3G4G5G背后的科學意義

3G4G5G背后的科學意義智能手機的問世除了帶動移動世代的崛起，更加速通信技術的革新，在幾年間，數(shù)據(jù)傳輸率的增加讓用戶享受高速移動網(wǎng)絡新體驗，3G、4G、5G的議題熱度也始終居高不下。但是一般人對4G乃至于5G的認知，就是手機上網(wǎng)的速度更快，并不了解背后的科學含意，本文將從不同通信時代的角度切入，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？什么是帶寬？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：4GLTE，其中G代表「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(tǒng)來說明：第二代移動電話（2G）：GSM系統(tǒng)只支持線路交換（注）的語音信道，主要通過語音信道打電話與傳送短信，GPRS系統(tǒng)支持分組交換因此可以上網(wǎng)，但是由于利用語音信道傳送數(shù)據(jù)封包，因此上網(wǎng)的速度很慢。第三代移動電話（3G）：UMTS系統(tǒng)支持分組交換（注），可以用更快的速度上網(wǎng)，由于3G的手機同時支持2G，因此當我們使用3G的手機講電話或發(fā)短信時，其實是使用GSM系統(tǒng)的語音信道來完成。第四代移動電話（4G）：LTE/LTE-A系統(tǒng)支持分組交換，可以用更快的速度上網(wǎng)，由于4G的手機大多同時支持3G與2G，因此在手機找不到LTE基站時仍然會以UMTS基站上網(wǎng)，講電話或發(fā)短信時仍然是使用GSM系統(tǒng)的語音信道來完成。其實4G使用的LTE系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)傳輸率很高，可以直接將語音數(shù)據(jù)切割成封包來傳送，原理就和Skype網(wǎng)絡電話一樣，可以讓音質(zhì)更好，但是分組交換通常費用是以數(shù)據(jù)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，因此目前大部份電信公司的4GLTE提供講電話或發(fā)短信時，仍然是使用GSM系統(tǒng)的語音信道來完成。帶寬的科學含意一般人對通信世代的認知就是越后面的世代表示帶寬(Bandwidth)越寬，帶寬就好像高速公路，帶寬越寬就好像高速公路越寬(車道越多)，代表行車速度越快，也就是通信時數(shù)據(jù)傳輸率越高；再講簡單一點，就是手機上網(wǎng)的速度更快，這樣的觀念是對的，但是這種認知是不科學的，要解釋帶寬，我們需要從電磁波說起。無線通信傳遞媒介：電磁波電磁波(Electromagneticwave)是由互相垂直的「電場(Electricfield)」與「磁場(Magneticfield)」交互作用而產(chǎn)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1(a)所示。電磁波每秒鐘振動的次數(shù)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1(b)所示；一秒鐘振動4次，則頻率為4Hz，如圖1(c)所示，例如：無線局域網(wǎng)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)。

M(Electricfield)磁埸(Magnetic旭Id)雷磁波(Etectromagneticwave)圖1：電磁波的定義振勒第1次振勤第2表第1M(Electricfield)磁埸(Magnetic旭Id)雷磁波(Etectromagneticwave)圖1：電磁波的定義振勒第1次振勤第2表第1次第2茨第3炎第4賣旗率二號直率=4Hz宇宙里自然存在的所有電磁波如圖2(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信使用。通^雷和波融^伽）光^通m

照^通m通^雷和波融^伽）光^通m

照^通m圖2：電磁波頻譜與應用。（a）電磁波頻譜;（b）通信電磁波頻譜。目前用來做為無線通信的電磁波如圖2（b）所示，包括:1）頻率大約100G~1GHz的電磁波：通常應用在衛(wèi)星通信、衛(wèi)星定位、雷達與微波通信等，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（MillimeterWave）」，目前有公司計劃應用在5G的通信系統(tǒng)中。2）頻率大約100M~1MHz的電磁波:通常應用在無線電視、移動通信（GSM/GPRS）、調(diào)幅廣播（AM）、業(yè)余無線電、調(diào)頻廣播（FM）等。3）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。無線通信傳遞通道：帶寬帶寬（Bandwidth）是用來傳遞信號的「頻率范圍」，單位與頻率相同為「赫茲（Hz）」，而且每一對通信用戶必須使用「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（帶寬900.2-900=0.2MHz）；丙和丁使用頻率900.2~900.4MHz的電磁波通話（帶寬900.4-900.2=0.2MHz）；此時我們說這個通信系統(tǒng)的語音信道帶寬為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(帶寬)」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，所有的通訊組件都是「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，不能重復使用，否則會互相干擾。帶寬與數(shù)據(jù)傳輸率的差異「帶寬(Bandwidth)」與「數(shù)據(jù)傳輸率(Datarate)」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：1)帶寬(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「帶寬(Bandwidth)」和它的單位「赫茲(Hz)」指的都是電磁波的物理特性。2)數(shù)據(jù)傳輸率(Datarate)是數(shù)字通訊使用的名詞：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(shù)字信號，再經(jīng)由天線傳送出去。數(shù)據(jù)傳輸率的單位「每秒位數(shù)(bps：bitpersecond)」，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)。數(shù)據(jù)傳輸率是數(shù)字通訊時實際傳送每個位數(shù)據(jù)的速率，重點是數(shù)字信號讓我們可以利用不同的調(diào)變與多任務技術，使相同帶寬的介質(zhì)具有更高的數(shù)據(jù)傳輸率，這就是目前許多新的通信技術，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。在前文中，我們了解到無線通信的頻譜有限，分配非常嚴格，相同帶寬的電磁波只能使用一次，例如2G的GSM900系統(tǒng)使用頻率范圍890~960MHz，則其他的無線通信就不能再使用這個頻率范圍，否則會互相干擾。為了解決僧多粥少的難題，工程師研發(fā)出許多技術，來擴增頻譜的使用率，例如TDMA、FDAM、CDMA、OFDM，而在這些復雜技術的背后，只要能掌握兩個基本概念，就能了解整個通訊技術的發(fā)展關鍵。這兩個基本概念為「調(diào)制技術」（Modulation）與「多任務技術」（Multiplex）。其中調(diào)制技術是將模擬電磁波調(diào)變成不同的波形，來代表0與1兩種不同的數(shù)字信號，這樣才能利用天線傳送到很遠的地方（這里只談數(shù)字調(diào)制技術，不討論早期的AM、FM這種模擬調(diào)制技術）。多任務技術則是將電磁波區(qū)分給不同的使用者使用，由于手機必須設計給所有的人使用，當每支手機都把電磁波丟到空中，該如何區(qū)分那個電磁波是誰的呢？數(shù)字調(diào)制技術（Digitalmodulation）現(xiàn)在的手機是屬于「數(shù)字通訊」，也就是我們講話的聲音（連續(xù)的模擬信號），先由手機轉換成不連續(xù)的0與1兩種數(shù)字信號，再經(jīng)由數(shù)字調(diào)變轉換成電磁波（模擬信號載著數(shù)字信號），最后從天線傳送出去，原理如圖3所示。圖3：數(shù)字通訊示意圖電磁波是連續(xù)的能量，如何利用電磁波替我們傳送這些0與1的數(shù)字信號呢？因此科學家發(fā)明了下列4種數(shù)字調(diào)制技術：振幅位移鍵送（ASK）:利用電磁波的「振幅大小」載著數(shù)字信號（0與1）傳送出去，振幅小代表0,振幅大代表1,圖4（a）所示。頻率位移鍵送（FSK）:利用電磁波的「頻率高低」載著數(shù)字信號（0與1）傳送出去，頻率低代表0,頻率高代表1,圖4（b）所示。相位位移鍵送（PSK）:利用電磁波的「相位不同（波形不同）」載著數(shù)字信號（0與1）傳送出去，相位0°代表0,相位180°代表1,圖4（c）所示。正交振幅調(diào)制（QAM）:同時利用電磁波的「振幅大小」與「相位不同（波形不同）」載著數(shù)字信號（0與1）傳送出去，這個圖形比較復雜有興趣的人可以參考這里。原姓始鼓摭帽也移崔送晦率位移鋰槌相勺宜移耘送圖4：數(shù)字信號調(diào)制技術(a)ASK：振幅小代表0振幅大代表1;（b）FSK：頻率低代表0頻率高代表1；（c）PSK：相位0°代表0，相位180°代表1。原姓始鼓摭帽也移崔送晦率位移鋰槌相勺宜移耘送圖4：數(shù)字信號調(diào)制技術(a)ASK：振幅小代表0振幅大代表1;（b）FSK：頻率低代表0頻率高代表1；數(shù)字調(diào)制技術的優(yōu)點包括可以偵錯與除錯、可以壓縮與解壓縮、可以加密與解密、更好的抗噪聲能力等，我們所使用手機2G的GSM/GPRS、3G的UMTS、4G的LTE/LTE-A、無線局域網(wǎng)絡（Wi-Fi）、藍牙（Bluetooth）等都是使用數(shù)字調(diào)制，顯然數(shù)字通訊是發(fā)展的趨勢。傳送端將數(shù)字信號（0與1）轉變成不同的電磁波波形稱為「調(diào)制（Modulation）J；同理，接收端將不同的電磁波波形還原成數(shù)字信號（0與1）稱為「解調(diào)（Demodulation）J，所有的通訊裝置一般都必須同時支持傳送（調(diào)制）與接收（解調(diào)），因此科學家把負責調(diào)制與解調(diào)的組件稱為「調(diào)制解調(diào)器」，英文就把FModulationJ與「DemodulationJ的字頭組合成一個新單字「Modem」，下回只要聽到Modem就知道它是在做通訊用的組件啰！復用技術（Multiplex）多人共同使用一條信息信道的方法稱為「復用技術」（Multiplex），簡單的說，天空只有一個，你的手機要丟電磁波出去，我的手機也要丟電磁波出去，兩種電磁波在天空中混在一起，接收端該如何區(qū)分那些是你的（和你通話的），那些是我的（和我通話的）呢？復用技術的目的就是讓所有人使用，而且彼此不能互相干擾，為了增加數(shù)據(jù)傳輸率，可能必須同時使用兩種以上的復用技術，才能滿足每個人都要使用的需求。無線通信常見的復用技術包括下列4種：時分多址（TDMA）:使用者依照「時間先后」輪流使用一條信息信道，如圖5（a）所示，目前2G的GSM/GPRS系統(tǒng)有使用TDMA。頻分多址（FDMA）:用戶依照「頻率不同」同時使用一條信息信道，如圖5（b）所示，前面介紹每一對使用者必須使用「不同的頻率范圍」來通話，其實就是FDMA，目前2G的GSM/GPRS、3G的UMTS有使用FDMA。碼分多址（CDMA）:將不同用戶的數(shù)據(jù)分別與特定的「密碼（Code）」運算以后，再傳送到數(shù)據(jù)信道，接收端以不同的密碼來分辨要接收的信號，如圖5（c）所示。目前3G的UMTS有使用CDMA。正交頻分復用（OFDM）:前面介紹過頻分多址（FDMA）是用戶依照「頻率不同」同時傳送數(shù)據(jù)，而OFDM原理類似，唯一不同的是必須使用彼此「正交」的頻率，這個原理比較復雜有興趣的人可以參考這里，目前4G的LTE/LTE-A、無線局域網(wǎng)絡（IEEE802.11a/g/n）、數(shù)字電視（DTV）、數(shù)字音頻傳輸（DAB）有使用OFDM。AOOOO0H□黃料通道寅料通道AOOOOC0W1AOOOO0H□黃料通道寅料通道AOOOOC0W1BO011C01O1黃料通道B0011圖5：復用技術（Multiplex）。（a）TDMA:依照時間先后輪流使用;（b）FDMA:依照頻率不同同時使用;（c）CDMA:將不同用戶的數(shù)據(jù)分別與特定的密碼運算。復用技術的比喻復用技術比較復雜，我們可以想象在房子里，甲與乙要講話，丙與丁要講話，戊與己要講話：時分多址（TDMA）:甲與乙先講一句，再換丙與丁講一句，再換戊與己講一句，依此類推，大家輪流（分時）講話彼此就不會互相干擾。頻分多址（FDMA）:甲與乙在客廳講話，丙與丁在書房講話，戊與己在臥室講話，大家在不同的房間（分頻）講話彼此就不會互相干擾。碼分多址（CDMA）:甲與乙用中文講話，丙與丁用英文講話，戊與己用日文講話，這樣雖然大家在同一個房子里講話，各自仍然可以分辨出各自不同的語言，當甲與乙用中文講話時，丙與丁的英文以及戊與己的日文只是聲音干擾而己，不會造成甲與乙解讀中文的困擾；同理，當丙與丁用英文講話時，甲與乙的中文以及戊與己的日文只是聲音干擾而己，不會造成丙與丁解讀英文的困擾，在這個例子里「用不同的語言講話」就好像「用不同的密碼加密」一樣。4G與5G的技術發(fā)展目的：增加頻譜效率與帶寬「頻譜效率」（Spectrumefficiency）是單位帶寬（Hz）具有多少數(shù)據(jù)傳輸率（bps），可參考表1的說明，當單位帶寬的數(shù)據(jù)傳輸率高，代表頻譜效率高，例如：LTE可以提供上傳2.5bps/Hz,下載5bps/Hz；LTE-A可以提供上傳5bps/Hz,下載10bps/Hz，顯然LTE-A的頻譜效率比LTE高。因此4G與5G技術的發(fā)展只為了兩個目的：增加頻譜效率由于相同的頻率只能使用一次，因此必須利用更新的調(diào)制與復用技術來增加頻譜效率，讓相同帶寬的電磁波具有更高的數(shù)據(jù)傳輸率，也就是把更多的0和1塞進相同帶寬的電磁波里來傳送。增加帶寬由于目前的電磁波頻譜里10GHz以下的電磁波大部分都已經(jīng)被用掉了，頻譜效率再怎么提高總有技術上的極限，因此科學家只能去挖更高頻還沒有被使用的電磁波來給5G手機用，大家現(xiàn)在明白為什么5G技術會想要使用頻率30GHz(相當于波長10毫米)的「毫米波(MillimeterWave)」了吧！世代務工戶式牌方■式通道原竟翼料俾翰率上傅/下載(bps)熊IS效率上閣下載(bps/Hz)2GGSMFDMAGMSK200KHz&.6K/14.4K0.05/0.072「5GGPRSTDMAGMSK200KHZ9.5K/115K0-Q5/0.582.75GEDGESPSK2C0KHZ3