解析通訊技術：3G、4G、5G 背后的科學意義（上）

　　智能手機的問世除了帶動移動世代的崛起，更加速通訊技術的革新，在幾年間，資料傳輸率的增加讓使用者享受高速移動網絡新體驗，3G、4G、5G 的議題熱度也始終居高不下，并躍居產官學研等單位的研究主題。但是一般人對4G 乃至于5G 的認知，就是手機上網的速度更快，并不了解背后的科學含意，本文將從不同通訊世代的角度切入，一步步帶領讀者認識這些技術背后的原理，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)移動電話做出區(qū)隔，我們以目前全球市占率最高的歐洲系統來說明，這也是目前臺灣所使用的系統：

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

　　· 第三代移動電話(3G)：UMTS 系統支持封包交換(注)，可以用更快的速度上網，由于3G 的手機同時支持2G ，因此當我們使用3G 的手機講電話或傳簡訊時，其實是使用GSM 系統的語音通道來完成。

　　· 第四代移動電話(4G)：LTE / LTE-A 系統支持封包交換，可以用更快的速度上網，由于4G 的手機大多同時支持3G 與2G，因此在手機找不到LTE 基地臺時仍然會以UMTS 基地臺上網，講電話或傳簡訊時仍然是使用GSM 系統的語音通道來完成。

　　其實4G 使用的LTE 系統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 網絡電話一樣，可以讓音質更好，但是封包交換通常費用是以資料傳輸率來計算，等于使用者講再久費用都一樣，對電信公司來說如何收到更多錢是個問題;反觀線路交換是計時收費，電信公司能夠賺到更多錢，因此目前臺灣大部份電信公司的4G LTE 提供講電話或傳簡訊時，仍然是使用GSM 系統的語音通道來完成。

　　頻寬的科學含意

　　一般人對通訊世代的認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，也就是通訊時資料傳輸率愈高;再講簡單一點，就是手機上網的速度更快，這樣的觀念是對的，但是這種認知是不科學的，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(Electric field)”與“磁場(Magnetic field)”交互作用而產生的一種“能量(Energy)”，這種能量在前進的時候就像水波一樣會依照一定的頻率不停地振動，如圖一(a)所示。電磁波每秒鐘振動的次數是“頻率(Frequency) ”，單位為“赫茲(Hz)”，假設某一個電磁波一秒鐘振動2 次，則頻率為2Hz，如圖一(b)所示;一秒鐘振動4，則頻率為4Hz，如圖一(c)所示，例如：無線區(qū)域網絡(Wi-Fi)與藍牙(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G)。

　　▲ 圖一：電磁波的定義。(a)電磁波是由彼此互相垂直的電場與磁場交互作用而產生的能量;(b)每秒鐘振動2 次則頻率為2Hz;(c)每秒鐘振動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：通常應用在衛(wèi)星通訊、衛(wèi)星定位、雷達與微波通訊等，而頻率30GHz 以上(相當于波長10 毫米以下)的電磁波稱為“毫米波(Millimeter Wave)”，目前有公司計劃應用在5G 的通訊系統中。

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

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

　　無線通訊傳遞通道：頻寬

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

　　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);

　　此時我們說這個通訊系統的語音通道頻寬為0.2MHz。

　　手機并不會分辨到底是誰和誰在通話，而是接收某一個“頻率范圍(頻寬)”的電磁波信號，因此甲與乙通話時手機都接收頻率900~900.2MHz 的電磁波，丙與丁通話時手機都接收頻率900.2~900.4MHz 的電磁波，換句話說，所有的通訊元件都是“只認頻率不認人”，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)的波動能量，既然是連續(xù)的當然一定是模擬信號，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)是數碼通訊使用的名詞：手機會先將我們講話的聲音(連續(xù)的模擬信號)先轉換成不連續(xù)的0 與1 兩種數碼信號，再經由天線傳送出去。資料傳輸率的單位“每秒位數(bps：bit per second)”，代表每秒可以傳送幾個位，也就是每秒可以傳送幾個0 或1，例如：1Gbps(1G = 10 億)代表每秒可以傳送10 億個位(10 億個0 或1)。

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

　　最后提醒大家，我們到中華電信申請的ADSL 是屬于數碼通訊，因此要選擇10Mbps、100Mbps 指的其實都是“資料傳輸率”，不應該說是“頻寬”，下回別再用錯名詞啰!

　　注：線路交換與封包交換

　　線路交換(Circuit switch)：是指傳送端與接收端之間先建立一條專用的連線再進行通訊，傳統的“語音通信(Telecom)”都是屬于線路交換，例如：國內電話與國際電話、移動電話等在通話之前都必須先撥號，等交換機將電話接通之后才能通話，就是使用線路交換的方式，通常費用是以“使用時間”計算，例如：撥打市內電話或移動電話，使用愈久費用愈高。

　　封包交換(Packet switch)：是指傳送端與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，則封包數目愈多，傳送的時間愈長，電腦網絡在通訊之前并不需要撥號，只要將網絡線連接即可使用，就是使用封包交換的方式，通常費用是以“資料傳輸率”來計算，例如：中華電信的ADSL，不同資料傳輸率費用不同，但是使用時間沒有限制。