2G、3G、4G、5G背后的科学含义科谱
智能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,数据传输率的增加让用户享受高速行动网络新体验,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,我们以目前全球市占率最高的欧洲系统来说明,这也是目前台湾所使用的系统:
·第二代移动电话(2G):GSM 系统只支持线路交换(注)的语音信道,主要透过语音信道打电话与传送简讯,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 的手机讲电话或传简讯时,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 基地台时仍然会以 UMTS 基地台上网,讲电话或传简讯时仍然是使用 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,因此目前台湾大部份电信公司的 4G LTE 提供讲电话或传简讯时,仍然是使用 GSM 系统的语音信道来完成。
带宽(Bandwidth)是用来传递讯号的「频率范围」,单位与频率相同为「赫兹(Hz)」,而且每一对通讯用户必须使用「不同的频率范围」来通话,假设:
·甲和乙使用频率 900~900.2MHz 的电磁波通话(带宽 900.2-900=0.2MHz);
·丙和丁使用频率 900.2~900.4MHz 的电磁波通话(带宽 900.4-900.2=0.2MHz);
·此时我们说这个通讯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:
·带宽(Bandwidth)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讯号,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。
·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(连续的模拟讯号)先转换成不连续的 0 与 1 两种数字讯号,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每个位数据的速率,重点是数字讯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。
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 890~960MHz,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,就能了解整个通讯技术的发展关键。
这两个基本概念为「调变技术」(Modulation)与「多任务技术」(Multiplex)。其中调变技术是将模拟电磁波调变成不同的波形,来代表 0 与 1 两种不同的数字讯号,这样才能利用天线传送到很远的地方(这里只谈数字调变技术,不讨论早期的 AM、FM 这种模拟调变技术)。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?
数字调变技术(Digital modulation)
现在的手机是属于「数字通讯」,也就是我们讲话的声音(连续的模拟讯号),先由手机转换成不连续的 0 与 1 两种数字讯号,再经由数字调变转换成电磁波(模拟讯号载着数字讯号),最后从天线传送出去。
4G 与 5G 的技术发展目的:增加频谱效率与带宽
「频谱效率」(Spectrum efficiency)是单位带宽(Hz)具有多少数据传输率(bps),可参考表 1 的说明,当单位带宽的数据传输率高,代表频谱效率高,例如:LTE 可以提供上传 2.5bps/Hz,下载 5bps/Hz;LTE-A 可以提供上传 5bps/Hz,下载 10bps/Hz,显然 LTE-A 的频谱效率比 LTE 高。因此 4G 与 5G 技术的发展只为了两个目的:
增加频谱效率
由于相同的频率只能使用一次,因此必须利用更新的调变与多任务技术来增加频谱效率,让相同带宽的电磁波具有更高的数据传输率,也就是把更多的 0 和 1 塞进相同带宽的电磁波里来传送。
增加带宽
由于目前的电磁波频谱里 10GHz 以下的电磁波大部分都已经被用掉了,频谱效率再怎么提高总有技术上的极限,因此科学家只能去挖更高频还没有被使用的电磁波来给 5G 手机用,大家现在明白为什么 Samsung 的 5G 技术会想要使用频率 30GHz(相当于波长 10 毫米)的「毫米波(Millimeter Wave)」。
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