解析通讯技术:3G.4G.5G背后的科学意义

wukiaozi

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）是用来传递讯号的“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）”的电磁波讯号，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）是类比通讯使用的名词：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类比讯号，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（连续的类比讯号）先转换成不连续的 0 与 1 两种数码讯号，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，重点是数码讯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。

（首图来源：Flickr/Taichiro Ueki CC BY 2.0）本文来源:科技新报作者 Dr. J