3G4G5G背后的科学意义.docx

1、3G4G5G背后的科学意义3G4G5G背后的科学意义智能手机的问世除了带动移动世代的崛起，更加速通信技术的革新，在几年间，数据传输率的增加让用户享受高速移动网络新体验，3G、4G、5G 的议题热度也始终居高不下。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，本文将从不同通信时代的角度切入，一步步带领读者认识这些技术背后的原理，到底什么是电磁波？什么是带宽？不同世代的差别又在哪里？移动电话的世代我们常常听到广告说：4G LTE，其中 G 代表代（Generation），4G 代表第四代，是为了与之前的第二代（2G）、第三代（3G）移动电话做出区隔，我们

2、以目前全球市占率最高的欧洲系统来说明：第二代移动电话（2G）：GSM 系统只支持线路交换（注）的语音信道，主要通过语音信道打电话与传送短信，GPRS 系统支持分组交换因此可以上网，但是由于利用语音信道传送数据封包，因此上网的速度很慢。第三代移动电话（3G）：UMTS 系统支持分组交换（注），可以用更快的速度上网，由于 3G 的手机同时支持 2G ，因此当我们使用 3G 的手机讲电话或发短信时，其实是使用 GSM 系统的语音信道来完成。第四代移动电话（4G）：LTE / LTE-A 系统支持分组交换，可以用更快的速度上网，由于 4G 的手机大多同时支持 3G 与 2G，因此在手机找不到 LTE

3、基站时仍然会以 UMTS 基站上网，讲电话或发短信时仍然是使用 GSM 系统的语音信道来完成。其实 4G 使用的 LTE 系统由于数据传输率很高，可以直接将语音数据切割成封包来传送，原理就和 Skype 网络电话一样，可以让音质更好，但是分组交换通常费用是以数据传输率来计算，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，因此目前大部份电信公司的 4G LTE 提供讲电话或发短信时，仍然是使用 GSM 系统的语音信道来完成。带宽的科学含意一般人对通信世代的认知就是越后面的世代表示带宽（Bandwidth）越宽，带宽就好像高速公路

4、，带宽越宽就好像高速公路越宽（车道越多），代表行车速度越快，也就是通信时数据传输率越高；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，要解释带宽，我们需要从电磁波说起。无线通信传递媒介：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1（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

5、为 2Hz，如图1（b）所示；一秒钟振动 4 次，则频率为 4Hz，如图1（c）所示，例如：无线局域网络（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）。图1：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2（a）所示，我们称为电磁波频谱（Spectrum） ，由图中可以看出中间的

6、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信使用。图2：电磁波频谱与应用。（a）电磁波频谱；（b） 通信电磁波频谱。目前用来做为无线通信的电磁波如图2（b）所示，包括：1）频率大约 100G1GHz 的电磁波：通常应用在卫星通信、卫星定位、雷达与微波通信等，而频率 30GHz 以上（相当于波长 10 毫米以下）的电磁波称为毫米波（Mil

7、limeter Wave），目前有公司计划应用在 5G 的通信系统中。2）频率大约 100M1MHz 的电磁波：通常应用在无线电视、移动通信（GSM / GPRS）、调幅广播（AM）、业余无线电、调频广播（FM）等。3）频率大约 100K1KHz 的电磁波：通常应用在航空无线电、海底电缆、电话与电报等。无线通信传递通道：带宽带宽（Bandwidth）是用来传递信号的频率范围，单位与频率相同为赫兹（Hz），而且每一对通信用户必须使用不同的频率范围来通话，假设：甲和乙使用频率 900900.2MHz 的电磁波通话（带宽 900.2-900=0.2MHz）；丙和丁使用频率 900.2900.4MHz

8、 的电磁波通话（带宽 900.4-900.2=0.2MHz）；此时我们说这个通信系统的语音信道带宽为 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范围（带宽）的电磁波信号，因此甲与乙通话时手机都接收频率 900900.2MHz 的电磁波，丙与丁通话时手机都接收频率 900.2900.4MHz 的电磁波，换句话说，所有的通讯组件都是只认频率不认人，而且相同频率范围的电磁波只能使用一次，不能重复使用，否则会互相干扰。带宽与数据传输率的差异带宽（Bandwidth）与数据传输率（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：1）带宽（Bandwi

9、dth）是模拟通讯使用的名词：由图一可以看出，电磁波是一种连续的波动能量，既然是连续的当然一定是模拟信号，因此带宽（Bandwidth）和它的单位赫兹（Hz）指的都是电磁波的物理特性。2）数据传输率（Data rate）是数字通讯使用的名词：手机会先将我们讲话的声音（连续的模拟信号）先转换成不连续的 0 与 1 两种数字信号，再经由天线传送出去。数据传输率的单位每秒位数（bps：bit per second），代表每秒可以传送几个位，也就是每秒可以传送几个 0 或 1，例如：1Gbps（1G = 10 亿）代表每秒可以传送 10 亿个位（10 亿个 0 或 1）。数据传输率是数字通讯时实际传送

10、每个位数据的速率，重点是数字信号让我们可以利用不同的调变与多任务技术，使相同带宽的介质具有更高的数据传输率，这就是目前许多新的通信技术，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。在前文中，我们了解到无线通信的频谱有限，分配非常严格，相同带宽的电磁波只能使用一次，例如 2G 的 GSM900 系统使用频率范围 890960MHz，则其他的无线通信就不能再使用这个频率范围，否则会互相干扰。为了解决僧多粥少的难题，工程师研发出许多技术，来扩增频谱的使用率，例如 TDMA、FDAM、CDMA、OFDM，而在这些复杂技术的背后，只要能掌握两个基本概念，

11、就能了解整个通讯技术的发展关键。这两个基本概念为调制技术（Modulation）与多任务技术（Multiplex）。其中调制技术是将模拟电磁波调变成不同的波形，来代表 0 与 1 两种不同的数字信号，这样才能利用天线传送到很远的地方（这里只谈数字调制技术，不讨论早期的 AM、FM 这种模拟调制技术）。多任务技术则是将电磁波区分给不同的使用者使用，由于手机必须设计给所有的人使用，当每支手机都把电磁波丢到空中，该如何区分那个电磁波是谁的呢？数字调制技术（Digital modulation）现在的手机是属于数字通讯，也就是我们讲话的声音（连续的模拟信号），先由手机转换成不连续的 0 与 1 两种数

12、字信号，再经由数字调变转换成电磁波（模拟信号载着数字信号），最后从天线传送出去，原理如图3所示。图3：数字通讯示意图电磁波是连续的能量，如何利用电磁波替我们传送这些0与1的数字信号呢？因此科学家发明了下列 4 种数字调制技术：1振幅位移键送（ASK）：利用电磁波的振幅大小载着数字信号（0 与 1）传送出去，振幅小代表 0，振幅大代表 1，图4（a）所示。2频率位移键送（FSK）：利用电磁波的频率高低载着数字信号（0 与 1）传送出去，频率低代表 0，频率高代表 1，图4（b）所示。3相位位移键送（PSK）：利用电磁波的相位不同（波形不同）载着数字信号（0 与 1）传送出去，相位 0 代表 0，

13、相位 180 代表 1，图4（c）所示。4正交振幅调制（QAM）：同时利用电磁波的振幅大小与相位不同（波形不同）载着数字信号（0 与 1）传送出去，这个图形比较复杂有兴趣的人可以参考这里。图4：数字信号调制技术（a）ASK：振幅小代表 0，振幅大代表 1；（b）FSK：频率低代表 0，频率高代表 1；（c）PSK：相位 0 代表 0，相位 180 代表 1。数字调制技术的优点包括可以侦错与除错、可以压缩与解压缩、可以加密与解密、更好的抗噪声能力等，我们所使用手机 2G 的 GSM / GPRS、3G 的 UMTS、4G 的 LTE / LTE-A、无线局域网络（Wi-Fi）、蓝牙（Blueto

14、oth）等都是使用数字调制，显然数字通讯是发展的趋势。传送端将数字信号（0 与 1）转变成不同的电磁波波形称为调制（Modulation）；同理，接收端将不同的电磁波波形还原成数字信号（0 与 1）称为解调（Demodulation），所有的通讯装置一般都必须同时支持传送（调制）与接收（解调），因此科学家把负责调制与解调的组件称为调制解调器，英文就把Modulation与Demodulation的字头组合成一个新单字Modem，下回只要听到 Modem 就知道它是在做通讯用的组件啰！复用技术（Multiplex）多人共同使用一条信息信道的方法称为复用技术（Multiplex），简单的说，天空只

15、有一个，你的手机要丢电磁波出去，我的手机也要丢电磁波出去，两种电磁波在天空中混在一起，接收端该如何区分那些是你的（和你通话的），那些是我的（和我通话的）呢？复用技术的目的就是让所有人使用，而且彼此不能互相干扰，为了增加数据传输率，可能必须同时使用两种以上的复用技术，才能满足每个人都要使用的需求。无线通信常见的复用技术包括下列 4 种：1时分多址（TDMA）：使用者依照时间先后轮流使用一条信息信道，如图5（a）所示，目前 2G 的 GSM / GPRS 系统有使用 TDMA。2频分多址（FDMA）：用户依照频率不同同时使用一条信息信道，如图5（b）所示，前面介绍每一对使用者必须使用不同的频率范围来通话，其实就是 FDMA，目前 2G 的 GSM / GPRS、3G 的 UMTS 有使用 FDMA。3码分多址（CDMA）：将不同用户的数据分别与特定的密码（Code）运算以后，再传送到数据