多的用戶。
舉例來說，當行動電話用戶在A細胞區內撥打電話，行動終端會使用該區可用的頻率，並將無線電波傳給細胞內的基地臺，若該用戶移動到另一個新的B細胞時，B細胞會重新配置另一個新的頻率給行動終端使用。用戶由A細胞移動到B細胞的系統切換過程稱為「細胞交遞（Handover）」。
由於頻率有限，即便透過蜂巢式設計能提高重複使用率，但當某地方聚集大量人潮且短時間內同時進行通話時（如跨年活動），車用型的「行動基地臺」就會出現，目的就是讓短時間內大量湧現的通訊需求可以更快速地向外擴散、傳遞到其他基地臺去。
2-1 系統架構改造
行動通信應用視野自2005年演進到第四代之後變得極為寬廣。從1897年馬可尼發出人類史上第一則無線長距離訊息後，其實也已匆匆過了一個世紀，但一個加速成熟的電信生態系統，讓人們日益瞭解到行動魔法幾乎快要無所不能。
簡稱為4G行動通信系統的IMT-Advanced不僅能提供更廣泛的行動電信服務，以及固定網路（Fixed Network）和行動網路（Mobile Network）的接取，也可支援各樣的行動應用，並根據用戶的服務需求與環境，提供不同的傳輸速率。在眾多的應用服務與平臺，具有高品質多媒體應用的能力，提升網路性能和服務質量的顯著改善。
4G行動通信的特點，包括：
‧具有全球高度共通的功能性，及提供低廉與多樣化應用服務的彈性。
‧具備與國際行動通信網路及固網相容的通信服務。
‧具備與其他無線接取系統互連通信的能力。
‧提供高品質的行動通信服務。
‧具有可全球通用的用戶終端設備。
‧提供用戶使用方便的應用服務及終端設備。
‧提供全球漫遊服務能力。
‧提升最大傳輸速率以支援新式的服務和應用，在高速移動時可提供100Mbps的下載速率，靜止或低速移動時可提供1Gbps的下載速率。
通信科技及應用從1G到4G不過發展約三十年，人們已經瞭解及發現通信服務可以如此多樣化及具備許多未開發的可能性。同時，隨著無線電技術的演進，行動通信系統對高頻寬、大容量及低延遲的要求日益增加，如表2-1所示。
隨著LTE無線通信系統的無線網路接取技術演進，3GPP提出許多新的解決方案，包括「正交分頻多工接取技術」（OFDMA）和MIMO等技術的運用，大幅的提升了無線網路的資料傳輸速率與頻譜的使用效能。
對照2G/3G/4G的技術比較，可以發現未來的無線通信技術發展趨勢具有三個特性：工作頻段更高、單一頻道使用頻寬更寬、信號樣式更多樣。
工作頻段更高
傳統的無線通信系統多使用3GHz以下之頻段，由於3GHz以下之頻段使用已相當擁擠，為能使用更大的頻寬，無線通信系統使用3GHz以上之頻段已是不可避免的發展趨勢，例如國際電信聯盟已將3.4～3.6GHz分配供IMT-advanced技術使用。
單一頻道使用頻寬更寬
過去的調幅（Amplitude Modulation, AM）和調頻（Frequency Modulation, FM）一直是類比無線通信系統中最普遍使用的調變方式，這些系統的數據傳輸速率較低，需要的頻寬也有限。理論上，無線通道的頻寬愈大，傳輸容量也跟著變大。以行動通信系統為例，1G類比式行動通信系統AMPS頻寬為30kHz、2G數位式行動通信系統GSM頻寬為200kHz、3G行動通信UMTS頻寬為5MHz，4G行動通信LTEAdvanced的頻寬甚至可達100MHz，可看出未來頻寬的使用將朝向寬頻化的發展趨勢。由於頻寬的增加也使資料的傳輸速率大幅提升，4G行動通信產業也因寬頻速度的提升而能衍生許多各種新興的商業模式，並讓用戶得以享受高效能需求的應用服務，例如高解析節目、互動電視、次世代遊戲及其他專業服務，大幅提升了用戶行動寬頻體驗。
信號樣式更多樣
數位調變技術的發展使得信號調變類型越來越多，分頻多工接取（FDMA）、分時多工接取（TDMA）、分碼多工接取（CDMA）、正交分頻多工技術（OFDM）以及複合式的多工接取技術，使得終端設備的功能日益增強，但設計也日益愈趨複雜。
此外，因IMT的頻段分散於450MHz至3600MHz之間，使得4G行動終端的設計能容納多少頻段，並可確保訊號交遞（handover）與全球的漫遊（roaming）服務，又能維持終端設備的成本效應，也將是未來電信產業的一大挑戰。為符合未來多樣性的多媒體數據傳輸需求，3GPP在規劃設計下世代的演進技術時，決定將所有的服務以網際網路協定做為主要的傳輸協定，並決定在LTE系統的核心網路EPC（Evolved Packet Core，演進式數據封包核心網路）中不再使用電路交換（CS）方式，而全面以封包交換（PS）做為網路設計的方向，並且須支援GPRS/UMTS等既有之數據封包網路的演進與銜接。過去使用電路交換的語音和簡訊服務，也須使用IP為基礎的解決方案加以取代。
演進封包交換系統（EPS）
「演進封包交換系統」（Evolved Packet System,E P S ） ， 主要是由「系統架構演進」（S ystem Architecture Evolution, SAE）的核心網路和無線介面的「長期演進」（Long Term Evolution, LTE）的無線網路等二大部分所構成，如圖2-1所示。
3GPP於2008年12月Release 8的標準規範中，提出以IP為基礎的「系統架構演進」（SAE）架構，制定了下一代的核心網路，稱為「演進式數據封包核心網路」（EPC），同時也提出「長期演進」（LTE）計劃，精簡的設計出下一代的無線接取網路，稱為「演進無線接取網路」（Evolved Universal Terrestrial Radio AccessNetwork, E-UTRAN），使整體的4G行動通信網路具有高吞吐量（high throughput）及低封包延遲（low latency）的特性。
在核心網路方面，EPC提供連接外部網路的功能，而服務的部分則由IP多媒體子系統（IP M u l t i m e d i aSubsystem, IMS）作為控制服務運作的共用平臺。由於EPC網路是基於IP網路協定的多重存取核心網路，電信業者可以在單一共同的封包核心網路進行建置與運作各種不同的存取網路，如同屬3GPP系統的無線接取網路（4G、3G、2G）或非同屬3GPP系統的無線存取網路（WLAN、WiMAX）以及固定式接取網路（Ethernet、DSL、Cable、Fiber）等，不僅增加了系統相容性和涵蓋率，也降低了營運的成本。EPC也針對行動管理、規則管理以及安全三大功能進行相關的規範。
在無線接取網路方面，E-UTRAN主要是由用戶設備（UE）以及與「演進式基地臺」（eNodeB）所組成。eNodeB除了提供用戶設備的無線網路接取服務，並直接與EPC進行資料交換的任務，同時也負責無線訊號的控制與資料處理，包括：無線資源管理（Radio Resource Management）、允入控制（Admission Control）、排程（Scheduling）、服務品質、封包資料標頭壓縮、資料加解密、封包資料處理、ARQ/HARQ等功能。
◎以上內容擷取自《4G生活大未來》胡志男、周傳凱等編著／財團法人電信技術中心
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