37d7ae4b9d419cba2826299690abbbb6 近期各家電信營運商陸續取得 4G 頻譜並開台,目前看來由於使用人數少,速度皆有一定水準,但各家佈建的基地台數量還有待加強,甚至是台北市中心也不見得有訊號。在此我們從技術角度切入,看看 4G 改良了什麼東西,值不值得跳入當白老鼠。

4G 與 LTE 為何物?

一般在無線電話的分類上,有幾個重要的里程碑可供我們分類,第一代無線行動通訊的特徵就是將傳統有線電話更改為無線,此時採用類比技術進行傳輸。第二代則改為數位通訊技術,並且不僅擁有通話功能,之後更發展出簡訊或是傳輸資料封包的功能。第三代則是將數據服務的傳輸率進行提升,從 2G 的數十 Kbps 提升至上百,甚至是 Mbps 等級。而第四代無線行動通訊技術的標準,在國際電信聯盟的無線通訊部門(ITU-R、International Telecommunications Union-Radio communications sector)的定義中,定點或是慢速移動中須有 1Gbps 的下載速率,高速移動中則要有 100Mbps 的能力。

由此看來,其實目前台灣開台的業者都不達標(下載最大 100Mbps、上傳 30Mbps,中華電信的數據),跟 3G 的改良版技術 HSPA+ 下載最大 56Mbps 好不到哪裡去。這是因為先前 ITU-R 並未真正的完整確立「4G」這個名詞,應有哪些必要的條件,LTE 和 WiMAX 都曾是納入考量的技術之一。雖然不達標,但 ITU-R 依然讓 LTE 和 WiMAX 兩者以 4G 方式進行宣傳,於 2010 年 12 月 6 日 ITU-R 認為他們都是 IMT-Advanced 的先行前導技術,能夠以 4G 稱之。


▲目前開台的3家業者皆使用 4G 和自家的 LTE 服務一同宣傳。

4G 的條件

ITU-R 在 ITU-R M.2134 中列出幾個 IMT-Advanced(4G)無線介面的條件:

  1. 每個行動通信基地台(cell)的頻譜效率,於室內使用下行須達 3bit/s/Hz/cell、上行須達 2.25bit/s/Hz/cell;高度移動(120km/h~350km/h)時下行須達 1.1bit/s/Hz/cell,上行則為 0.7bit/s/Hz/cell。
  2. 峰值頻譜效率下行須 15bit/s/Hz、上行 6.75bit/s/Hz。
  3. 可選擇的頻帶寬度,可達 40MHz。
  4. 基地台邊緣的室內使用者,其頻譜效率下行須 0.1bit/s/Hz/cell、上行 0.07bit/s/Hz/cell;高速移動則為下行 0.04bit/s/Hz/cell、上行 0.015bit/s/Hz/cell。
  5. Control plane latency(使用設備的狀態轉換,如從idle狀態變為active)須在100ms以下。
  6. User plane lantency(1 個封包從手機的 IP 層出發,經過空中接取介面到達基地台的 IP 層,可以想像成資料經過空中時的延遲)須在 10ms 以下。
  7. 平滑的交遞(將手機管理權從目前基地台換到目標基地台),最麻煩的狀況不超過 60ms。
  8. VoIP 的最少使用者容量,室內需達 50Active users/sector/MHz、高速移動需達 30 Active users/sector/MHz。

未來真正可達成下載 1Gbps 的技術為 LTE-Advanced 和 802.16m(WirelessMAN-Advanced、WiMAX-Advanced,WiMAX 的增強版本),前者理論最高速度下載 1Gbps、上傳 500Mbps,後者最高下載 1Gbps、上傳 300Mbps。不過由於 Intel 淡出 WiMAX 的關係,未來世界各國將以 LTE-Advanced 為主力。


▲ITU用於4G規範的IMT-Advanced明確定義,低移動性時須有1Gbps的傳輸率,高速則須100Mbps。

4G 為全 IP 架構,無傳統電路交換機制

首先先了解 4G 技術的最大不同,就是 4G 系統採用封包交換的結構,而非傳統 3G 或是 2G 同時具有線路交換和封包交換的特性。說到這裡,筆者要花點時間講解電信和網路的區別。我們一般的電話(無論室內有線電話或戶外的無線電話)基本上都是電路交換(circuit switch)的結構,具有優先性、排它性的特色。也就是說,在實際通話前會確認目前雙方之間是否存在可供通話的資源(確認對方存在、線路完善與否、交換機是否還有通話容量),才會撥打出這通電話給對方。如果這雙方中間有任何環節出錯,此通話一開始就不成立;倘若成立了,雙方就占有之間的資源,別人無法奪走也不可能切斷。

網路使用的是封包交換(packet switch)架構,此架構最大的特色就是採用盡最大努力(best effort)思想,丟出資訊的同時不需先確認對方是否存在、線路是否完善、交換機的負載等等的資源確認動作。封包丟出去就是丟出去了,傳遞任務就交由下個交換機處理。如果雙方之間的交換機全都運作正常,此封包就會正確抵達;如果交換機過載或是對方不存在,封包就有可能在 1 層層傳遞中被丟棄。若是讀者有興趣,可參考先前筆者撰寫的文章。4G 採用網路的封包交換機制,完全拋棄電路交換架構,也就是說,4G 網路僅能傳送封包,其實並不能通話(但有一些做法可達成通話目的)。

LTE FDD、LTE TDD

讀者可能會在些地方聽到 LTE FDD 或是 LTE TDD(TD-LTE)2 種不同的 LTE 名稱,這兩者的核心技術皆相同,只不過在頻譜利用規畫上有所不同。LTE FDD 需要成對的頻譜資源,1 條負責下載、1 條負責上傳。LTE TDD(TD-LTE)則是將時間切分,在同一頻譜進行下載上傳工作。

LTE TDD(TD-LTE)對於頻譜利用更為彈性,在極端狀況下(傳輸量偏向下載或是上傳某方)的效率也比 LTD FDD 佳,不過因為 LTE FDD 的技術先行開台應用,全球目前以 LTE FDD 為主。


▲LTE FDD 和 LTE TDD 的主要差異。

通話使用 CSFB、VoLTE、SVLTE/SGLTE

前段說到 4G 已改為全 IP 設計,沒有過去的電路交換通話功能,但拿著手機的們總有通話需求吧!如果升級 4G 傳輸速率更高的代價為失去通話功能,相信有許多人寧願放棄 4G 留守 3G。在 4G 的通話實作方面,目前有 3 項技術可供使用:CSFB(Circuit-Switched Fallback)、VoLTE(VoIP on LTE)、SVLTE/SGLTE(Simultaneous Voice and LTE、Simultaneous GSM and LTE),CSFB 技術目前實作的進度較快,台灣已開台的業者也是採用此種作法。

轉換回前代的 CSFB

CSFB(Circuit-Switched Fallback)顧名思義,就是將通話的部分轉換回原本的3G/2G 網路,使用 3G/2G 的部分進行通話,等到通話完畢時再切回 4G 網路。此種作法的優缺點顯而易見,優點為 1 台裝置同時支援 4G 和前代網路,享有高速通訊和通話品質的雙重利益。缺點為手機必須要在模式間切換,有可能切換不順利或是時間過長。另外一部分就是增加營運商的作業,必須控制手機的空中接取技術基地台的切換和後端資料庫的搭配運作;採用 CSFB 的營運商除了 LTE 網路之外,也必須擁有 3G/2G 網路,這對新進業者設了 1 道頗高的門檻。


▲CSFB的網路架構。圖片來源:NTT DOCOMO

擷取 VoIP 技術

若是通話時不想切回先前的無線通訊規格,則可將語音資料打包起來,放在網路上傳送,就是 VoLTE(VoIP on LTE)技術。優點為手機不必切回過往的網路,可省去晶片、天線成本,也少了訊號干擾,同時 VoLTE 對聲音的取樣也比以往 3G 更好,語音品質提升。缺點也從目前的 VoIP 繼承而來,雖然有著 QoS(Quality of Service)可盡量把語音封包的優先權提高,但依然還是有著通話品質下降或中斷的風險,且目前支援 VoLTE 的手機並不多。

同時接取網路和通訊的 SVLTE/SGLTE

另外 1 種作法,則是在手機裡同時放入 2 組無線通訊模組,1 組負責 LTE,另 1 組則負責通話部分(無論是 3G/2G 的其中任何 1 項技術)。此種作法雖然簡單,且同時支援數據和語音服務,但會增加手機的耗電量以及價格,因此除非是無線通訊模組不支援 CSFB 對規格的要求,否則較少營運商或是手機採取此種模式。

就目前台灣已開台的 3 家業者來說,中華電信、台灣大哥大已經說明了目前採用 CSFB,遠傳應該也是如此,因為它們都同時擁有 2G/3G/4G 執照,且依目前 LTE 基地台訊號覆蓋範圍來看,選擇 VoLTE 是找死的行為,選擇 SVLTE/SGLTE 的話手機支援度不佳。(郭董牌國碁電子與亞太電信合作,似乎也是衝著亞太電信的 3G 執照而來。)


▲Qualcomm所提出的LTE語音部分的演化過程。圖片來源:Qualcomm

700MHz 傳輸距離比較遠,但不會比較好

前陣子搶翻天的 4G 執照,台灣部分一共釋出 700MHz、900Mhz、1800MHz 的頻譜,先不論各家搶到多少 MHz 的頻寬和頻譜連續性問題,光就頻率的特性而言,波長越長(頻率越低)的電磁波可傳輸較長的距離,此點可由弗林斯傳輸方程式看出:


▲弗林斯傳輸方程式。

首先 Pt、Pr 代表傳輸方和接收方的功率、Gt、Gr 則是傳輸和接收天線的增益值、R為 2 者之間的距離、λ 則為波長。由此公式可發現,當 λ 波長越長,接收方接收到的功率也會比較高;換句話說,當 Pr 固定時,λ 波長越長,距離 R 也會跟著變長。但手機實際接收狀況必須依靠所有的變數決定,並非單一波長即可控制 Pr 的接收功率。理論上來說波長越長的確傳輸的較遠,但實際情況則相當複雜,並無法一言以蔽之。

我該換 4G 手機、門號嗎?

就目前台灣手機市場以及各家營運商開台狀況而言,可分成 2 個族群討論。首先就是綁約快到期和許久手機未更新的民眾,則可考慮一下 4G 綁約和購買 4G 手機,因為這是未來必然的趨勢,反正都要換了,多個未來相容性也不錯。(注意目前各家 4G 費率吃到飽降速的問題。)

如果是綁約尚未到期或是近期才更新手機的讀者,則沒有必要在近期追逐 4G 熱潮,因為目前 LTE 訊號覆蓋範圍實在太小了,開台僅有宣傳意義,實質意義並不大,搞不好等到約滿或是手機老了想換新,業者也將 4G 規格升級至 LTE-Advanced,屆時購買才更划算。

 

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