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解析通讯技术:3G、4G、5G 背后的科学意义(上)

解析通讯技术:3G、4G、5G 背后的科学意义(上)

智慧型手机的问世除了带动行动世代的崛起,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行动网路新体验,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,到底什幺是电磁波?什幺是频宽?不同世代的差别又在哪里?

行动电话的世代

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)行动电话做出区隔,我们以目前全球市佔率最高的欧洲系统来说明,这也是目前台湾所使用的系统:

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 网路电话一样,而且由于取样频率更高,因此音质更好,称为「VoLTE(Voice over LTE)」,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系统仍然没有使用这种方式。

注:上面是针对3G、4G、5G通讯系统的简单描述,由于手机世代的进步很快,系统随时都在更新,每一家电信公司的系统又不一定完全相同,因此会与上面的描述有落差,有兴趣的人可以向自己的手机系统业者询问细节。

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 次,则频率为 4Hz,如图一(c)所示,例如:无线区域网路(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)。

解析通讯技术:3G、4G、5G 背后的科学意义(上)

 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。

解析通讯技术:3G、4G、5G 背后的科学意义(上) 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:

无线通讯传递通道:频宽

频宽(Bandwidth)是用来传递讯号的「频率範围」,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「不同的频率範围」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「频率範围(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」,而且相同频率範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:

资料传输率是数位通讯时实际传送每个位元资料的速率,重点是数位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 是属于数位通讯,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、行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:拨打市内电话或行动电话,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,电脑网路在通讯之前并不需要拨号,只要将网路线连接即可使用,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。