解析通訊技術:3G、4G、5G 背後的科學意義(上)

作者 | 發布日期 2015 年 10 月 06 日 14:58 | 分類 手機 , 科技教育 , 精選 follow us in feedly

智慧型手機的問世除了帶動行動世代的崛起,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行動網路新體驗,3G、4G、5G 的議題熱度也始終居高不下,並躍居產官學研等單位的研究主題。但是一般人對 4G 乃至於 5G 的認知,就是手機上網的速度更快,並不了解背後的科學含意,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後的原理,到底什麼是電磁波?什麼是頻寬?不同世代的差別又在哪裡?



行動電話的世代

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)行動電話做出區隔,我們以目前全球市佔率最高的歐洲系統來說明,這也是目前台灣所使用的系統:

  • 第二代行動電話(2G):GSM 系統只支援線路交換(註)的語音通道,主要透過語音通道打電話與傳送簡訊,GPRS 系統支援封包交換因此可以上網,但是由於利用語音通道傳送資料封包,因此上網的速度很慢。
  • 第三代行動電話(3G):UMTS 系統支援封包交換(註),可以用更快的速度上網,由於 3G 的手機同時支援 2G ,因此當我們使用 3G 的手機講電話或傳簡訊時,仍然可以使用 GSM 系統的語音通道來完成。
  • 第四代行動電話(4G):LTE / LTE-A 系統支援封包交換,可以用更快的速度上網,由於 4G 的手機大多同時支援 3G 與 2G,因此在手機找不到 LTE 基地台時仍然會以 UMTS 基地台上網,講電話或傳簡訊時仍然可以使用 GSM 系統的語音通道來完成。

其實 4G 使用的 LTE 系統由於資料傳輸率很高,可以直接將語音資料切割成封包來傳送,原理就和 Skype 網路電話一樣,而且由於取樣頻率更高,因此音質更好,稱為「VoLTE(Voice over LTE)」,但是封包交換通常費用是以資料傳輸率來計算,等於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,因此目前台灣大部份電信公司的 4G LTE系統仍然沒有使用這種方式。

註:上面是針對3G、4G、5G通訊系統的簡單描述,由於手機世代的進步很快,系統隨時都在更新,每一家電信公司的系統又不一定完全相同,因此會與上面的描述有落差,有興趣的人可以向自己的手機系統業者詢問細節。

頻寬的科學含意

一般人對通訊世代的認知就是愈後面的世代表示頻寬(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 次,則頻率為 4Hz,如圖一(c)所示,例如:無線區域網路(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(在這裡 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)。

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▲ 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。

宇宙裡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,由於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。

曲老師

▲ 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:通常應用在衛星通訊、衛星定位、雷達與微波通訊等,而頻率 30GHz 以上(相當於波長 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、行動通訊(GSM / GPRS)、調幅廣播(AM)、業餘無線電、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)是用來傳遞訊號的「頻率範圍」,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「不同的頻率範圍」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。

手機並不會分辨到底是誰和誰在通話,而是接收某一個「頻率範圍(頻寬)」的電磁波訊號,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」,而且相同頻率範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,這裡簡單說明它們之間的差別:

  • 頻寬(Bandwidth)是類比通訊使用的名詞:由圖一可以看出,電磁波是一種連續的波動能量,既然是連續的當然一定是類比訊號,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)是數位通訊使用的名詞:手機會先將我們講話的聲音(連續的類比訊號)先轉換成不連續的 0 與 1 兩種數位訊號,再經由天線傳送出去。資料傳輸率的單位「每秒位元數(bps:bit per second)」,代表每秒可以傳送幾個位元,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 億個位元(10 億個 0 或 1)。

資料傳輸率是數位通訊時實際傳送每個位元資料的速率,重點是數位訊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 等被發明出來的原因,後面會再詳細說明。

最後提醒大家,我們到中華電信申請的 ADSL 是屬於數位通訊,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」,下回別再用錯名詞囉!

註: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)」都是屬於線路交換,例如:國內電話與國際電話、行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後才能通話,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:撥打市內電話或行動電話,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)」都是屬於封包交換,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,電腦網路在通訊之前並不需要撥號,只要將網路線連接即可使用,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。

(首圖來源:Flickr/Taichiro Ueki CC BY 2.0)

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