擺脫權利金侵蝕毛利宿命　5G/IoT專利布局得找璞玉

國內資通訊科技(ICT)各廠高層即使未參與2月西班牙巴塞隆納2016-MWC(世界行動通訊大會)或3月台北2016-NGMN(新世代行動通訊網路聯盟大會)，也常經由媒體掌握最新全球相關的5G或IoT技術。眾所周知，5G與IoT絕對是全球ICT產業再成長的最大動力。本文希望能讓國內ICT各廠高層與菁英提早洞悉潛力關鍵技術並掌握5G與IoT商機。

依主計處與中華經濟研究院民國100年資料顯示，單一ICT產業占台灣經濟成長率(GDP) 20.34%，每年實質成長從業人員超過200萬人；經濟部官技術處高層曾公開表示，台灣通訊產值占GDP之6∼7%，通訊晶片更占晶圓代工和晶片設計60%產值，展望台灣通訊產值到2021年達2,000億美元，占全球產值20%。

未來物聯網與智慧機器人等新興產業與ICT技術相關，5G技術不僅台灣須集體作戰，實際上各國通訊大廠都受到官方強力支持。本文將介紹那些5G技術適合IoT終端、5G潛力候選技術、5G技術瓶頸；那些5G技術可再應用到8K的超高解析度(UHD)廣播電視、寬頻有線通訊等等各界感興趣的議題。

WiMAX系統雖然被長程演進計畫(LTE)打敗，但WiMAX實體層的關鍵技術如正交分頻多工(OFDM)和多重輸入多重輸出(MIMO)技術，不但在LTE大放異彩且影響5G研發方向。過去行動通訊系統都由大廠與強國競逐非台廠能左右，今後母公司取得具潛力的準標準必要專利(SEPs)成立轉投資金雞母才是首選。高通(Qualcomm)每年的智財權利金(含轉投資公司)收入超過總淨利三成以上，面對2020年以後5G智財權利金的大洗牌，高通的獲利方式值得台廠學習。

先釐清事實！候選5G技術即使首波未獲國際電信聯盟(ITU)青睞也未必出局，如果技術深具潛力卻因當年製程技術受限延宕未能商轉，很可能在B5G(後第五代行動電話)後獲全球電信商採用。各國LTE的載波聚合(CA)技術普遍使用在B4G，雖然CA專利並未能在4G開台第一時間獲利，如今仍然在全世界普及，證明當年投資CA這塊璞玉(CA)時才是轉投資的最佳時機。

急起直追5G/B5G技術 寄望璞玉以小搏大

由於候選專利眾多，ITU訂出5G標準後，各國專利第一輪便雀屏中選的機率不大，但是好的B5G技術仍是各國持續追蹤的目標，台廠更應仔細篩選深具潛力的5G/B5G技術，最好是各國大廠忽略的璞玉技術，台廠才能以較低的成本買進並後續研發，母公司採用以小搏大方式進入5G領先群，本文希望幫ICT台廠找到5G與IoT千里馬。

圖1是台廠找5G潛力技術的重要參考，中間部分是過去LTE的進化版，IMT-2020是ITU對5G的要求。台廠尋找5G潛力候選技術時先看此技術屬於圖中的那一領域，研判此技術是否符合ITU對5G的要求？判斷是否可再向外延伸，很確定B5G技術是八大方針的延伸，八大方針衍生的5G技術是各國規劃5G發展藍圖之依據。

圖1 各國5G發展藍圖依據ITU規範

IMT-2020規範5G的要求包括：頻譜效率提高3倍(存取+波形技術)、移動時速提高1.43倍(500Km/hr)、時間延遲縮短成1/10倍、每平方公里基地台數量提高10倍、網路能源效率提高100倍、每平方米流量密度提高10倍、峰值速率提高20倍、用戶體驗速率提高10倍。

過去各國電信商為推廣4G用戶的普及，力推上網吃到飽卻嚴重侵蝕公司獲利，因此5G能提供的通訊總容量越大越好，包括歐盟行動暨無線通訊網路驅動計畫(METIS)、DOCOMO、諾基亞(Nokia)與各國5G新藍圖都要求電信商總通訊容量至少要提高1,000倍以上，如此營運商等才會更積極讓5G儘快商轉。

未來5G營運商買下頻段後須採購高總容量網通設備才可對抗營收剪刀曲線，所謂的剪刀曲線如圖2所示，營運商投資頻段的容量比不上資料流量的成長速度，此種現象邁向B4G/5G後缺口更大。5G相較4G頻譜效率必須提高3倍，頻譜效率現階段候選技術只比4G提高30%，不利5G與IoT發展，IMT-2020相較IMT-Advanced(2012)的頻譜效率必須提升300%以上。

電信商總通訊容量如何再提高1,000倍以上的方法如圖2所示，作法是營運商買下較大頻寬和建置超高密度網路(UDN)，另外採購高「頻譜效率」網通設備是電信商易忽略的縱軸，簡而言之，必須同時透過三大主軸的擴充才能讓5G儘快商轉。

圖2 營運商同時透過三大主軸擴大5G總通訊容量

5G技術瓶頸浮現　眾廠商加碼搶進

由圖3所示可了解5G各種技術瓶頸，5G通訊系統上行與下行技術在圖中比擬成南迴線列車，行動通訊下行系統約可分成六大部分，每種5G的SEPs關鍵技術好比各節列車的引擎，消費者希望車速超快平穩，並要求5G需求總容量是4G的1,000倍並支援高速交遞(Handoff)。

圖3 5G行動通訊各級技術

但現階段5G的研發是慢速列車，它只啟動低階動力如單一輸入單一輸出(SISO)、OFDM、16QAM(正交振幅調變)等等，圖中的多節動力尚未開啟，各國電信商的5G列車須飆過1,000倍，因此認識各節列車的SEPs技術是營運盈虧的重點。

如果台廠只追隨國外大廠已研發的技術，即使出現新興有潛力的5G候選技術，相信台廠要出資競標都無法和國際大廠競爭，必須了解各節列車技術的瓶頸才有機會以樸玉價格買下專利，然後組成堅實的5G團隊，方能雕琢出翠玉白菜般SEPs技術。

在此先釐清ITU對5G頻譜效率的定義，ITU訂出5G頻譜效率是4G的3倍以上，此舉是否遠低於各電信商和寬頻業者期待的1,000倍通道容量，實際上頻譜效率與通道容量不可混為一談。國際通訊大展各廠都自稱MIMO基地台可提供十多倍的頻譜效率，實際上是大迷思，嚴格來說並未達到ITU的要求。因MIMO基地台傳輸容量雖達十多倍，但手機終端必須也搭配多支MIMO天線，如果5G手機藉由毫米波小型蜂巢式基地台(Small Cell)傳輸，將是無法達到十多倍頻譜效率，因為毫米波小型蜂巢式基地台缺乏多支MIMO天線、波束成形(Beam Forming)優化技術等等設備。

ITU定義3倍的頻譜效率是指終端裝置在單位頻率下提供3倍傳輸率，即使用無線存取技術(RAT)加上波形技術提升3倍。換言之，IoT終端使用3倍以上頻譜效率技術，在不依賴MIMO天線與基地台等中繼裝置就能提高傳播容量。

下行列車第1-3級是台灣ICT廠商與各國通訊大廠感興趣的部分，目前各國5G大商多使用MIMO大型陣列天線、即時通道探測(Channel Sounding)技術、波束成形、軟體定義網路(SDN)等技術，使整體5G總容量提升到12倍以上。但相對地，手機相關廠商卻面對許多挑戰，在4∼6.5吋主流尺寸手機內如何支援12支微型平面天線，關鍵瓶頸在天線的隔離度要好，設計5G手機前不能只做全機模擬，現有MIMO廠商實物量測都假設使用者手掌不會遮住微型平面天線，但實務上會影響，因此提升12倍的預期會打折。

各國5G電信商轉開台後，營運商須面對毫米波傳播的反射衰弱(Fading)、穿牆衰減等特性，以及戶外高速交遞考驗。此外，電信商還須要在各大建築物各樓層建置大量的小型基地台。眾所周知，以上是台灣ICT各廠寄予厚望的商機，過去台廠全力聚焦在毫米波功率放大器的研發仍然不夠，因為微形基地台必須具備高隔離度MIMO模組、極寬頻回程迴路(Backhaul)相關專利必須掌握，各國5G電信商採購微形基地台必須考量上述技術，營運商的5G網管才能優化到最佳值。

下行列車第4級是台灣ICT廠商最不感興趣的部分，建議台商供應鏈應修正此觀念，設法買下此級SEPs擺脫低毛利代工模式。此級的關鍵技術是RAT加上波形技術，基地台端系統相較手機技術複雜許多。實際上，RAT加上波形技術還包含上行列車第2∼3級，此級包括先進多速載波調變(MC)與進階多工存取技術。

下行列車第4級技術過去都由國際大廠掌握，從3G∼4.5G台灣晶片廠商在此級付出的專利費極為龐大，代表性之波形技術是OFDM，除了手機晶片之外，包括系統端的網通設備都依賴OFDM存取。OFDM更跨域到廣播通訊與有線寬頻，包括無線數位電視、無線存取橋接器(Wi-Fi)無線模組、相關工業科學醫學免費頻段(ISM)無線模組、超寬頻、高速乙太網路、有線電視系統、機上盒等等遠超過讀者想像。雖然過去此級技術不是台廠的專長，卻是各晶片與ICT公司當下最亟須專注的SEPs。

下行列車第4級的SEPs須達成ITU要求5G提升頻譜效率3倍，如果新的RAT加上波形技術比4G提升到8倍的高標準，將來的IoT終端可充分支援大數據極低時延運算，達成智慧城市各種應用。8倍頻譜效率還可提供8K畫質的UHD廣播電視，它讓有線和無線電視整體供應鏈脫胎換骨，更讓8K以上UHD電視普及。

OFDM加MIMO技術至今在B4G行動通訊仍主宰全球，但是5G行動通訊的傳播主流是毫米波，毫米波的傳播特性會破壞OFDM正交性，5G再使用OFDM將更占用過多子載波資源去維持調變的正交性，實務上不但有缺失又大降頻譜效率。因此各國研究單位和廠商許多已轉向新的MC、新的RAT與波形技術，較著名包括多載波濾波(FBMC)、非正交多重存取(NOMA)、通用分頻多工(GFDM)、FTN(Faster-Than-Nyquist Signaling)等等。

上述技術廠商多宣稱模擬效率符合IMT-2020的要求，實際上那是比較基期誤導讀者，與理想LTE的OFDM存取技術相比，上述新技術只比OFDM提高最多30%，距離ITU要求3倍的要求仍然遙遠，這將阻礙IoT寬頻終端的普及，以上困境好比CA技術遲至B4G才達成當年ITU對4G的要求。

由以上分析得知，國外廠商掌握的RAT加上波形技術，即使首波被ITU列為5G的候選技術，都不建議國內廠商買下其專利權，要競標SEPs，至少要達成ITU的低標準。可實現3倍以上頻譜效率的技術，可能要等到B5G才商轉。

下行列車第5∼6級的關鍵技術包括通訊協定與進階網管技術，進階5G網路管理技術包括：SDN、網路功能虛擬化(NFV)、雲端無線存取網路(C-RAN)、網路切片(Network Slicing)技術等等；全雙工技術則以同時同頻全雙工(CCFD)較具潛力。

第5∼6級對電信營運商而言相對重要，這兩級關係到5G整體的品質因素(QoS)和用戶體驗品質(QoE)。而第5-6級中的潛力技術為自動追蹤感知優化網路，網路優化的目的就是對運作中大型與小型5G基地台進行參數收集、資料分析，找出影響網路品質的原因，透過參數調整讓網路達到最佳化狀態，使網路資源得到最佳的效益。

在第5∼6級IMT-2020要求必須提高網路能源效率100倍，其中主要的關鍵在基地台，基地台必須採用先進的天線傳播技術搭配跨層協定優化方能有效提升5G能源效率，無論是大型或小型基地台皆然。下行傳播採即時優化指向性波束的MIMO技術讓能源效率提高，由各大知名國際ICT展覽得知台廠想迎頭趕上有相當難度。

IoT終端中長期應用須具備感知網路所有功能，包括IoT廉價的終端、寬頻、微型、低耗能等等特色，今後無線寬頻模組應該多留意上行列車之第、項技術，提供IoT終端達成低延遲與普及運算(Pervasive Computing)更多應用。

化身璞玉計畫一員 提高自身技術含金量

表1所示為各ICT廠商探尋5G和IoT的璞玉技術，除了符合IMT-2020要求外，璞玉技術如果還能讓IoT具備即時普及運算能力，讓百億IoT終端具備感知網路所有功能，又能提升廣播電視、機上盒、Wi-Fi、超高畫質互動式隨選視訊(MoD)、極速有線超寬頻上網服務，此種SEPs不僅眾望所歸又最具潛力。

IoT的眾多展望都採用終端對終端(D2D)通訊，由以上分析得知，RAT加上波形技術極具關鍵，將來有數以億計的無線IoT終端，營運商要用低成本無線寬頻模組建置IoT網路；傳統產業要升級到工業4.0，首要考量也是D2D建置成本，目前低功耗廣域網路(LPWA)符合IoT低成本的要求，要讓LPWA更節能、高效率行動運算(Mobile Computing)、低廉的普及運算，必須寄望3倍頻譜效率的波形技術RAT讓LPWA具備進階無線感知網路(WSN)功能。

此外，另一項重要的議題是Wi-Fi的協同分流，它可輔助IMT-2020達成5G網路節能百倍的要求，Wi-Fi的協同分流也幫助IoT終端在廠區內做高效率的行動運算，因此可提高3倍頻譜效率以上的新Wi-Fi調變技術極為重要，將來行動IoT網路在找尋低廉的中繼寬頻異質網路(HetNet)時，進階版的Wi-Fi協同分流是最佳選擇。

IoT的SEPs未普及前，殺手級應用就無法推廣，IoT的無線模組特色為低功率、低成本、大寬頻、方便即時存取大數據，它具備雙模的行動運算，一為WSN，另一種是中繼節能方式採用5G/進階Wi-Fi。

5G專利紛出籠　陸廠緊追在後

依據歐洲電信標準協會(ETSI)資料庫得知美國、大陸與南韓3國過去4G之SEPs超過60%以上，其中高通、三星(Samsung)與華為握有30%以上的SEPs，台灣至今產官學的SEPs總數量只占全球部的2.2%。畢竟它是上屆4G世界大賽的排名，那本屆5G世界大賽各國實力與排名預測中華隊能不負國人奪牌的期望嗎？答案恐將不樂觀。

NCC主委月前在立院指出台灣5G的SEPs數量遠落後各國的答詢是舊資料，根據世界知識產權組織2014年統計資料得知，當年聯發科加工研院5G專利總數只占當年微軟諾基亞專利總數3%、樂金(LG)的4.8%、三星的10.3%。

過去高通專利深耕在5G各種領域；英特爾(Intel)專利布局著重在毫米波技術。愛立信(Ericsson)專利注重在先進的電波傳輸、諾基亞專利聚焦在先進的網通與網管設備、韓國三星專利重點在大型MIMO天線、索尼(Sony)專利鎖定在先進中繼設備、中興專利放在先進的UDN與自組網路(SON)、華為專利致力在先進的網管與全雙工通訊等等。

新的2016年新的公報顯示大陸已經迎頭趕上各國，在5G專利申請第1至3名依序是華為(3,898件)、高通(2,442件)和中興(2,155件)，中興通訊更連續6年的5G專利申請量位居全球前3名，雖然在SEPs總數落後高通但企圖心強烈。

反觀中華隊要在5G世界大賽奪牌就要立即徵召各隊(投資)，不能只投入基層棒球營扎根(寄望學界)因為比賽即將開打。中華隊野手群眾多棒棒皆強打(聯發科、華碩、鴻海、中華電、宏碁、宏達電、合勤控、中磊、智易、遠傳、台哥大、亞太、研華、凌華、廣達、瑞昱、友訊、正文、明泰、耀登、正崴、英業達、大同、亞旭、聯詠、啟碁等等)，但是現階段缺乏大聯盟強投(5G的SEPs數量)、球隊訓練硬體設備(資本足夠的全新公司)、教練團(5G跨領域經營與研發團隊)。各國強隊成員都是大聯盟大咖，中華5G隊如果不急起直追恐將辜負國人殷切期望。

5G國際標準是強國政治加國際大廠的操作，早在技術開發初期就必須參與很多國際標準組織，「卓越的技術不見得被採納成標準」。將來5G的SEPs數量相較於3G/4G會更少，國際大廠在5G的SEPs優勢早已先搶得先機，未來十幾年台廠還要沈默繳交更大額的專利權利金嗎？過去每支手機整體成本已高達30%的專利權利金(試問台廠毛利多少？)，台灣相關ICT與晶片廠商在2014年度付出的權利金超過30億美元。4G專利權利金除了海削晶片廠商毛利，也痛宰基地台網通設備商，平均專利權利金超過整體網通晶片成本的300%。

5G規格之爭　台灣不可缺席

可預見台灣參與5G的SEPs競爭將會很辛苦，因此台廠各領導高層必須採取不同的戰略面對挑戰，建議徵召各隊菁英組成5G中華隊，各大廠為新設公司之原始股東，讓官方與台廠的資源結合才能顯現成效！

只會呼口號超中日韓趕歐美卻缺乏戰略的結果已可想而知，趕快強化中華隊吧！否則台灣5G的SEPs數量與競爭者的差距將越來越巨大。作者拋磚引玉、直白分析中華隊優劣，藉本文提供ICT與晶片廠商5G與IoT拙見，敬請各界批評指正。