解析通讯技术：3G、4G、5G 背后的科学意义（上）

　　智能手机的问世除了带动移动世代的崛起，更加速通讯技术的革新，在几年间，资料传输率的增加让使用者享受高速移动网络新体验，3G、4G、5G 的议题热度也始终居高不下，并跃居产官学研等单位的研究主题。但是一般人对4G 乃至于5G 的认知，就是手机上网的速度更快，并不了解背后的科学含意，本文将从不同通讯世代的角度切入，一步步带领读者认识这些技术背后的原理，到底什么是电磁波?什么是频宽?不同世代的差别又在哪里?

　　移动电话的世代

　　我们常常听到广告说：4G LTE，其中G 代表“世代(Generation)”，4G 代表第四代，是为了与之前的第二代(2G)、第三代(3G)移动电话做出区隔，我们以目前全球市占率最高的欧洲系统来说明，这也是目前台湾所使用的系统：

　　· 第二代移动电话(2G)：GSM 系统只支持线路交换(注)的语音通道，主要透过语音通道打电话与传送简讯，GPRS 系统支持封包交换因此可以上网，但是由于利用语音通道传送资料封包，因此上网的速度很慢。

　　· 第三代移动电话(3G)：UMTS 系统支持封包交换(注)，可以用更快的速度上网，由于3G 的手机同时支持2G ，因此当我们使用3G 的手机讲电话或传简讯时，其实是使用GSM 系统的语音通道来完成。

　　· 第四代移动电话(4G)：LTE / LTE-A 系统支持封包交换，可以用更快的速度上网，由于4G 的手机大多同时支持3G 与2G，因此在手机找不到LTE 基地台时仍然会以UMTS 基地台上网，讲电话或传简讯时仍然是使用GSM 系统的语音通道来完成。

　　其实4G 使用的LTE 系统由于资料传输率很高，可以直接将语音资料切割成封包来传送，原理就和Skype 网络电话一样，可以让音质更好，但是封包交换通常费用是以资料传输率来计算，等于使用者讲再久费用都一样，对电信公司来说如何收到更多钱是个问题;反观线路交换是计时收费，电信公司能够赚到更多钱，因此目前台湾大部份电信公司的4G LTE 提供讲电话或传简讯时，仍然是使用GSM 系统的语音通道来完成。

　　频宽的科学含意

　　一般人对通讯世代的认知就是愈后面的世代表示频宽(Bandwidth)愈宽，频宽就好像高速公路，频宽愈宽就好像高速公路愈寛(车道愈多)，代表行车速度愈快，也就是通讯时资料传输率愈高;再讲简单一点，就是手机上网的速度更快，这样的观念是对的，但是这种认知是不科学的，要解释频宽，我们需要从电磁波说起。

　　无线通讯传递媒介：电磁波

　　电磁波(Electromagnetic wave)是由互相垂直的“电场(Electric field)”与“磁场(Magnetic field)”交互作用而产生的一种“能量(Energy)”，这种能量在前进的时候就像水波一样会依照一定的频率不停地振动，如图一(a)所示。电磁波每秒钟振动的次数是“频率(Frequency) ”，单位为“赫兹(Hz)”，假设某一个电磁波一秒钟振动2 次，则频率为2Hz，如图一(b)所示;一秒钟振动4，则频率为4Hz，如图一(c)所示，例如：无线区域网络(Wi-Fi)与蓝牙(Bluetooth)的通讯频率为2.4GHz，意思就是它使用的电磁波每秒钟振动24 亿次(在这里G 的意思是Giga，也就是Billion，代表10 亿，不是前面 3G、4G、5G 的那个G)。

　　▲ 图一：电磁波的定义。(a)电磁波是由彼此互相垂直的电场与磁场交互作用而产生的能量;(b)每秒钟振动2 次则频率为2Hz;(c)每秒钟振动4 次则频率为4Hz。

　　宇宙里自然存在的所有电磁波如图二(a)所示，我们称为“电磁波频谱(Spectrum) ”，由图中可以看出中间的部分是光(Light)，包括：红外光(Infrared，IR)、可见光(人类肉眼可以看见的光)、紫外光(Ultraviolet，UV)，因此光是一种电磁波;右边为频率更高(能量更高)的电磁波;左边为频率更低(能量更低)的电磁波，由于频率较低的电磁波比较安全，而且具有良好的绕射特性，因此适合用来做为无线通讯使用。

　　▲ 图二：电磁波频谱与应用。(a)电磁波频谱;(b) 通讯电磁波频谱。

　　目前用来做为无线通讯的电磁波如图二(b)所示，包括：

　　· 频率大约100G~1GHz 的电磁波：通常应用在卫星通讯、卫星定位、雷达与微波通讯等，而频率30GHz 以上(相当于波长10 毫米以下)的电磁波称为“毫米波(Millimeter Wave)”，目前有公司计划应用在5G 的通讯系统中。

　　· 频率大约100M~1MHz 的电磁波：通常应用在无线电视、移动通讯(GSM / GPRS)、调幅广播(AM)、业余无线电、调频广播(FM)等。

　　· 频率大约100K~1KHz 的电磁波：通常应用在航空无线电、海底电缆、电话与电报等。

　　无线通讯传递通道：频宽

　　频宽(Bandwidth)是用来传递信号的“频率范围”，单位与频率相同为“赫兹(Hz)”，而且每一对通讯使用者必须使用“不同的频率范围”来通话，假设：

　　甲和乙使用频率900~900.2MHz 的电磁波通话(频宽900.2-900=0.2MHz);

　　丙和丁使用频率900.2~900.4MHz 的电磁波通话(频宽900.4-900.2=0.2MHz);

　　此时我们说这个通讯系统的语音通道频宽为0.2MHz。

　　手机并不会分辨到底是谁和谁在通话，而是接收某一个“频率范围(频宽)”的电磁波信号，因此甲与乙通话时手机都接收频率900~900.2MHz 的电磁波，丙与丁通话时手机都接收频率900.2~900.4MHz 的电磁波，换句话说，所有的通讯元件都是“只认频率不认人”，而且相同频率范围的电磁波只能使用一次，不能重覆使用，否则会互相干扰。

　　频宽与资料传输率的差异

　　“频宽(Bandwidth)”与“资料传输率(Data rate)”的意义很类似，常常让我们混淆，这里简单说明它们之间的差别：

　　· 频宽(Bandwidth)是模拟通讯使用的名词：由图一可以看出，电磁波是一种连续的波动能量，既然是连续的当然一定是模拟信号，因此“频宽(Bandwidth)”和它的单位“赫兹(Hz)”指的都是电磁波的物理特性。

　　· 资料传输率(Data rate)是数码通讯使用的名词：手机会先将我们讲话的声音(连续的模拟信号)先转换成不连续的0 与1 两种数码信号，再经由天线传送出去。资料传输率的单位“每秒位数(bps：bit per second)”，代表每秒可以传送几个位，也就是每秒可以传送几个0 或1，例如：1Gbps(1G = 10 亿)代表每秒可以传送10 亿个位(10 亿个0 或1)。

　　资料传输率是数码通讯时实际传送每个位资料的速率，重点是数码信号让我们可以利用不同的调变与多工技术，使相同频宽的介质具有更高的资料传输率，这就是目前许多新的通讯技术，例如：3G 使用的WCDMA、4G 使用的OFDM 等被发明出来的原因，后面会再详细说明。

　　最后提醒大家，我们到中华电信申请的ADSL 是属于数码通讯，因此要选择10Mbps、100Mbps 指的其实都是“资料传输率”，不应该说是“频宽”，下回别再用错名词啰!

　　注：线路交换与封包交换

　　线路交换(Circuit switch)：是指传送端与接收端之间先建立一条专用的连线再进行通讯，传统的“语音通信(Telecom)”都是属于线路交换，例如：国内电话与国际电话、移动电话等在通话之前都必须先拨号，等交换机将电话接通之后才能通话，就是使用线路交换的方式，通常费用是以“使用时间”计算，例如：拨打市内电话或移动电话，使用愈久费用愈高。

　　封包交换(Packet switch)：是指传送端与接收端之间共用一条线路，必须先将要传送的资料切割成许多较小的“封包(Packet)”再进行通讯，目前的“资料通信(Datacom)”都是属于封包交换，使用者要传送的资料愈多，则封包数目愈多，传送的时间愈长，电脑网络在通讯之前并不需要拨号，只要将网络线连接即可使用，就是使用封包交换的方式，通常费用是以“资料传输率”来计算，例如：中华电信的ADSL，不同资料传输率费用不同，但是使用时间没有限制。