解析通信技術(shù)：3G、4G、5G 背后的科學(xué)意義

智能手機(jī)的問世除了帶動(dòng)移動(dòng)世代的崛起，更加速通訊技術(shù)的革新，在幾年間，資料傳輸率的增加讓使用者享受高速移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)新體驗(yàn)，3G、4G、5G 的議題熱度也始終居高不下，并躍居產(chǎn)官學(xué)研等單位的研究主題。但是一般人對(duì)4G 乃至于5G 的認(rèn)知，就是手機(jī)上網(wǎng)的速度更快，并不了解背后的科學(xué)含意，本文將從不同通訊世代的角度切入，一步步帶領(lǐng)讀者認(rèn)識(shí)這些技術(shù)背后的原理，到底什么是電磁波?什么是頻寬?不同世代的差別又在哪里?

移動(dòng)電話的世代

我們常常聽到廣告說：4G LTE，其中G 代表“世代(Generation)”，4G 代表第四代，是為了與之前的第二代(2G)、第三代(3G)移動(dòng)電話做出區(qū)隔，我們以目前全球市占率最高的歐洲系統(tǒng)來說明，這也是目前臺(tái)灣所使用的系統(tǒng)：

· 第二代移動(dòng)電話(2G)：GSM 系統(tǒng)只支持線路交換(注)的語音通道，主要透過語音通道打電話與傳送簡(jiǎn)訊，GPRS 系統(tǒng)支持封包交換因此可以上網(wǎng)，但是由于利用語音通道傳送資料封包，因此上網(wǎng)的速度很慢。

· 第三代移動(dòng)電話(3G)：UMTS 系統(tǒng)支持封包交換(注)，可以用更快的速度上網(wǎng)，由于3G 的手機(jī)同時(shí)支持2G ，因此當(dāng)我們使用3G 的手機(jī)講電話或傳簡(jiǎn)訊時(shí)，其實(shí)是使用GSM 系統(tǒng)的語音通道來完成。

· 第四代移動(dòng)電話(4G)：LTE / LTE-A 系統(tǒng)支持封包交換，可以用更快的速度上網(wǎng)，由于4G 的手機(jī)大多同時(shí)支持3G 與2G，因此在手機(jī)找不到LTE 基地臺(tái)時(shí)仍然會(huì)以UMTS 基地臺(tái)上網(wǎng)，講電話或傳簡(jiǎn)訊時(shí)仍然是使用GSM 系統(tǒng)的語音通道來完成。

其實(shí)4G 使用的LTE 系統(tǒng)由于資料傳輸率很高，可以直接將語音資料切割成封包來傳送，原理就和Skype 網(wǎng)絡(luò)電話一樣，可以讓音質(zhì)更好，但是封包交換通常費(fèi)用是以資料傳輸率來計(jì)算，等于使用者講再久費(fèi)用都一樣，對(duì)電信公司來說如何收到更多錢是個(gè)問題;反觀線路交換是計(jì)時(shí)收費(fèi)，電信公司能夠賺到更多錢，因此目前臺(tái)灣大部份電信公司的4G LTE 提供講電話或傳簡(jiǎn)訊時(shí)，仍然是使用GSM 系統(tǒng)的語音通道來完成。

頻寬的科學(xué)含意

一般人對(duì)通訊世代的認(rèn)知就是愈后面的世代表示頻寬(Bandwidth)愈寬，頻寬就好像高速公路，頻寬愈寬就好像高速公路愈寛(車道愈多)，代表行車速度愈快，也就是通訊時(shí)資料傳輸率愈高;再講簡(jiǎn)單一點(diǎn)，就是手機(jī)上網(wǎng)的速度更快，這樣的觀念是對(duì)的，但是這種認(rèn)知是不科學(xué)的，要解釋頻寬，我們需要從電磁波說起。

無線通訊傳遞媒介：電磁波

電磁波(Electromagnetic wave)是由互相垂直的“電場(chǎng) (Electric field)”與“磁場(chǎng)(Magnetic field)”交互作用而產(chǎn)生的一種“能量(Energy)”，這種能量在前進(jìn)的時(shí)候就像水波一樣會(huì)依照一定的頻率不停地振動(dòng)，如圖一(a)所示。電磁波每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)是“頻率(Frequency) ”，單位為“赫茲(Hz)”，假設(shè)某一個(gè)電磁波一秒鐘振動(dòng)2 次，則頻率為2Hz，如圖一(b)所示;一秒鐘振動(dòng)4，則頻率為4Hz，如圖一(c)所示，例如：無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(Wi-Fi)與藍(lán)牙(Bluetooth)的通訊頻率為2.4GHz，意思就是它使用的電磁波每秒鐘振動(dòng)24 億次(在這里G 的意思是Giga，也就是 Billion，代表10 億，不是前面 3G、4G、5G 的那個(gè)G)。

▲ 圖一：電磁波的定義。(a)電磁波是由彼此互相垂直的電場(chǎng)與磁場(chǎng)交互作用而產(chǎn)生的能量;(b)每秒鐘振動(dòng)2 次則頻率為2Hz;(c)每秒鐘振動(dòng)4 次則頻率為4Hz。

宇宙里自然存在的所有電磁波如圖二(a)所示，我們稱為“電磁波頻譜(Spectrum) ”，由圖中可以看出中間的部分是光(Light)，包括：紅外光(Infrared，IR)、可見光(人類肉眼可以看見的光)、紫外光(Ultraviolet，UV)，因此光是一種電磁波;右邊為頻率更高(能量更高)的電磁波;左邊為頻率更低(能量更低)的電磁波，由于頻率較低的電磁波比較安全，而且具有良好的繞射特性，因此適合用來做為無線通訊使用。

▲ 圖二：電磁波頻譜與應(yīng)用。(a)電磁波頻譜;(b) 通訊電磁波頻譜。

目前用來做為無線通訊的電磁波如圖二(b)所示，包括：

· 頻率大約100G~1GHz 的電磁波：通常應(yīng)用在衛(wèi)星通訊、衛(wèi)星定位、雷達(dá)與微波通訊等，而頻率30GHz 以上(相當(dāng)于波長(zhǎng)10 毫米以下)的電磁波稱為“毫米波(Millimeter Wave)”，目前有公司計(jì)劃應(yīng)用在5G 的通訊系統(tǒng)中。

· 頻率大約100M~1MHz 的電磁波：通常應(yīng)用在無線電視、移動(dòng)通訊(GSM / GPRS)、調(diào)幅廣播(AM)、業(yè)余無線電、調(diào)頻廣播(FM)等。

· 頻率大約100K~1KHz 的電磁波：通常應(yīng)用在航空無線電、海底電纜、電話與電報(bào)等。

無線通訊傳遞通道：頻寬

頻寬(Bandwidth)是用來傳遞信號(hào)的“頻率范圍”，單位與頻率相同為“赫茲(Hz)”，而且每一對(duì)通訊使用者必須使用“不同的頻率范圍”來通話，假設(shè)：

甲和乙使用頻率900~900.2MHz 的電磁波通話(頻寬900.2-900=0.2MHz);

丙和丁使用頻率900.2~900.4MHz 的電磁波通話(頻寬900.4-900.2=0.2MHz);

此時(shí)我們說這個(gè)通訊系統(tǒng)的語音通道頻寬為0.2MHz。

手機(jī)并不會(huì)分辨到底是誰和誰在通話，而是接收某一個(gè)“頻率范圍(頻寬)”的電磁波信號(hào)，因此甲與乙通話時(shí)手機(jī)都接收頻率900~900.2MHz 的電磁波，丙與丁通話時(shí)手機(jī)都接收頻率900.2~900.4MHz 的電磁波，換句話說，所有的通訊元件都是“只認(rèn)頻率不認(rèn)人”，而且相同頻率范圍的電磁波只能使用一次，不能重覆使用，否則會(huì)互相干擾。

頻寬與資料傳輸率的差異

“頻寬(Bandwidth)”與“資料傳輸率(Data rate)”的意義很類似，常常讓我們混淆，這里簡(jiǎn)單說明它們之間的差別：

· 頻寬(Bandwidth)是模擬通訊使用的名詞：由圖一可以看出，電磁波是一種連續(xù)的波動(dòng)能量，既然是連續(xù)的當(dāng)然一定是模擬信號(hào)，因此“頻寬(Bandwidth)”和它的單位“赫茲(Hz)”指的都是電磁波的物理特性。

· 資料傳輸率(Data rate)是數(shù)碼通訊使用的名詞：手機(jī)會(huì)先將我們講話的聲音(連續(xù)的模擬信號(hào))先轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的0 與1 兩種數(shù)碼信號(hào)，再經(jīng)由天線傳送出去。資料傳輸率的單位“每秒位數(shù)(bps：bit per second)”，代表每秒可以傳送幾個(gè)位，也就是每秒可以傳送幾個(gè)0 或1，例如：1Gbps(1G = 10 億)代表每秒可以傳送10 億個(gè)位(10 億個(gè)0 或1)。

資料傳輸率是數(shù)碼通訊時(shí)實(shí)際傳送每個(gè)位資料的速率，重點(diǎn)是數(shù)碼信號(hào)讓我們可以利用不同的調(diào)變與多工技術(shù)，使相同頻寬的介質(zhì)具有更高的資料傳輸率，這就是目前許多新的通訊技術(shù)，例如：3G 使用的WCDMA、4G 使用的OFDM 等被發(fā)明出來的原因，后面會(huì)再詳細(xì)說明。

最后提醒大家，我們到中華電信申請(qǐng)的ADSL 是屬于數(shù)碼通訊，因此要選擇10Mbps、100Mbps 指的其實(shí)都是“資料傳輸率”，不應(yīng)該說是“頻寬”，下回別再用錯(cuò)名詞啰!

注：線路交換與封包交換

線路交換(Circuit switch)：是指?jìng)魉投伺c接收端之間先建立一條專用的連線再進(jìn)行通訊，傳統(tǒng)的“語音通信(Telecom)”都是屬于線路交換，例如：國(guó)內(nèi)電話與國(guó)際電話、移動(dòng)電話等在通話之前都必須先撥號(hào)，等交換機(jī)將電話接通之后才能通話，就是使用線路交換的方式，通常費(fèi)用是以“使用時(shí)間”計(jì)算，例如：撥打市內(nèi)電話或移動(dòng)電話，使用愈久費(fèi)用愈高。

封包交換(Packet switch)：是指?jìng)魉投伺c接收端之間共用一條線路，必須先將要傳送的資料切割成許多較小的“封包(Packet)”再進(jìn)行通訊，目前的“資料通信(Datacom)”都是屬于封包交換，使用者要傳送的資料愈多，則封包數(shù)目愈多，傳送的時(shí)間愈長(zhǎng)，電腦網(wǎng)絡(luò)在通訊之前并不需要撥號(hào)，只要將網(wǎng)絡(luò)線連接即可使用，就是使用封包交換的方式，通常費(fèi)用是以“資料傳輸率”來計(jì)算，例如：中華電信的ADSL，不同資料傳輸率費(fèi)用不同，但是使用時(shí)間沒有限制。