解析通訊技術：3G、4G、5G 背後的科學意義（上）

cwcheung24

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。

https://technews.tw/2015/10/06/3g%E3%80%814g%E3%80%815g-meaning/