科技與人文社會：小組專題研究： 3G, 4G and 5G
壹：科技/技術組成
3G、4G、5G（G，Generation，世代）標誌著行動通訊技術隨時間演進，速度和資訊傳輸量的大幅成長。
回顧3G之前的行動通訊技術，1980年代，行動電話問世，採用類比的通訊技術。2G為數位通訊技術時代，行動語音服務普及。此時流行全球的，是歐盟 GSM（Global System for Mobile communications[1]，全球行動通訊系統）的時分多址技術 （TDMA，Time division multiple access），其特點是多個用戶共享一個載波頻率、同一時間只會有一個人發言、聲音經由數位壓縮而傳遞迅速，且因分時切換的頻率很快，使用者不會有不同時發言的感覺。GSM 的缺陷是容量有限，使用者過多即會有超載問題。此時期美國高通推出碼分多址技術 (CDMA，Code Division Multiple Access) ：人們在同一環境中，使用不同的語碼溝通，達到多人同時溝通。 (語碼 x 只能與語碼 x通話，語碼間互不干擾) ，容量比TDMA多出很大的幅度。
2000年後，逐漸邁入3G，行動上網服務普及。3G 最大優點是更快的網速，約30Mbit/s。3GPP組織(3rd Generation Partnership Project) ，在CDMA 技術基礎之上，開發出原理相似的 W- CDMA。另有高通與韓國聯合推出的CDMA 2000、中國開發的TD-S CDMA，三者中，W- CDMA是人們最廣為使用，也最成熟的。
2010年後，邁入行動網路 — 4G 的年代。傳輸速度增加到150Mbit/s ，頻寬更高。其中用到的 LTE（Long Term Evolution，長期演進技術）技術使用更先進的技術進行資料的編碼和傳輸，能夠彈性調配傳輸量予不同的使用者，增加傳輸效率。(劉辰岫，2014)
第五代行動通訊技術 — 5G，具有三大特性：增強型行動寬頻（eMBB）、大連結（Mmtc）、高可靠/低延遲（URLLC）。5G的峰值資料傳輸速率預計可達10Gbps以上，比4G高出10到100倍。[2]
在應用部分，5G的低延遲與大連結特性有利於發展大數據、人工智慧、物聯網等服務，並應用於自動駕駛、智慧醫療、虛擬實境（VR）、擴增實境（AR）、智慧製造、公共安全、先進農業、工業4.0、智慧建築、智慧城市等應用[3]。於公共安全部門，可為緊急情況提供更有效率的通訊管道；其也能改善城市的管理與治理，包含智慧停車管理、智慧化公共安全、災防處置等新型態智慧應用。而應用基於５ｇ網路的低功耗廣域網路技術（如NB-IoT、LTE-M），可延長相關設備的電池使用壽命。[4]
貳：主要創新者
1940年，美國女演員海蒂·拉瑪及鋼琴家喬治·安塞爾基於軍事用途構想出秘密通信系統（Secret Communications System），（後稱此技術為展頻技術 Spread Spectrum）的概念及具體實施方法。之後兩人取得專利並將此一技術交給了政府，然而並未被採用。藉由展頻技術，可以達成分碼多重進接（CDMA）， 到1950年代後期被應用於軍事秘密通訊。 1989年，高通創始人厄文·雅各布 (Irwin Jacobs) 和安德魯·維特比 (Andrew Viterbi) ，將CDMA 應用在移動通信上，他們的CDMA技術使多個用戶能夠獨立且同時使用更大的頻寬。3G時代初期, 歐洲等原推行GSM (全球移動通信系統)的國家共同成立了3GPP組織 (3rd Generation Partnership Project) ，負責制定全球第三代通信標準，3GPP參考CDMA技術，開發出原理類似的W-CDMA。高通與韓國合作成立了3GPP2，推出CDMA2000，而中國則推出了TD-SCDMA。2008年5月，國際電信聯盟公布第三代移動通訊標準，W-CDMA，CDMA2000和TD-SCDMA成為三大3G (第三代行動通訊技術)主流技術。
2003年電機電子工程師學會（Institute of Electrical and Electronics Engineers， 簡稱為IEEE）引入正交分頻多工（Orthogonal frequency-division multiplexing， OFDM）技術， 並將其應用在Wi-Fi上。2005年, 英特爾 (Intel)，諾基亞 (Nokia)和摩托羅拉 (Motorola)基於IEEE通過的無線寬頻標準IEEE 802.16，共同宣布聯合採用IEEE 802.16e標準，稱作WiMAX。由於WiMAX的出現， 其背後的技術，也就是OFDM，成功引起電信界的注意。3GPP組織在2008年，發布了長期演進技術 (Long Term Evolution, LTE) 作為3.9G技術標準，並在2011年提出了進階長期演進技術 (LTE-Advanced，LTE-A) 作為4G (第四代行動通訊技術) 技術標準，停止W-CDMA的使用，採用OFDM取而代之。同時，進階長期演進技術 (LTE-Advanced) 也是第一批被國際電信聯盟承認的4G標準。
2018年3GPP提出5G (第五代行動通訊技術)。而事實上，各國對於5G技術的研發早已開始。2009年，華為展開相關技術的研究，在2013年宣布將在2018年前投資6億美元對5G技術進行研發與創新。2012年，歐盟啟動大型科研項目METIS，研發5G技術。日本電信商NTT DoCoMo宣布將與愛立信 (Ericsson)、諾基亞、三星等廠商共同合作，測試高速5G網路。2013年，韓國三星電子宣布，成功開發5G的核心晶片。2013年，韓國成立「5G Forum」組織，並在2014年推出「5G移動通信促進戰略」。「5G Forum」包括韓國主要的通信運營商、設備製造商、研究機構等，為韓國最重要的5G研發組織。2019年，韓國啟動5G網路服務並成為第一個5G國家。
3G時代由高通的CDMA主導，4G時代由3GPP的LTE主導。到了5G時代，已不再如同過去，雖有像華為，韓國等企業與國家在專利，技術方面的領先，但眾國家皆有在5G時代得到一席之地的野心，紛紛傾注大量資源研發技術，投資營運，因此，在這個5G初生的時期，5G的技術發展還存在著無限的可能。
叁：創新網絡
發展5G無可避免的一定會接觸一下產業，分別是晶片產業，5G的核心、關鍵零組件產業，例如：感測元件、天線、散熱模組等，5G的『supporter』、終端設備產業，5G的應用，例如：手機等以及網絡設備產業，提供5G服務的運營商，例如：基地台、路由器等。以上就是發展5G一定會接觸的科技產業，缺一不可。接下來我們會重點討論晶片產業和網絡設備產業，因為晶片產業和網絡設備產業相對另外兩個更加重要且發展難度更大。
5G晶片可說是誰掌握就掌握了未來10–20年的網絡龍頭位置，晶片絕對是5G的最核心的東西，用人類來比喻的話就是人類的心臟。而目前的局勢可說是三強爭霸，分別是美國的Qualcoom（高通）、台灣的Media Tek（聯發科技）及中國的Tsinghua Unigroup（紫光）。而他們在2020第一季度的全球市場佔有率分別是42%、14%、20%。高通因為在mmWave（毫米波）技術、network slicing（網絡切片）的5G技術性科技取得重大的突破，也因此他們能夠佔據5G技術的龍頭位置。
高通的合作夥伴包括Google、Microsoft、Apple、Samsung、Facebook、Netflix等。在2019年12月高通發布了全球第一款支援5G的XR處理器Snapdragon（XR2）。除此之外，同時也發布了旗艦級的Snadragon（S865）、高階系列Snapdragon（S765）和電競用的Snapdragon（S765G）。但高通發布的Snadragon（S865）晶片卻是採用『一個支援5G晶片 + 一個5G數據幾晶片』的技術，而非採用SoC技術。SoC技術是指將『一個支援5G晶片 + 一個5G數據幾晶片』的技術整合進一個系統單晶片，以達到效能更高、體積更小、功耗更低、讓5G產品有更多的空間安裝其他技術。
接下來就會跟大家討論基地台的部分，可以聯想成血管，負責將5G的信號發出、接收，做連接的工作。在今年6月3日中華電信獲得了NCC核發的5G特許執照，成為了台灣第一家拿到5G特許執照的電信公司。而遠傳電信則6月10日拿到了NCC核發的5G特許執照，緊追中華電信成為了台灣第二家拿到5G特許執照的電信公司。台灣大哥大這在6月17日拿到5G特許執照，成為第三家拿到特許執照的電信公司。他們的5G競標成本分別為483.73億、430.42億和306. 56億。在3.5Ghz頻段頻寬（全球5G商用的主流頻段）分別得標90Mhz、80Mhz和60Mhz。在25Ghz頻段頻寬分別得標600Mhz、400Mhz和200Mhz。在基地台部分，電信三雄都不約而同的表示在今年年底完成4,000台的基地台建設，明年完成8,000台的基地台建設，三年內完成10,000台的基地台建設。基地台建設預計三年內投入分別是270億、200–300億和137億。中華電信的初期服務範圍是包含六都的22個縣市、全國主要商圈、科學園區、車站（高鐵、台鐵、捷運）和近50所大學。遠傳電信的初期服務範圍則是六都商圈、國道服務區和台東偏鄉地區。台灣大哥大則是以六都為主。
肆：制度形成
從3G、4G發展到5G，每一代系統的發展，新功能的發明，不斷的研發和進步，都為人類帶來了重大的改變。
在產業標準方面，3G的產業標準為一）語音品質必需與有線電話相同；二）安全性要同PSTN/ISDN；三）可支援多種公眾/專用/住宅通訊系統經營者；四）可介接其它行動或固定通訊用户；五）可提供國家與國際漫遊；六）具用封包數據與電路數據交換、高光譜效能、支援多封包階層，並可與衛星相容或介接；七）數據傳輸速度最高可達2Mbps。
4G的產業標準為用戶在移動時其資料傳輸速率可達100 Mbps、在靜止狀態下速率則須達到1 Gbps以上，就可以作為4G的技術之一。
5G的產業標準為3GPP所提出之E-UTRA/LTE RIT技術，可適用於eMBB、mMTC、以及uRLLC等三大應用場景，所採用的技術包含有OFDMA、TDMA、CDMA、以及SDMA，而調變方法則是可含括QPSK至256QAM，同時支援FDD與TDD之多工模式，並可支援6GHz以下、24.25~29.5GHz、以及37~40GHz。
以上標準皆由國際電信聯盟（International Telecommunication Union, ITU）所定，因為此組織擁有十分高的公信力以及約束力，所以能夠協調各會員國不會因為政策差異或利益衝突而導致各國電信業執行上的困難，確保事務都能落實並執行，而各國需遵守ITU所制定的產業標準，因此ITU能有效地規範電信業所提供的3G、4G、5G的服務品質。
在4G推行政策方面，台灣在2018年12月31日，3G業務特許執照依法屆期終止，國家通訊傳播委員會（NCC）為保證行動寬頻服務不被此法所影響，推行「因應第三代行動通信業務終止用戶權益保障行動方案」，業者需要推出等於或優於原資費的方案，讓原使用3G的客户能夠用原門號、原手機升級至4G服務，藉此保護原3G客户不受影響。政府推行此政策，令4G得以取代3G，有效地帶動4G的興起與普及。
在5G推行政策方面，台灣推翻了過往4G時期的法規。在4G時期，法規不允許業者間頻譜共享與租用。業者會付出大量金額在釋照拍賣上，為了能在市場上占有優勢、標得有利頻譜位置、獲得連續頻寬等。因5G的成本高於4G的3倍以上，為了減輕業者的成本負擔，在2019年5月31日，立法院通過了《電信管理法草案》，為管理5G發展的依據，將大幅放寬電信市場的進入門檻與跨業合作彈性等(行政院新聞傳播處，2019)，開放「共頻、共網、共建」，允許業者可以合作或策略聯盟方式以減輕成本支出。此法規更加強了業者間的合作，減輕業者成本，讓他們更積極去發展5G，也能讓技術更容易流通，發展更快，更節省時間。
在5G的發展上，因中美衝突以及其政策，令5G產業向G2（一個標準，兩個系統）發展。身為世界領先的5G供應商華為，因與中國政府和軍方的關係而備受其他國家質疑和排斥。美國從2018年開始禁止其政府部門使用華為產品，同時也阻止華為參與各國5G建設。隨著美國不斷加強對華為的圍堵和打壓，影響持續擴大，越來越多的國家如美、日、韓、歐業者選擇與美國站在一起，或是自行把華為排除在自己國家的5G建設以外。
在產業行規方面，台灣電信業的產業行規規範不足，導致許多電信業者以低價來競爭。以4G「499之亂」為例，中華電信先在2018母親節推出499專案，緊接著台灣大哥大和遠傳電信也跟著一起推出499專案。低價競爭令三家獲利以及股價下跌。而對於5G，業者們都害怕低價競爭重演，因為4G收費因價格競爭下降得太多，營利下降，業者都害怕會重蹈覆轍，導致有部份業者反對5G全面化，不利於5G發展。
伍、主要使用者及科技擴散
從3G到5G，只要有手機就能使用，使用者可說是全世界。差別在於3G的功能主要是傳簡訊及上網，4G多了看影片的功能，而5G則是可以觀賞高畫質，甚至是3D影片，因其省電、聰明、快速等特性，更進一步催生智慧住宅的應用。主要使用者從大眾逐漸走向較有經濟能力的民眾，不過隨著時間的推移，等到5G普及，甚至6G出現時，或許價格因素不再影響5G的使用者。5G之所以是令全世界注目的發明，是因為它帶來了多項變革，像是人工智慧、物聯網等，而人工智慧又影響自駕車、無人機等相關智慧科技的使用。
Analysys Masony在2019年的《Global Race to 5G》的報告中指出，2020年全球將會超過40多個國家及80多家電信業者提供5G服務；不過自由時報卻在2019年預估儘管到了2025年5G在全球得普及率不到45%，依目前狀況可知，5G確實在剛起步的階段，主要的網路使用仍以4G為主。國立政治大學廣播電視學系研究所的葉俊延在論文中表示：「各國在5G發展仍在初步階段，目前仍面臨到涵蓋率不足、沒有達到理想的速度與網路連線不穩定等情況，行動電信業者也提到，儘管到了5G時期，4G技術的地位依然重要，且在基地台的建置有限情況下，5G不太可能像4G系統一樣普及於大眾生活之中，成本過高、商業模式不明，且沒有太大誘因促使用戶支付更高費用升級5G。」（葉俊延，108）
大家最熟知的使用案例應該是日本人在晴空塔傳送8K影片和南韓在2018年韓國平昌冬季奧運，其應用技術包括360度虛擬實境實況轉播、同步視角、影片互動、全景放映等。由上述兩段可知，5G目前的主要使用者為政府或其他科技研發公司，尚未普及。分析此科技的擴散模式，應由目前積極發展5G通訊的美國、日本、南韓和愛爾蘭為源頭，擴散至該國的人民及其他科技產業導向國家，如台灣、新加坡等政府，接著才來到全世界。以社經地位的角度來說，無疑是富人會先享受5G帶來的便利，前面有提到5G還可以結合人工智慧，發展智慧居家；有些窮人甚至無法享有這些服務，只能操作最基本的，像是觀賞影片之類的功能。
3、4、5G的應用範圍實在廣泛，小至通訊，大至遠端手術、人工智慧等，是現代社會不可或缺的技術，同時也象徵新世代的來臨。以遠端手術為例，無國界醫生即可透過此技術幫助更多偏遠地區的病患或戰爭地區的傷患。不過現實層面中，科技的擴散永遠都是由社經地位高到低，所以在讓富人們享受到5G帶來的便利前，較難有其他應用。由4G的擴散為借鏡，4G的興起大約在2014，不過真的普及卻是在2016，雖然5G的時代尚未正式開始，且因其涉及的服務與生活品質息息相關，因此我認為5G的普及要比4G來得更久。
陸、背景／支撐脈絡及發展階段
2G到3G有一項很基本的改變，就是歐洲GSM採用的TDMA技術轉移到美國高通開發的CDMA技術。雖然CDMA技術上容量更大、好處更多，但一開始由於GSM搶先一步普及了TDMA，讓CDMA因普及成本較高而沒有發展空間；那麼局勢究竟是如何扭轉，讓CDMA成為主流、高通躋身行動通訊巨頭之列?
第一個轉捩點來自1993年的韓國政府對基礎建設的需求。時空拉回1960年代的韓國，當時政府開始重點培養製造業、重工業，並確實達到經濟快速起飛的效果。為了因應此項政策與避免產業結構失衡，韓國政府於1978年開始推行第一次和第二次的「行政電算化基本計畫」，以及後來的「國家基幹電算網基本計畫」，漸漸完善通訊方面的基礎建設；此前不論是GSM還是CDMA技術都尚未進入韓國，CDMA憑藉專利優惠和更優越的品質優勢，成為了政府選擇的國家通訊技術標準；簽約後兩年內，韓國行動通訊達到極高的普及，此舉喚起世界對於CDMA技術從來沒有的信心。
個人行動通訊開始在世界普及之後，迎來第二個進入3G時代的轉捩點：高度普及對市場的壓力和需求，也就是更大的容量、更快的傳輸速度。歐洲部分廠商為了最低度觸碰到高通的專利，另組成組織研發出與CDMA相似的系統，加上高通、中國自主研發的系統，成為3G時代通行的四種標準。
然而，3G還沒達到真正的高峰。業界對於3G的高度看好造成了千禧年的3G泡沫，原因是實際行動裝置的發展跟不上通訊技術，簡單來說就是少了一隻好手機，而有了手機，又沒有足夠方便取得的應用程式，直到最後一個轉捩點出現：蘋果推出iphone和Apple store。行動通訊方便性大幅提升，功能多元的應用程式容易取得，終於成功推進時代爆炸性發展。
那麼3G到4G的推進力又是甚麼呢? 我們還是從需求面來分析，這個時代出現一項新的成長和需求：多媒體。所謂多媒體，是指文字、影音、圖像可以結合，並能做到即時性的雙向互動，也就是我們現今習慣的模式，所以可想而知，市場對容量和速度的要求只增無減；再加上各式各樣的行動裝置發展蓬勃（當中最顯著的是平板電腦），對整合和一體性的呼聲也愈來愈高－各種網路、系統、裝置間能互相連接、互動（如遠端控制），也要能結合商業、科技、教育、醫療、交通等各種領域的應用。
再來是技術層面。先簡單地說，4G時代採用的核心技術從CDMA轉移到了OFDM+MIMO系統，這個轉變來自於Wifi的出現。其實OFDM技術上優勢比CDMA多，它的傳輸距離更遠、速度更快、干擾更少，甚至基層技術在1980年代已經大致完成，只是CDMA獲得的關注度太高，通訊業根本沒注意到這種技術，直到電機電子工程師學會（IEEE）為了提升不同裝置之間的互通性，引進OFDM並推出了幾種Wifi標準，將這種技術擺在電信業者面前；又業者在3G上一直被高通的基層CDMA技術專利剝掉一層獲利，OFDM的吸引力自然不在話下。
由以上2G到3G、3G到4G，我們可以得出一結論：永遠都有更好的技術，然而技術如何被市場注意到（如GSM和CDMA、CDMA和OFDM）、並且與市場操作（如高通的專利佈署）、供需體系（如技術進步對裝置的要求）結合，都會對通訊技術演進造成影響，因此在看這些發展的時候，理解各方需求，甚至要理解其需求的來源，才能看清來龍去脈。
最後，2020年的我們，一直接收到各方釋出的5G消息，5G的需求又是甚麼?
5G最重要的就是低時延，且可以乘載的流量更大，例如在大型演唱會或人群聚集地，上網不會再跑不出畫面，而低時延能應用的範圍就更廣了，和遠距離有關的任何事物都會需要這項優點，如醫療、教育、救援等等，都是講求分秒必爭的領域，有了這項技術能達到快速的資源分配、也讓科技更生活化，例如這次的新冠肺炎疫情也是應用這項技術的好時機。普及就有需求，需求只增無減。然而5G的考驗也在於普及：其技術強調高度密集的基底台設置，因為訊號難以穿越固體、且費用昂貴，所以重點放在大城市是必然的，如此一來又達不到部分偏遠地區的遠距需求。業者也還在等待下一個突破，不論是應用上的、或是商業模式上的，都是5G還需要研究的地方。
3G已經被取代、終結，我們正處在4G時代的末端，由於5G尚未成熟，4G依舊是主流。4G何時會迎來它的終結，我們無法確定；考慮到當初2G進入3G預計只花五年卻花了十年－當然中間因為陰錯陽差、3G泡沫有拖更久－但仍然可以保守估計真正爆炸性的、技術更困難的5G時代，還要一段不短的時日了。
參考資料
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